柴油机尿素SCR系统动态氨泄漏的试验研究.docx

文 章 编 号 ：（）柴 油 机 尿 素 系统动态氨泄漏的试验研究 赵 彦 光 ，胡 静 ，华 伦 ，帅 石 金 ，王 建 昕（清华 大学 汽车安全与节能国家重点实验室 ，北 京 ） ，（，）： （）， ， ， 摘 要 ：通过台 架 试验定量 研 究了瞬态工况尿素选择催化还原系统 中 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的关 系 。研 究 了 初 始 温 度 分 别 为、和时 ，催化器氨存储饱 和后快速升温到过 程 中 的 氨 泄 漏 情 况 ；在相同变工况条件下 ，分 析 了 氨 存 储 饱 和 度 对 氨 泄 漏 的 影 响 ；基 于 台架 测 试 结 果 ，对 变工 况 过程 中 的尿素喷射控制策略进行了修正 。 研 究 结 果 表 明 ：不 同 的 升 温过 程 氨 泄 漏 程 度 不 同 ，初 始 温 度 越 低 ，在 快 速 升 温 过 程 中 越 容 易 产 生 氨 泄 漏 ；氨 存 储 饱 和 度 对氨 泄 漏 的 影 响 很 大 ，试 验 中氨存储饱和度 小 于 时 ，瞬 态 工 况 不 会 出 现 氨 泄 漏 。 测 试 结 果 表 明 ：修 改 后 的 控 制 策 略 使 催 化 器 出 口 的 体 积 浓 度 降 低 到 以 下 ，同 时 转化效率没有 明 显 下降 。关 键 词 ：内 燃 机 ；柴 油 机 ；选 择 催 化 还 原 ；尿 素 ；氨 泄 漏 ；氨 存 储：； （）；中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：来 源 之 一 。尿 素 选 择 催 化 还 原 （）是 降 低 重 型 柴油 机 排放的有效技术之一 。 该 技 术 具 有 转 化 效 率 高 、耐 硫 性 强 等 优 点 ，还 为 缸 内 燃 烧 提 供 足概 述柴 油 机 排放是大气氮氧化 物 污染 的 主 要收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：赵 彦 光 （），男 ，博 士 生 ，主要研究方向为柴油机 排 放 控 制 ，：；帅 石 金 （联 系 人 ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主要研究方向为发动机燃烧与排放控制 ，：。 年 第 期内 燃机工程够 的 优 化 空 间 ，可 进 一 步 降 低 燃 油 消 耗 。 目 前 ，在欧 洲 尿 素 技术已在重型柴油车 上 得到 广 泛 应 用 ，我 国 在 技 术 方 面 正 处 在 积 极 研 发 、储 备 技 术 阶 段 。 尿 素 涉 及 很 多 关 键 技 术 ，如 尿 素 精 确 计 量 及 喷 射 、高 效 催 化 器 、尿 素 喷 射 控 制策 略 等 。 尿 素 系 统 在 实 际 应 用 中 的 一 些 问 题 需 要 解 决 ，如 提 高 低 温 下 转 化 效 率 、减 小 甚 至 避 免 沉 积 物 的 生 成 及 优 化 尿 素 喷 射 控 制 策 略 使 其 在 保 持 较 高 转 化 效 率 的 同 时 又 不 产 生 氨 泄漏 等 。对 于 氨 泄 漏 的 限 制 ，我 国 在 年 颁 布 的 车 用 压 燃 式 、气体燃料 点燃式发动机与汽车车 载 诊 断（）系 统 技 术 要 求 （）中 要 求 ，在 欧 洲 瞬 态 循 环 （）排 放 测 试 中 排 放 的 体 积 浓 度 平 均 值 不 超 过 。 欧 洲 在 年 颁 布 的 中 增 加 了 对 耐 久 性 和 的 要 求 ，同 时 规 定 在 所 有 测 试 循 环 中 排 放 的 体 积 浓 度 平 均 值 不 超 过 。 在 年 提 出 的 欧 排 放 法 规 中 ，要 求 和 测 试 循 环 中图 柴 油 机 后处理系统试验台架 表 试验用发动机相关技术参数 排 放 的 体 积 浓 度 平 均 值 不 超 过 。 尿 素 喷 射 策 略 是 控 制 氨 泄 漏 的 关 键 ，研 究 催 化器 的 氨 存 储 特 性 及 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的 关 系 是 基 础 。在 变 工 况 尤 其是快速升温 过 程中 ，容 易 造 成 氨 存 储 量 超 过 催 化 器 的 氨 存 储 能 力 ，此 时 最 容 易 产 生 氨 泄 漏 。合 理 的 控 制 策 略 应 该 对 催 化 器 中 的 氨 存 储 量 进 行 估 算 ，并控制 氨的存储量使其不超过 安 全 限 值 ，根 据 预 估 的 氨 存 储 量 来 修 正 尿 素 喷 射 量，。 氨 存 储 量 的 安 全 限 值 与 温 度 和 空 速 密 切 相 关 ，安 全 限 值 下 的 氨 存 储 量 应 确 保 在 最 容 易 产 生 氨 泄 漏 的 变 工 况 过 程 中 不 会 出 现 氨 泄 漏 。本 文 在 柴 油 机 试 验 台 架 上 研 究 了 真 实 排 气 条 件下 尿 素 系 统 钒 基 催 化 器 上 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的 关 系 ，以 及 不 同 变 工 况 过 程 中 的 氨 泄 漏 特 征 ，最 后 对 尿 素 喷 射 策 略 进 行 修 正 ，通 过 测 试 循 环 对 修 正 后 的 策 略 进 行 试 验 验 证 。 系 统 主 要 由 控 制 单 元 、催 化 器 、计 量 泵 、尿素 箱 等 组 成 。 自 行 开 发 了 控 制 单 元 ，控 制 程 序采 用 开 环 控 制 策 略 编 写 。 催 化 器 使 用 钒 基 催 化 剂 ，基 体 为 玻 璃 纤 维 ，单 块 规 格 为 ，孔 数 为孔，试 验 中 共 使 用块 催 化 器 ，总体 积 为 。 尿素计量 装 置 为空气辅助计量泵 ，计量泵可通过自行 开 发 的 控 制 单 元 进 行 控 制 ，也可以通过尿素计量泵 自 带软 件进 行 控 制 。试 验 用尿素水溶液为北 京 市售 质 量 浓 度 为的标准尿素 水 溶 液 （），其 物 性 参 数 符 合标准。所用燃油为北京市售国柴油。试 验 方 法试验主要研究动 态 过程 中 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的 关 系 ，分析不同氨存储饱 和 度 下 的 氨 泄 漏 情 况 ，并 对 开 环喷射控制策略进行修正 ，最后通过台架试 验 验 证 修 正 的 结 果 。通 过 试 验 研 究 不 同 排 气 温 度 下 ，氨 存 储 饱 和 后 发 动机运行工况突然变化到 高 负荷时 ，催 化 器 温 度快 速升高过程中的氨泄漏及 氨 存储量变化情况 ，对比分析不同升温过程 中 的 氨 泄 漏 。 为 提 供 过 量 的 氨 以 造 成 氨 存 储 ，喷 射 尿 素 时 的 摩 尔 比 为。通过试验研究不 同 氨存 储 饱 和 度 下 催 化 器 温 度快 速升高过程中的氨泄漏 ，分析氨存储饱和度 对 氨试 验 装 置 及 方 法试 验 装 置本 研 究 所 用 的 试 验 台 架 主 要 包 括 测 功 机 、柴 油机 、 后 处 理 系 统 及 排 放 测 试 系 统 部 分 。 其 中 ， 测 功 机 为 电 涡 流 测 功 机 ；排放分析仪器为傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 （）排 气 分 析 仪 。 试 验 台 架 布 置 如 图 所 示 。 试 验 用 发 动 机 安 装 后 处 理 系 统 后可 达 到 国 排 放 标 准 的 要 求 ，其 主 要 参 数 如 表 所 示 。项 目参 数气 缸 数缸 径 行 程 排 量压 缩 比进 气 形 式增 压 中 冷燃 油 供 给电 控 单 体 泵标 定 功 率（）最 大 转 矩（）（） 内 燃机工 程年 第 期泄 漏 的 影 响 ，为 改 进 尿 素 喷 射 策 略 提 供 依 据 。 氨 存储 饱 和 度 定 义 为 某 空 速 和 温 度 下 ，催 化 器 中 氨 的 实 际 存 储 量 与 该 空 速 温 度 下 催 化 器 中 氨 的 饱 和 存 储 量 的 比 值 。空 速 的 计 算 为 换 算 成 标 准 状 态 下 每 小 时 的 排 气 体 积 与 催 化 器 体 积 的 比 值 。最 后 根 据 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的 关 系 对 开 环 控 制 策 略 进 行 修 改 ，根据 氨存储量对变工况过程 中 的 尿素 喷 射 量 进 行 修 正 ，并 通 过 测 试 循 环 进 行 对 比 验 证 。对于不同的工况变化 ，催化器的升温过程 亦 不相 同 。催 化 器不同升温过程中 的 温 度 、催 化 器 出 口 体 积 浓 度 、氨泄漏体积浓 度 及催化器 中 氨 存 储 量 的 变 化 情 况 如 图 图 所 示 。 对 比 图 图 可 以 看 出 ，升温过程中初 始 温 度 越 低 ，越 容 易 产 成 氨 泄 漏 。主 要 原因是温度越低 ，催 化 器 的 氨 饱 和 存 储 量 越 大 ，快速升温过程中 不 能 及 时 消 耗 ，致 使 在 升 温 过 程中的某一温度下 ，催化器的氨存储量超过 该 温 度下催化器的氨饱和 存 储量 ，从 而 造 成 氨 泄 漏 。试 验 结 果 与 讨 论不 同 升 温 过 程 对 氨 泄 漏 的 影 响分 析 了 发 动 机 运 行 工 况 发 生 变 化 造 成 催 化 器 快 速 升 温 时 的 氨 泄 漏 情 况 。发 动 机 运 行 在 低 负 荷 时 排 温 较 低 ，在 低 温 时 催 化 器 可 能 会 存 储 较 多 的 氨 ，此 时 如 果 发 动 机 突 然 运 行 到 高 负 荷 工 况 ，催 化 器 温 度 快 速 上 升 ，其 氨 存 储 能 力 快 速 下 降 ，如 果 存 储 的 氨 不 能 及 时 消 耗 ，其值超过 催化器表面氨饱和存储 量 时 就 会 产 成 氨 泄 漏 。 催 化 器 升 温 速 度 越 快 ，氨 存 储 能 力 下 降 越 快 ，之 前 低 温 时 存 储 的 氨 不 能 及 时 快 速 消 耗 ， 因 此 越 容 易 产 生 氨 泄 漏 。不 同 的 升 温 过 程 有 不 同 的 氨 泄 漏 情 况 。试验研究了空速时、 排 气 温 度 下 ，氨 存 储 量 达 到 饱 和 后 ，发 动 机 运 行 工 况 突 然 变 化 到空 速 、排 温后催化器的升 温 过 程 及 此 过 程 催 化 器 中 氨 存 储 量 及 氨 泄 漏 的 情 况 。为 了 反 映 实 际 运 行 中 发 动 机 工 况 急 剧 变 化 最 容 易 出 现 氨 泄 漏 的 情 况 ，选 择 、 的 工 况 以 提 供 高 温大流量的排气 ，让 催 化 器 快 速 升 温 。 试 验 工 况 如 表 所 示 。 试 验 中先使发动机稳 定 在 表 中 号 号 的 某 一 工 况 ，当喷射尿素后 出 现 体 积 浓 度 的 氨 泄 漏 时 ，立 即 停 止 尿 素 喷 射 ，同 时快 速 调 整 发 动 机 运 行 工 况 ，使 其 运 行 在 号 工 况 下 ，记 录 整 个 过 程 中 催 化 器 出 口 和 的 体 积 浓度 变 化 及 催 化 器 入 口 和 出 口 处 的 温 度 变 化 。表 发动机运行工况 ）（）图 为 典 型 的 催 化 器 由 低 温 快 速 升 到 高 温 过 程中 的 氨 泄 漏 情 况 。 在 图 中 ，开 始 时 排 气 温 度 稳 定在 ，喷 射 尿 素 前 催 化 器 出 口 体 积 浓 度 为，催 化 器 入 口 和 出 口 温 度 稳 定 后 开 始 喷 射尿 素 溶 液 ，喷 射 后 催 化 器 出 口 体 积 浓 度 缓 慢 下降 ，氨存储量逐步上升 ，当 氨 存 储 量 累 积 到 约 时 出 现 体 积 浓 度 的 氨 泄 漏 ，此 时 立 即 停 止工 况 号转 速（）转 矩（排 气 流 量空 速温 度涡 轮 出 口 体 积 浓 度 年 第 期内 燃机工程图 从 快 速 升 温 到 过程中的氨泄漏 尿 素 喷 射 ，并 同 时 快 速 调 整 发 动 机 工 况 ，使 其 运 行 在 表 中 的 号 工 况 。 随 着 工 况 变 化 到 高 负 荷 时 ，催 化 器 出 口 处 的 体 积 浓 度 出 现 一 个 峰 值 约 为 的 小 尖 峰 。这 主 要 是 因 为 发 动 机 突 然 运 行 到 高 负 荷 工 况 ，涡 轮 出 口 体 积 浓 度 快 速 上 升 ，而 催 化 器 温 度 没 有 快 速 上 升 ，虽然催化器中吸 附 有 大量 的 氨 ，但 转 化 效 率 依 然 较 低 ，从 而 会 出 现 的 尖 峰 。随 着 催 化 器 温 度 上 升 ， 转 化 效 率 升 高 ， 体 积 浓 度 开 始 下 降 ，到 变 工 况 后 第 ， 体 积 浓 度 降 低 到 ，此 时 催 化 器 入 口 和 出 口 的 排 气 温 度 分 别 为 和 。 在 变 工 况 后 第 ，氨 泄漏达到最大值 ，此 时 催 化 器 入 口 和 出 口 温 度 分 别 为 和，催 化 器 上 的 氨 吸 附 量 约 为 。 根 据 稳 态 试 验 结 果 ，温 度 为 和 时 催 化 器 中 氨 的 饱 和 存 储 量 分 别 约 为 和 。 据 此 分 析 ，氨泄漏可能主 要 发 生 在 催 化 器 前 端 。 催 化 器 前 端 升 温 较 快 ，氨 存 储 能力 快 速 下 降 ，之 前 存 储 的 氨 不 能 及 时 消 耗 掉 ，从 而 产 生 氨 泄 漏 。在 升 温 过 程 中 ，催 化 器 的 温 度 是 不 均 匀 的 ，入 口 温 度 比 出 口 温 度 高 很 多 。 图 为 不 同 升 温 过 程 中 催 化 器 入 口 与 出 口 的 温 度 随 时 间 的 变 化过 程 。对 比 图 图 可 以 看 出 ，随 着 初 始 温 度 的 升 高 ，在 工 况 变 化 过 程 中 催 化 器 出 口 体 积 浓 度 的 峰 值 逐 渐 减 小 ，图 中 初 始 温 度 为 时 ，尖 峰 已 经 消 失 。随 着 初 始 温 度 的 升 高 ，氨 泄 漏 程 度 逐 渐 减弱 ，氨 泄 漏 体 积 浓 度 峰 值 逐 渐 降 低 ，从 （图）下 降 到 （图 ）。 其 主 要 原 因 是 随 着 初 始温 度 的 增 加 ，催 化 器 中 氨 饱 和 存 储 量 逐 渐 减 小 ，而 且初 始 温 度 升 高 后 转 化 效 率 增 大 ，氨 消 耗 速 率 变 快 ，因 此 在 工 况 变 化 过 程 中 氨 泄 漏 的 趋 势 变 弱 。 造 成 氨 泄 漏 的 主 要 原 因 是 催 化 器 局 部 的 温 度 快 速 上 升 ，该 部 分 催 化 器 的 氨 存 储 能 力 快 速 下 降 ，同 时 此 处的 氨 消 耗 速 率 不 大 ，之 前 存 储 的 氨 不 能 及 时 消 耗 掉 ，图 不同工况变化升温过程中催化器入口和 出口温度的变化 产 生 氨 泄 漏 。在 升 温 过 程 中 ，初 始 温 度 越低而升温越快时越 容 易 产 生 氨 泄 漏 ，在尿素喷射控 制策略中可以 根 据 氨存储量与温度和空 速 的 关 系 对 尿 素 喷 射 量 进 行 修 正 ，以避免产生较高体积 浓 度 的 氨 泄漏 。氨存储量对氨泄漏 的 影 响试验研究了同一升 温 过 程 中，不 同 氨 存 储 饱 和 度 对氨泄漏的影响。试 验 中 先 调 整 发 动 机 工 况，使 催 化 器温度稳定在，根据实测 体 积 浓 度 和 排 气 流量，按 为的比例喷 射 尿 素 溶 液， 当氨存储量 达到氨饱和存 储 量 的 一 定 比 例 后 立 即 停 止喷射尿素，同 时 快 速 调 整 发 动 机 工 况，使 催 化 器 快 速升温到。分析整个过程中氨泄漏与氨存储量 的 关 系，升温过程中催化器入口和 出 口 处的 温度变化 如图所示。试验中先稳定发动机在表中的号工 况并喷射尿 素 溶 液，一 段 时 间 后 停 止 喷 射 尿 素，同 时 将发动机工况调整到表中的号工况。图 从 升 高 到 过程中催化器入口和 出口温度的变化 使 氨 存 储 量 大 于 当 前 温 度 下 氨 的 饱 和 存 储 量 ，从 而 内 燃 机工 程年 第 期试 验 分 析 了 快 速 升 温 过 程 中 当 氨 存 储 量 为 氨 饱和 存 储 量 、 和 时 的 氨 泄 漏 ，如 图 图 所 示 。 从 图 可 以 看 出 ，在 下 第时 氨 存 储 量 达 到 饱 和 ，其 值 为 ，此 时 停 止 喷 射尿 素并 同时调整发动机运行工况到 号 工 况 ， 之 后 氨 泄 漏 量 逐 渐 增 大 ，停 止 喷 射 尿 素 后 第 氨 泄 漏 体 积 浓 度 达 到 峰 值 。对 比 图 、图 和 图 可以看出，随着氨 存 储 饱 和 度 的 减 小，氨 泄 漏 峰值逐渐减小。在图 中，当 氨 存 储 量 达 到 ，即 存 储 饱 和 度 为 时停 止喷射尿 素 并调整发动机运 行 工 况 ，升 温 过 程 中 氨 泄 漏 体 积 浓 度 峰 值 降 低 到。图 氨存储饱和度为 时升温过程中的氨泄漏 ，快速升温过程中均 没 有 出 现 氨 泄 漏 ，可 见 当 氨 存储量控制在一定量 时 可 以 在 升 温 过 程 中 避 免 氨 泄 漏 现 象 的 出 现 。 但当氨存储量较小时催化 器 出 口 体积 浓度会快速上升 。对 比 图 和 图 可 以 看 出 ，图 中 停 止 喷 射 尿 素 后 ，催 化 器 出 口 体 积 浓 度 内 就 升 高 到 ，而 图 中 停 止 尿 素 喷 射 后 经 过 催 化 器 出 口 仍 为 。在 尿 素 控 制 策 略 中 ，应 该考虑保持合理的氨 存 储 量 ，太 大 或 太 小 都 不 合 适 。 每 一 组 温 度 和 空 速下 都有一个折中的氨存储量 安 全限值 ，在 确 保 氨 泄 漏量非常小的情 况 下 ，尽 量 提 高 转 化 效 率 。 氨 存储量的安全限值要 确 保 在 当 前 工 况 下 最 快 的 升 温 过程都不会造成氨泄漏 。喷射策略的修正及 试 验 验 证试验根据升 温 过 程 中 氨 泄 漏 与 氨 存 储 量 的 关 系 对尿素控 制 策 略 进 行 修 正。 根 据 催 化 器 中 氨 的 存 储 量对升 温 过 程 中 尿 素 的 喷 射 量 进 行 了 修 正 ，并 通 过测试循 环 进 行 了 试 验 验 证。 修 正 主 要 考 虑 了 升 温过程中催化器上的氨存储量 ，在氨存储量较 大 时适 当减小尿 素 喷 射 速 率。 氨 累 积 存 储 量 可 以 根 据 之 前的 尿 素 喷 射 量、不同空速和温度时的 氨 消 耗速 率等 来 进行估算。测试循环的结果如图图所示。图 测试循环中催化器出口 和 的 体 积 浓 度图 和 图 中 氨 存 储 饱 和 度 分 别 为 和 年 第 期内燃机工 程影 响 很 大 。当氨存储饱和度控 制 在 一 定 范 围 时 ，快速 升温过程中不会出现氨泄漏 ；当氨存储饱和 度 太 小 时 ，虽不会有氨泄漏 ，但 会 降 低 转 化 效 率 。 不 同 空 速 温度下催化器有 不同的氨存储量安全 限 值 。（）根 据 催 化 器 的 氨 存 储 量 对 升 温 过 程 中 的 尿 素喷射量进行修正是 控 制 催 化 器 出 口 氨 泄 漏 的 有 效 方 法 。 测 试 循 环 结 果 表 明 ：修正后的控制策略 可 使 催 化 器 出 口 的 体 积 浓 度 控 制 在 以 下 ，同 时 转 化效率没有明显下降