（轮机工程专业论文）ureascr排气后处理系统在重型柴油机中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 明年我国将全面实施国家机动车第1 阶段排放标准，北京市计划2 0 0 8 年提 前实施国家机动车第阶段排放标准。 一般认为，重型柴油机仅仅依靠机内优化措施不能满足第阶段排放限值 的要求，达到第阶段排放标准必须采用排气后处理系统。在众多的柴油机排 气后处理措施中，选择性催化还原( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 技术最有前途， 尤其针对重型柴油机的n o x 排放。 重型柴油机应用s c r 系统通常采用如下的技术路线：先对柴油机的油耗进 行优化使颗粒排放降低，同时允许n o x 升高，然后再将升高的n o x 利用s c r 技术降低。安装s c r 系统后，重型柴油机的经济性能和排放性能会有很大的提 高。 本文作者课题组针对从德国引进的s c r 系统进行了基础性的研究，研究内 容包括s c r 系统各部件的功能，压缩空气压力的确定，计量阀开启频率的确定， 尿素水溶液最低喷入温度的确定，计量单元流量特性的标定等。s c r 系统催化 器对柴油机燃用高硫柴油的敏感程度决定了该项技术是否适合在我国应用。为 了评价s c r 系统催化器的可靠性，在掌握了该系统的基础特性以后，将其装配 在某重型柴油机上进行了1 0 0 0 小时高硫燃油可靠性试验。试验结果说明尿素水 溶液最低喷入温度为2 8 0 时，催化器的活性比较稳定；当最低喷入温度为2 0 0 时，催化器的活性经过一段使用时间后有所下降：完成s c r 系统催化器可靠 性试验以后，根据g b l 7 6 9 1 - - 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽 车排气污染物排放限值及测量方法对柴油机和排气后处理措施提出的要求对 s c r 系统进行了评价论证试验。三次有针对性的欧洲稳态测试循环发现s c r 系 统对排气中n o x 和h c 排放的降低作用非常显著，但是柴油机颗粒排放达不到 第阶段排放要求。优化发动机的喷油规律后继续进行了评价论证试验，试验 结果说明该型式的重型柴油机装配s c r 系统后可以达到第阶段排放水平。 为了实现s c r 系统的国产化，本文最后简单的探索了s c r 系统的替代方案。 关键词：柴油机，n o x ，s c r 系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n 壕n o 3e r ae m i s s i o ns t a n d a r d sf o rm o t o rv e h i d e sw i l lb ec a r r i e di n t o e x e c u t i o ni nc h i n a , a n dt h en o 4e r ae m i s s i o ns t a n d a r d sh a v eb e e np l a n e dt ob ep u t i n t op r a c t i c ei nb e i j i n ga h e a do f s c h e d u l ei n2 0 0 8 i ti sg e n e r a l l ya s s u m e dt h a tt h en o 4e r ae m i s s i o ns t a n d a r d sw i l lb en ol o n g e r f e a s i b l e b yp r i m a r ym e a s u r e sb u tw i l lr e q u i r ea d d i t i o n a le x h a u s ta f t e r t r e a t m e n t t e c h n i q u e s a m o n ge x h a u s ta f t e r - t r e a t m e n tt e c h n i q u e sf o rd i e s e le n g i n e s , t h e s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o ni sp r e s e n t l yc o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i s i n gw a yt o d i m i n i s hn 0 x o r i g i n a t i n gf r o mh e a v yd u t yv e h i c l e s t h ea p p l i c a t i o no f t h es c rs y s t e mo na h e a v yd u t yd i e s e le n g i n eu s u a l l ya d o p t s t h ef o l l o w i n gr o u t e ：o p t i m i z i n gt h ee n g i n et oo b t a i nl o wf u e lc o n s u m p t i o na n dl o w p a r t i c u l a t ee m i s s i o n , a n da tt h es a l n et i m e ，a l l o wn o x e m i s s i o nt oi n c r e a s e t h e nt h e s c rs y s t e mc a r l d e c r e a s et h en o xo r i g i n a t i n gf r o mt h ee n g i n eb yt h em e a n so f i n j e c t i n ga q u e o u su r e ai n t ot h ee x h a u s tp i p e t h ee n g i n ee q u i p p e dw i t ht h es c r s y s t e mw i l ls e r v ei n s p i r i n gf u e le c o n o m ya n de x c e l l e n te m i s s i o np e r f o r m a n c e t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e dt h es c rs y s t e mi n 订o d u e e df r o mg e r m a n yb a s i c a l l y t h ec o n t e n t si n c l u d es c re l e m e n t s f u n c t i o n s ，t h ea p p r o p r i a t ep r e s s u r e f o r c o m p r e s s e da i r ，t h ef e l i c i t o u so n - o f ff r e q u e n c yo ft h ed o s i n gv a l v e ，t h el o w e s t t e m p e r a t u r es u i t sa q u e o u su r e at oi n j e c ta n dt h er e l a t i o nb e t w e e na q u e o u su r e af l o w a n dp u l s e t h es e n s i t i v i t yo ft h es c rc a t a l y s tt ot h es u l f m i nf u e ld e t e r m i n e st h e a p p l i e a b i l i t yo ft h es c rs y s t e mi nc h i n a , s ot h es c rc a t a l y s tr e l i a b i l i t yt e s tw a s c o n d u c t e do nnc e r t a i nh e a v yd u t ye n g i n ea f t e rt h eg r i po ft h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ec o n c l u s i o nw a si n d u c e dt h a tt h ec a t a l y s ta c t i v a t i o ni ss t a b l ew h e nt h ea q u e o u s u r e ai n j e c t so v e ra t e m p e r a t u r eo f2 8 0 ca n dt h a tt h ec a t a l y s ta c t i v a t i o ng e t ss o m e a u e n u a t i o na f c e rs u f f e r i n gap e r i o do fr u n n i n gw i t hai n j e c f i o nt e m p e r a t u r ea b o u t 2 0 0 c a tt h el a s tt h es c rs y s t e mw a sd e m o n s t r a t e da c c o r d i n gt 0g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 r e q u i r e m e n t sf o rd i e s e le n g i n ea n de x h a u s ta f t e r t r e a t m e u ts y s t e m s t h r e ep e r t i n e n t e u r o p e a ns t a t i o n a r yc y c l et e s t sf i n do u tt h er e d u c t i o no f n 0 xa n dh ce m i s s i o n si s a p p a r e n tw i t ht h es c rs y s t e m ，b u t t h ep a r t i c u l a t e 口h de m i s s i o no r i g i n a t i n gf r o mt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 e n g i n ei st o oh i g h t oa t t a i nt h en o 4e r ae m i s s i o ns t a n d a r d sl i m i t t h ed e m o n s t r a t e t e s t sc o n t i n u e da f t e rt h ee n g i n ew a so p t i m i z e df o rl o w e rp me m i s s i o n 、析t l la c o n c l u s i o nt h a tt h ee m i s s i o n so ft h eh e a v yd u t ye n g i n ee q u i p p e dw i t ht h es c r s y s t e mm e e tt h en o 4e r ae m i s s i o ns t a n d a r d s i no r d e rt om a k eas c rs y s t e mi no u rc o u n t r y , as u b s t i t u t ef o rt h es c rs y s t e m w a se x p l o r e ds i m p l ya tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n o x ，t h es c rs y s t e m i i i 武汉理工大学硕七学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 0 5 年，全国机动车保有量保持高速增长，全年生产汽车5 7 0 7 万辆，销 售汽车5 7 5 8 2 万辆，分别比2 0 0 4 年增长1 2 6 和1 3 5 。汽车、摩托车保有量 分别超过4 3 0 0 万辆和9 4 0 0 万辆，比2 0 0 4 年增长2 0 6 和2 3 6 。 随着全国机动车保有量的增加，机动车造成的污染日益突出。机动车排放 的( p m l o ) 和n o x 是许多城市大气的重要污染源。机动车排放的颗粒物都是非 常细微的粒子，漂浮在人的呼吸带高度，往往成为有毒物质的载体，对人体健 康造成的影响非常严重。n o x 是造成酸雨和形成光化学烟雾的罪魁祸首之一。 2 0 0 5 年中国环境公报指出：城市空气质量总体较上年有所好转，但部 分城市的污染仍然严重。 2 0 0 5 年监测的5 2 2 个城市中，空气质量达到一级标准的城市占4 2 ，二级 标准的城市占5 6 1 ，三级标准的城市占2 9 1 ，劣于三级标准的城市占1 0 6 。 主要污染物为可吸入颗粒物( p m i o ) 。 广州、北京、宁波、上海、杭州、哈尔滨、乌鲁木齐、南京、成都和武汉 等大城市的空气中二氧化氮浓度较高。 1 1 3 个大气污染防治重点城市中城市空气质量为三级的占5 1 3 ，城市空气 质量劣于三级的占6 2 。 2 0 0 5 年，全国开展酸雨监测的6 9 6 个市( 县) 中，出现酸雨的城市占5 1 3 ， 其中浙江省象山县、安吉县，福建邵武市，江西瑞金市酸雨频率为1 0 0 。 与2 0 0 4 年统计的5 2 7 个城市相比较，出现酸雨的城市比例增加了1 8 个百 分点；降水p h 年均值低于5 6 的城市比例增加了o 7 个百分点，其中p h 值小 于4 5 的城市比例增加了1 9 个百分点。酸雨频率超过8 0 的城市比例增加了2 8 个百分点。降水p h 年均值低的城市以及高酸雨频率的城市比例均比2 0 0 4 年有 所增加，表明2 0 0 5 年酸雨污染较2 0 0 4 年有所加重【1 】o 2 0 0 5 年中国环境公报的调查结果说明机动车的n o x 排放亟需进一步降 低。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 排放法规三大体系 为了保护本国的环境，几乎所有的国家都对内燃机的排放进行了限制。目 前，世界上实行的排放法规主要有美国、欧洲和日本三大体系，其中美国和欧 洲的排放标准体系被各国广泛引用。我国引用了欧洲排放标准体系并结合本国 国情制订了内燃机排放法规。g b1 7 6 9 1 2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发 动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法对我国第阶段、第阶段和第 v 阶段发动机和汽车排气污染物的限值和测量方法提出了要求。表1 1 是欧洲稳 态测试循环( e s c ) 和负荷烟度试验( e l r ) 对排气污染物的限值，表1 2 为欧 洲瞬态测试循环( e t c ) 对排气污染物的限值，表1 3 是型式核准执行日期【2 】： 表1 - 1e s c 和e l r 试验限值 一氧化碳碳氢化合物氮氧化物烟度 阶段( c o )( h c )( n o x ) 颗粒物( p m ) g k w hg k w hg k w h g k w h m 1 i l l2 1o 6 6 5 oo 1 0o 1 3 1 )0 8 1 50 4 63 5 o 0 20 5 v 1 50 4 62 o0 0 2o 5 e e v 1 5o 2 52 o 0 0 2o 1 5 对每缸排量低于0 7 5 d i n 3 ，及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 根据g b1 7 6 9 1 - 2 0 0 5 的要求，对于安装了先进的排气后处理装置包括n o x 催化器和( 或) 颗粒物捕集器的柴油机，应附加e t c 试验规程测定排气污染物。 表1 - 2e t c 试验限值 一氧化碳 非甲烷碳氢 阶段( c o ) 化合物 甲烷氮氧化物颗粒物 ( n m h c ) ( c h 4 ) 1 ( n o x )( p m ) 2 g k w hg k w hg k w h g k w h g k w h 5 4 5o 7 81 6 5 0o 1 6o 2 1 3 4 0o 5 51 13 50 0 3 v 4 0 o 5 5 1 12 o0 0 3 e e v3 o0 4 0o 6 52 o 0 0 2 n 仅对n g 发动机。 瞳不适用于第、和v 阶段的燃气发动机。 o 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 2 武汉理工大学硕士学位论文 表1 3 型式核准执行日期 i 第i 阶段 l第阶段i第v 阶段l l 2 0 0 7 年1 月1 日 i 2 0 1 0 年1 月1 日 l2 0 1 2 年1 月1 日l 明年我国对重型柴油机的排放限制将全面进入第阶段，n o x 和颗粒物的 排放限值分别由7 0 9 k w h 和o 1 5 9 k w h 降低到5 0 9 k w h 和o 1 0 9 k w h 。北京市计 划在2 0 0 8 年提前执行重型柴油机第阶段的排放标准，n o x 和颗粒物的排放限 值进一步降低到3 5 9 k w h 和0 0 2 9 k w h 。 1 3 排放控制技术 随着发动机排放法规的日益严格，很多国家都在开发排放控制技术。这些 技术基本可分为两类，即机内优化措施和排气后处理。表1 - 4 列出了这些技术的 基本工作原理以及各自的缺点。 表1 - 4 排放控制技术工作原理及缺点 分 类 措旄基本原理缺点 通过降低燃烧温度抑制经济性有所变差 喷油延迟 n o x 的生成颗粒排放升高 通过乳化油的微爆效应使影响低负荷下燃烧的稳 柴油掺水燃烧燃烧改善，降低燃烧温度抑定性，且会加剧润滑油的 $ l j n o x 的生成稀释变质 3 1 机 废气再循环 降低燃烧气体中氧气的浓会引起局部缺氧燃烧，影 内度，减少n o x 的排放 4 1 。响柴油机动力及经济性 措 降低进气温度，减少n o x 的 施增压中冷技术 排放 通过优化喷油脉谱降低污 燃油电喷技术发动机成本增长 染物的排放5 】 使燃烧室、进气涡流及喷油 设计与匹配比较复杂 燃烧室改进技术方式相互匹配降低污染物 的排放 3 武汉理t 大学硕士学位论文 续表l - 4 排放控制技术工作原理及缺点 分 类 措施基本原理缺点 非选择催化还原将还原剂喷入排气管，在催还原剂很容易直接被氧 ( n s c r )化器的作用下与n o x 反应化，消耗量极大 选择性催化还原 与n s c r 相似，只是加强了初装成本高；催化器低 排 ( s c r ) 还原剂对n o x 的选择性，抑温活性较差；控制策略 气 制了还原剂与氧气的反应复杂 后 先将n 0 x 转化为n 0 2 并储转化器对硫敏感；吸附 处 n o x 吸附转化器 存，再喷入还原剂还原 6 1温度范围比较窄； 理 氧化催化器 氧化h c 和c o ，对n o x j l 乎不起作用， 间接降低微粒排放需要抑制硫酸根的形成 过滤下来的颗粒与n 0 2 反应捕集器再生是最大的技 微粒捕集器 生成n o 和c 0 2术难题 从重型柴油机的发展来看，柴油机一般采用增压技术满足第1 阶段的排放 要求，第1 i 阶段进行了增压中冷，第阶段引入了电控燃油喷射技术，第阶 段需要在上述技术基础上对排气进行后处理。在众多的排气后处理系统中选择 性催化还原技术被认为是最有前途的。选择性催化还原技术通常采用如下技术 路线：优化柴油机的喷油规律把颗粒排放降低到某一适中水平，同时允许n o x 排放升高，然后再通过选择性催化还原技术把n o x 的排放降低。采用这一路线 可以同时达到降低颗粒排放和n 0 x 排放以及优化油耗的目的。 1 4 课题的提出 n o x 选择性催化还原技术最初应用在固定的污染源上，比如锅炉、焚烧炉 和固定式的发电机组以降低n o x 的排放 7 1 g l 。在1 9 9 1 年，戴姆勒一柯莱斯勒、 m a n 、依维柯和西门子开始联合研究在重型柴油机汽车上引入s c r 技术，当时 他们建议用尿素水溶液做还原剂【9 】。s c r 技术比较复杂，要求能够对还原剂供给 量进行精确控制，以免使附属排放物造成二次污染。经过近二十年的发展，该 技术在欧洲已经成熟并在重型柴油汽车上得到广泛应用。 在国内，重型柴油汽车应用s c r 技术的研究还处于初始阶段。本课题组使 4 武汉理工大学硕士学位论文 用了一套从德国引进的s c r 硬件系统，本文首先研究s c r 系统的工作原理、主 要部件的功能、还原剂类型的确定、尿素水溶液最低喷入温度的确定、计量阀 开启频率的确定以及计量装置流量特性的标定等内容，然后对s c r 催化器的可 靠性进行考察并对s c r 系统进行评价论证，最后针对s c r 系统的替代方案进行 一些初步的探索。 1 4 1 利用s c r 系统降低n 0 。的机理 1 4 1 1s c r 系统的基本工作原理 本课题采用的s c r 系统的原理见图1 - 1 。 回流 图l ls c r 系统的原理图 构成s c r 系统的主要部件有尿素罐、尿素泵、催化器、电气比例阀、控制 器、计量阀和喷嘴。 尿素罐：作为尿素水溶液的储存容器。德国d i n7 0 0 7 0 ：2 0 0 5 标准要求尿 素罐的材料选用奥氏体铬一镍合金钢或铬镍钼合金钢，不能使用铜和镀锌材料。 本课题s c r 系统的尿素罐临时使用塑料桶代替。 s 武汉理工大学硕士学位论文 尿素泵：为尿素水溶液的输送提供动力，泵的最大输送能力为1 0 k g h 。 催化器：催化剂的储存容器，也是柴油机排气中的n o x 发生催化还原反应 的主要空间，催化剂载体容积为2 4 7 l 。 电气比例阀：提供压力稳定的空气，输入o 5 v 电压信号，输出0 0 0 5 0 5 m p a 。 控制器：采集发动机的转速和转矩信号以及催化器的进口温度信号，按照 控制策略发出尿素水溶液流量的控制指令。 计量阀：接收控制器的指令控制尿素水溶液的流量。 喷嘴：将尿素水溶液与压缩空气的混合物以雾化的形式喷到排气管中。 s c r 系统开始工作时，首先比例阀通电，输出压力稳定的空气，一路空气供 给喷嘴，起雾化尿素水溶液的作用；另一路空气供给尿素泵，控制尿素水溶液 回流量的大小。其次尿素泵起动，在计量阀的进口处建立起具有一定压力的尿 素水溶液待用。控制器采集柴油机的转速和转矩信号以及催化器的进口温度信 号，按照控制策略发出需求的尿素水溶液流量的控制指令，驱动电路驱动计量 阀动作，尿素水溶液与雾化空气混合经喷嘴进入排气管。在排气管中尿素水溶 液经蒸发、热解以及水解一系列的物理化学反应后部分或全部分解成氨气( n h 3 ) 和水( h 2 0 ) 并与排气充分混合，然后进入s c r 催化器。在催化剂的催化作用 下，氨气与n o x 迅速反应生成氮气( n 2 ) 和水( h 2 0 ) ，随排气排入大气。 1 4 1 2s c r 系统降低n o x 排放的机理 s c r 是s e l e c t i v e ( 选择) 、c a t a l y t i c ( 催化) 和r e d u c t i o n ( 还原) 的英文 缩写，指的是选择废气中的n o x 对其进行催化还原而使其含量降低。选择性催 化还原反应中氧化剂是n o x ，真正的还原剂是氨气，其间所经历的化学反应相 当复杂，但主要的反应有下面几个1 0 】【1 司： ( 1 ) 氨气的生成 在排气管和s c r 催化器中，氨气的生成是分三步实现的： 第一步：尿素水溶液蒸发析出尿素颗粒； ( n h 2 ) 2 c o ( 水溶液) 一( n h 2 ) 2 c 0 ( 固态) + h 2 0 ( 气态) ( 1 - - 1 ) 第二步：尿素热解生成等摩尔的氨气和氰酸( h n c o ) ： ( n h 2 ) 2 c o ( n 态) 一n h ，( 气态) + h n c o ( 气态) 6 ( 1 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 第三步：氰酸进一步水解生成等摩尔的氨气和二氧化碳。 h n c o ( 气态) 专n i - 1 3 ( 气态) 忙0 2 ( 气态) ( 1 3 ) s c r 催化器对化学反应( 1 3 ) 有催化作用，能够促进氰酸的进一步水解。 反应( 1 一1 ) 和( 1 - - 2 ) 属于吸热反应，因此在氰酸和氨气到达催化器的进口 时就已经呈气态。 ( 2 ) n o x 的催化还原 n o x 的催化还原反应中主要的反应有如下两个： 4 n h 3 + 4 n o + 0 2 = 4 n 2 + 6 h 2 0 2 n h 3 + n o + n 0 2 = 2 n 2 + 3 h 2 0 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 柴油机排放的氮氧化物中n o 含量通常占8 5 9 5 1 9 1 ，因此在n o x 的催 化还原反应中化学方程式( 1 - - 4 ) 是最主要的反应，但是化学方程式( 1 - - 5 ) 的反应优先级比化学方程式( 1 - - 4 ) 高，废气中的n 0 2 和一部分n o 能够通过 化学方程式( 1 - - 5 ) 快速地被消除。经过化学方程式( 1 - - 4 ) 和( 1 5 ) 的反 应，大部分的n o x 被转化为无害的氮气和水。 1 4 2s c r 系统在国外的应用现状 目前欧洲的重型车上大多已经安装了s c r 系统。供应尿素水溶液的基础设 施也比较普及。 戴克公司在2 0 0 5 年上半年在卡车及大巴中安装了s c r 系统，计划在全部车 辆中使用该技术以达到欧排放标准。该公司今后还将继续开发s c r 技术，以 尽早达到欧v 的要求。 针对欧标准，康明斯采取了“集成式排放控制系统”( i e m ) 技术路线 把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起，实现“从进气到排气”的全过程控 制。为了有效地控制排放，康明斯i e m 技术路线也采用了s c r 排气后处理系统， 并由控制器对s c r 排气后处理系统进行控制。控制器能够根据发动机的实时工 况，准确地将需要的尿素水溶液喷入催化器进口前的排气管中。为了确保车辆 运行中s c r 系统正常工作，康明斯i e m 系统带有一个全自动的车载排放诊断系 7 武汉理工大学硕士学位论文 统( o a o ) ，驾驶员可以通过驾驶室中的仪表或指示灯随时了解s c r 系统的运行 情况。康明斯认为从长远的角度看，燃油经济性的提高将抵消尿素使用成本及 s c r 系统的初装成本。 在s c r 技术基本成熟之后，m a n 正在研制一种可控柴油催化器，使得s c r 技术与n o x 预氧化、尿素水解催化以及对泄漏的氨气进行氧化技术相结合，进 一步提高n o x 的转化效率。m a n 表示，该系统目前还处于研制阶段。 美国e p a 2 0 1 0 重型卡车和汽车的排放标准应对策略还未确定，但是从美国 对s c r 的关注程度上分析，s c r 技术很可能在美国得到应用。 1 5 本文主要研究内容 ( 1 ) 掌握s c r 系统的工作原理和s c r 系统降低n 0 x 排放的机理； ( 2 ) 对s c r 系统的特性进行基础性地研究； ( 3 ) 对s c r 系统催化器的可靠性进行试验验证； ( 4 ) 对s c r 系统进行评价论证试验； ( 5 ) 初步探索s c r 系统的替代方案。 1 6 本章小结 本章首先提出了柴油机排放控制的紧迫性，然后介绍了世界排放法规三大 体系及我国的排放法规。接下来对柴油机排放控制技术进行了对比，又介绍了 s c r 系统的工作原理、n o x 降低的机理以及s c r 系统在国外的应用现状。最后 介绍了一下本文的主要研究内容。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s c r 系统特性基础研究 2 1 试验条件 本课题的试验条件如表2 1 所示： 表2 - 1 试验条件 设备名称设备型号生产厂家备注 柴油机某重型柴油机 洛阳南峰机电设备制造有 测功机 c w 2 6 0 1 8 0 0 7 5 0 0 稳态测功机 限公司 发动机数控洛阳南峰机电设备制造有对测试循环可进行 系统 f s t 2 c 限公司 程序控制 计算2 0 秒油耗量的 油耗仪 f c m m 2二汽 平均值 进气流量计 5 3 4 f t - 4 8 ak u r z s c r 系统p u r e m s c r 控制器 武汉理工大学开环控制 可测量n o x 、c o 、c 0 2 、 气体分析仪 m e x a 1 5 0 0 dh o r i b a h c 颗粒分析仪 s p c 4 7 2a v l 分流稀释系统 空压机 w - 0 9 ，7 复盛实业( 上海) 有限公司 停机压力o 8 m p a 稳压桶 o 2 1 1 上海申江压力容器厂 空气比例阀 i t v 2 0 3 0 一2 1 2 ss m c 输出0 0 0 5 0 5 m p a 2 2s c r 系统特性基础研究 2 2 1 还原剂种类的选择以及浓度的确定方法 在对s c r 系统的研究中，关于还原剂的选择曾有很多的尝试。2 0 世纪7 0 年代提出的用氨气作还原剂的n o x 选择性催化还原法是目前效率最高的，并能 在富氧条件下使用。 很多种氨类物质或碳氢化合物也可用作s c r 系统的还原剂，其中氨类物质 包括氨水、氨盐、固体尿素和尿素水溶液等。 9 1 0 溶液 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 尿素水溶液的半结冰状态图 试验结果如下： 尿素水溶液开始结冰温度：一1 3 ； 尿素水溶液结冰前浓度：3 2 5 ； 尿素水溶液半结冰状态浓度：3 2 5 。 2 2 2 尿素水溶液浓度的检测方法 在s c r 系统使用中，尿素水溶液的浓度是至关重要的。尿素水溶液浓度的 改变直接影响到n o x 的转化效率和是否有氨气滑失。 适合s c r 系统使用的尿素水溶液浓度传感器很少，目前只知道日本三井公 司在美国市场公布了它的第二代尿素质量传感器技术，这个传感器目前还处于 测试阶段。第一代传感器去年在日本运用到装在重型卡车上的s c r 系统中。三 井方面介绍：为了保证输送到排气中的尿素水溶液有比较高的质量，这个传感 器具有多种功能，比如禁止发动机在尿素水溶液用完的情况下将自束水代替尿 素水溶液添加到尿素罐等。 目前，在国内对尿素水溶液的浓度进行检测还是一个难题，化学分析方法 不但烦琐，精度也达不到要求。本着简易可行的原则，本课题组采用测量尿素 水溶液密度和温度的方法来检测它的浓度。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 1 理论依据 尿素水溶液的相关物理性质：在2 0 ( 2 的温度下，尿素水溶液的浓度与密度 具有一一对应关系。溶液密度受大气压影响较小，可以忽略不计。 2 2 2 23 2 5 浓度尿素水溶液的配制 ( 1 ) 所需仪器：电子天平( 精确到o 1 克) 、2 5 0 m l 和5 0 0 m l 锥形瓶各一 只、1 0 0m l 量简、1 0 0 0m l 烧杯、1 0 0 0 1 1 0 0g e e 和1 1 0 0 1 2 0 0g c o 精密密 度计各一支、酒精灯、水银温度计( o 1 0 0 c ) 、电液吸管、0 9 克吸管、药匙 一套、玻璃棒； ( 2 ) 所需药品：尿素( 分析纯) 、自来水； ( 3 ) 配制过程： 将干燥的2 5 0 m l 锥形瓶置于电子天平上，测量三次取其重量平均值记为 w g ，用大药匙往锥形瓶中加尿素3 0 9 ，然后改用小药匙继续加2 5g ，用量筒量 6 5m l 自来水置于锥形瓶中，然后用0 9 9 吸管继续加自来水，直到天平读数为 w + 1 0 0 9 ； 将锥形瓶从天平上取下，待天平读数归零，再次称重锥形瓶，以检测上 一步的准确性； 均匀摇动锥形瓶促使尿素充分溶解，由于尿素溶解是吸热过程，溶液温 度将有较大降低( 本试验中可降至4 c 左右) ，所以需将锥形瓶置于2 0 。c 的温 水浴中粗略调温，然后置于石棉网上用酒精灯加热至2 0 。c ； 将锥形瓶中的溶液注入量筒中，用精密密度计测其密度，测三次并记录 密度平均值： 洗净锥形瓶和量筒并凉干； 重复上述第一步至第五步两次； 将三次溶液密度平均值再进行平均并记录，该平均值认为是2 0 。c 时3 2 5 浓度尿素水溶液的密度值； 2 2 2 3 尿素水溶液浓度、密度和温度对应关系 实践发现：应用上述配制方法可以得到不同温度下尿素水溶液浓度与密度 的对应关系。鉴于实用需要，表2 2 只列出了2 0 。c 时，3 0 3 8 尿素水溶液 浓度与密度的对应关系： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 22 0 时尿素水溶液浓度与密度的对应关系 浓度( ) 3 03 0 53 l3 1 53 23 2 53 33 3 53 4 密度 1 0 8 01 0 8 21 0 8 31 0 8 51 0 8 61 0 8 71 0 8 81 0 8 91 0 9 2 ( g ，c c ) 浓度( ) 3 4 53 53 5 53 63 6 53 73 7 53 8 密度 1 0 9 31 0 9 41 0 9 51 0 9 71 0 9 81 1 0 0 1 1 0 11 _ 1 0 2 ( g c c ) 2 2 2 4 给定尿素水溶液浓度的确定 s c r 系统投入工作前，经常需要确定尿素水溶液的浓度，运用表2 2 可以 解决这一问题。 具体操作如下： 用电液吸管吸取1 0 0 克尿素水溶液置入2 5 0 m i 锥形瓶中，调温至2 0 后， 将溶液注入量筒测量密度，根据密度值在表2 - - 2 中可以查到该溶液的浓度。 2 2 2 5 用武汉市自来水和尿素分析纯配制的尿素水溶液质量 欧洲使用的尿素水溶液被称为“a d b l u e ”，译成中文为“添蓝”。 “a d b l u e ”符合德国d i n7 0 0 7 0 ：2 0 0 5 标准，表2 3 是该标准对“a d b l u e ”的 要求： u n i tm i l l l i m i t m a x l i m i t c u s t o m sc o m m o d i t yc o d e3 1 0 2 1 0 9 0 0 0 u r e ac o n c e n t r a t i o n p e r c e n tb yw e i g h t3 1 8 3 3 2 d e n s i t ya t2 0 0 c e l s i u s k g c m 3 1 0 8 71 0 9 3 r e f i a e t i v ei n d e xa t2 0 0 1 3 8 1 41 3 8 4 3 c e l s i u s a l k a l i n i t ya sn h 3 p e r c e n tb yw e i g h t0 2 b i u r e t p e r c e n tb yw e i g h to 3 a l d e h v d m g 瓜g 5 i n s o l u b l e m g m g 2 0 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 u n i tm i n l i m i tm a x l i m i t p h o s p h a t e0 0 4 )m g k g o 5 c a l c i u m m g k g o 5 i r o n m g k g 0 5 c o p p e rm g k g o 2 z i n e m g k g 0 2 c h r o m i u m m g k g o 2 n i e k e l m g k g o 2 a l u m i n u m m g k g o 5 m a g n e s i u mm g k g 0 5 s o d i u m m g k g 0 5 p o t a s s i u m m g k g 0 5 本课题中使用的尿素水溶液是用尿素分析纯和武汉市自来水配制的，尿素 分析纯的技术指标和武汉市自来水的化验单分别见表2 4 和表2 5 ： 表2 4 尿素分析纯技术指标 指标量值单位 含量9 9 0 澄清度合格 水不溶物 o 0 0 5 灼烧残渣( 以硫酸盐计)如0 1 氯化物( c l )卯0 0 0 3 硫酸盐( s 0 4 ) o 0 0 1 氨( n h 3 )郢0 0 5 铁( f e )! o 0 0 0 2 重金属( 以p t 计) 0 0 0 0 0 2 缩二脲( c 2 h s n 3 0 2 ) ! o 2 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 5 武汉市自来水的化验单 指标量值单位 铜0 0 6 8 m l g 铁0 0 5 7 m l g 锌o 1 7 m l g 锰 o 0 2 m l g 氯离子1 8 4 9 m u g 硫酸根离子3 4 7 7 m l 倌 p h 值 7 8 7 通过自来水水质检测数据和尿素分析纯的技术指标可以计算出尿素水溶液 的成分含量。对“添蓝”参数要求和自来水配制的尿素水溶液成分指标中共有 的成分进行了对比，见表2 6 ： 表2 6“添蓝”与用武汉市自来水配制的尿素水溶液指标对比 类别自来水配制的 指标 添蓝单位 尿素水溶液 浓度 3 1 8 3 3 2 3 2 5 2 0 时的密度 1 0 8 7 1 0 9 31 0 8 7 k g e m 3 缩二脲 o 3 卯0 6 5 水不溶物 2 0 1 6 2 5 m g k g 铁离子 o 5 翊6 5 m g k g 铜离子 o 2 o 0 5 m g k g 锌离子 o 20 1 2 m g k g 通过对比可以看出，用武汉市自来水配制的尿素水溶液的密度比“添蓝” 稍小，金属离子含量与“添蓝”相当或是比“添蓝”的标准要求低。 2 2 3s c r 系统控制器的搭建 为了实现对尿素水溶液流量的精确控制，本课题组搭建了s c r 系统控制器， 图2 3 是控制器系统图。控制器的e c u 经c a n 总线采集柴油机的转速信号、 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 转矩信号和催化器进口的排气温度信号，然后根据控制策略发出指令，经驱动 电路使计量阀动作实现尿素水溶液的准确摄入。除此以外，s c r 系统控制器还 具有监测尿素水溶液压力、气液混合物压力、尿素水溶液的液位、尿素水溶液 的温度、催化器进出口温度、大气温湿度、控制尿素罐加热以及故障报警功能。 阍阉翮殿 k 传碴器j b 传赙嚣li 度传感嚣je 度传盛嚣l 蓠翮面磊谰再碉巧雨 鬯竺! ! ：! 型l 竺竺竺竺竺已竺竺登ik 。丝竺i 图2 3s c r 控制器系统图 2 2 4 空气压力的确定 2 2 4 1 所需空气压力的确定 s c r 系统中的压缩空气分两路，一路用于改变尿素水溶液的回流量以控制 计量阀的进口溶液压力；一路与计量阀排出的尿素水溶液混合，对进入排气管 的尿素水溶液起雾化作用。空气压力太高会造成溶液回流量太小甚至没有回流， 引起计量阀的进口溶液压力升高，不易实现小的流量；空气压力太低会降低排 气管中溶液的雾化效果，使n o x 的转化率因氨气与排气混合不均匀而降低。为 了简化s c r 系统的结构，没有对两路压缩空气进行独立控制，而是选用了一个 比较适合试验需要的折中压力值。经过大量的流量标定及雾化效果观察，折中 压力选为o 2 7 m p a 。压缩空气由空压机提供，通过稳压桶供给电气比例阀，将电 气比例阀输出压力设定为o 2 7 m p a 便得到了压力稳定的压缩空气。 1 6 葡型习习司j凰圈甲密 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 2 压缩空气流量的计算 电气比例阀输出空气的压力稳定，因此可以通过某一时间段稳压桶内压缩 空气质量的变化计算出压缩空气的流量。以下是压缩空气流量的计算过程： 试验用稳压桶容积v = 0 2 m 3 ，大气压p o = o 1 m p a ，压缩空气温度t = 3 0 ， 空压机自动停止时安装在稳压桶上的压力表指示值为o 7 4 m p a ，空压机自动起动 时安装在稳压桶上的压力表指示值为0 4 6 m p a ，空压机间歇时间t = 2 6 m i n 。 空压机自动停止时稳压桶内压缩空气的绝对压力为： 只= 0 7 4 + 0 1 = o 8 4 m p a ( 2 1 ) 空压机自动起动时稳压桶内压缩空气的绝对压力为： e = 0 4 6 + 0 1 = o 5 6 m p a ( 2 2 ) 把稳压桶内的压缩空气看作理想气体，根据理想气体状态方程可得： 舵：卫：竺：坠! ：! ! ! 堡：2 i a( 2 3 ) 嘲2亩一2598x(273+30)kg 2 1 r n 2 ：关- z ：旦坠唑：1 4 ( 2 4 ) 2面一2598x(273+30)14kg 2 4 ) 式中，m j 和m 2 分别为空压机自动停止和自动起动时稳压桶内压缩空气的质 量。 故，空气流量为： v = ( 啊- m 2 ) i t = ( 2 1 - 1 4 ) x 6 0 2 6 = 1 6 k g h ( 2 5 ) 2 2 5 计量阀开启频率的确定 计量阀开启频率的高低影响尿素水溶液喷射连续性的