应用SCR技术满足重型柴油机国V排放的研究-硕士论文

中图分类号 中图分类号 TK421 学校代码学校代码 10856 学学 号 号 M060111125 上海工程技术大学硕士学位论文上海工程技术大学硕士学位论文 应用应用 SCR 技术满足重型技术满足重型柴油机柴油机 国国 V V 排放的排放的研究研究 评 阅 人 邓康耀 教授 龚元明 教授 答辩委员会 主席 邓康耀 教授 成员 徐兆坤 教授 杨 俭 教授 刘伟军 教授 龚元明 教授 作者姓名 作者姓名 周建伟周建伟 指导教师 指导教师 陈凌珊陈凌珊 纪丽伟纪丽伟 专专 业业 车辆工程车辆工程 学学 院 院 汽车工程汽车工程 申请学位 申请学位 工学工学硕士硕士 完成时间 完成时间 2012014 4 年年 1 1 月月 University Code 10856 Student ID M060111125 RESEARCH ON THE APPLICATION OF SCR TECHNOLOGY FOR HEAVY DUTY DIESEL ENGINE TO MEET STATE V STANDARDS Candidate Jianwei Zhou Supervisor Prof Lingshan Chen Major Vehicle Engineering College of Automotive Engineering Shanghai University of Engineering Science Shanghai P R China January 2014 上海工程技术大学上海工程技术大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所递交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作 所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 上海工程技术大学上海工程技术大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人 授权上海工程技术大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 I 应用应用 SCR 技术满足重型柴油机国技术满足重型柴油机国 V 排放的研究排放的研究 摘摘 要要 随着我国汽车产业的不断发展和壮大 商用车所占市场份额逐步攀升 柴油机作 为商用车的主要动力源 其需求量也越来越大 柴油发动机排量大 污染物排放恶劣 造成了如雾霾 光化学烟雾等环境污染问题 欧美地区很早就开始着手对柴油机排放 污染的研究和治理 实施了非常严苛的排放法规 我国也于 2013 年 7 月 1 日开始在 全国范围内对重型柴油机实施国 IV 阶段的排放标准 国内外目前针对柴油机的污染 排放控制主要是 EGR 和 SCR 两条技术路线 然而 EGR 路线会增大油耗且对燃油中 的硫比较敏感 国内目前燃油品质还有待进一步提升 SCR 路线的燃油经济性好 对柴油机本体改动小以及对硫不敏感 技术升级连续性好 所以国内大部分重型柴油 机厂商对于未来满足国 V 排放的研究都采用了欧洲路线即 SCR 路线 本文主要是以 SC7H 柴油机为研究对象 为了使其达到国家第 V 阶段的排放法 规要求 选择采用了 SCR 技术路线 首先对 SCR 技术路线进行了分析 从柴油机的 机内控制措施开始 通过采用高压燃油喷射 增压中冷等技术并对喷油提前角进行标 定来降低颗粒物的含量 然后再通过 SCR 后处理技术来降低 NOx 浓度以达到排放要 求 并对 SCR 后处理系统包括系统组成 工作原理以及化学反应的机理进行了分析 确定 SCR 技术路线能使 SC7H 型柴油机达到国 V 目标的可行性 SCR 技术中尿素的喷射采用了开环的尿素喷射控制策略实现对发动机稳态和瞬 态过程中的喷射控制 提出查找计算尿素喷射量所需 MAP 即发动机排气温度 MAP 排气流量 MAP 催化器入口 NOx 浓度 MAP 和转化效率 MAP 以及瞬态工况下进行 修正的过渡系数 MAP 的制定方法 并根据国标规定的国 V 阶段的 OBD2 NOx 控 制的技术要求 主要针对 NOx 排放控制实现了 NOx 超过 3 5g kw h 时激活故障灯 提醒驾驶员 超过 7 0g kw h 时亮故障灯并激活扭矩限制器 最后通过发动机台架试验对 SCR 系统进行标定和验证 根据 MAP 标定方法试验 得出优化的MAP 数据写入SCR后处理控制单元并对SC7H柴油机进行最终的排放验 证 SC7H 柴油机达到了国 V 阶段的排放标准 关键词关键词 SCR 技术 国 V 排放标准 尿素喷射控制 MAP 标定 OBD 功能 II RESEARCH ON THE APPLICATION OF SCR TECHNOLOGY FOR HEAVY DUTY DIESEL ENGINE TO MEET STATE V STANDARDS ABSTRACT With the continuous development and growth of China s automobile industry the proportion of commercial vehicles in automotive market have gradually incresed the diesel engine as the primary power source is also growing greatly for its commercial vehicles Large displacement diesel engine pollutant emissions are relatively poor resulting in a series of environmental problems especially like great fog and haze Europe and America started the research on diesel emissions and pollution controls early which have enacted more stringent emissions regulations There has begun nationwide implementation of the stage IV emission standards for heavy duty diesel in domestic on July 1 2013 Domestic emissions control for diesel engines is currently the EGR and SCR two technical routes EGR route will increase the fuel consumption and higher comand for the sulfur content of fuel current domestic fuel quality need to be further improved SCR technology will not have an impact on fuel consumption and good continuity and upgrades of emissions standards so most of the domestic heavy duty diesel engine manufacturers for the study to meet stage V emissions have adopted the European route SCR route This paper mainly SC7H diesel for the study by using the SCR technology routes in order to reach the National Stage V emissions regulations Firstly SCR technology routes were analyzed starting from the machine control measures diesel engine through the use of high pressure fuel injection turbocharged and intercooled technology and fuel injection timing calibration to reduce the amount of particulate matter and then processed through the SCR technology to reduce NOx emissions to meet the requirements of the concentration And post processing system which consists of SCR the working principle the mechanism of the chemical reaction are analyzed to determine the feasibility of reaching stage V emission standards for the SC7H diesel engine by SCR technology route III Urea SCR technology uses a urea injection jet open loop control strategy to achieve steady state and transient engine injection control process It s proposed to calculate the urea injection amount which requires the MAP i e engine exhaust temperature MAP exhaust flow MAP catalyst inlet NOx concentration and conversion efficiency of MAP and transient conditions of the transition coefficient correction MAP formulation methods And according to the technical requirements OBD2 NOx control of the stage V national standard it s mainly for NOx emission control to achieve that NOx over 3 5g kw h fault lights turn on to alert the driver when more than 7 0g kw h malfunction lights is on and activate the torque limiter Finally calibration and validation of the SCR system is completed on the engine bench optimized MAP derived from test data calibration are flashed to SCR control unit based on MAP strategy to verify SC7H diesel emissions SC7H diesel achieved the national emission standards of state V Key Word SCR technology state V emission standards urea injection strategy MAP calibration OBD IV 目目 录录 第一章 绪 论 1 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 研究意义 2 1 2 柴油机主要排放污染物以及排放标准 2 1 2 1 柴油机主要排放污染物 2 1 2 2 柴油机主要排放标准 5 1 3 满足国 V 排放标准的两条技术路线 6 1 3 1 优化燃烧 SCR 路线 6 1 3 2 EGR DOC DPF 路线 7 1 4 SCR 技术国内外的发展和研究现状 7 1 4 1 国外 SCR 技术的发展和研究现状 7 1 4 2 国内 SCR 技术的发展和研究现状 8 1 5 课题来源及研究目标内容 9 1 5 1 课题来源 9 1 5 2 本文主要研究目标和内容 9 1 6 本章小结 10 第二章 SCR 技术路线原理 11 2 1 颗粒物 PM 的机内控制 11 2 2 NOx 的机外控制 SCR 后处理技术 15 2 2 1 SCR 系统及工作原理 15 2 2 2 SCR 技术反应机理 19 2 3 本章小结 20 第三章 尿素喷射控制策略研究及脉谱图标定 21 3 1 尿素喷射控制策略 21 3 1 1 尿素喷射控制的总体策略 21 3 1 2 尿素喷射量的计算 22 3 2 尿素喷射控制策略中 MAP 的标定策略 23 3 2 1 MAP 标定中的影响因素 23 3 2 2 尿素喷射量 MAP 的标定策略 28 V 3 3 本章小结 31 第四章 SCR 后处理系统中的 OBD 应用 32 4 1 OBD 简介及国家法规要求 32 4 2 SCR 系统 OBD 功能的实现 34 4 2 1 SCR 系统的 OBD 总体策略 34 4 2 2 OBD 功能的验证 36 4 3 本章小结 39 第五章 满足国 V 排放的发动机台架试验 40 5 1 柴油机台架试验系统 40 5 1 1 台架试验对象 41 5 1 2 台架试验主要测量仪器和设备 42 5 2 试验策略 49 5 3 发动机台架试验 50 5 3 1 实验条件 50 5 3 2 原机试验 50 5 3 3 稳态和瞬态标定试验 59 5 3 4 排放验证试验 63 5 4 本章小结 64 第六章 总结与展望 65 6 1 全文总结 65 6 2 研究展望 66 参考文献 67 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果 70 致 谢 71 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 1 页 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 伴随着社会的不断进步 经济和技术持续发展的步伐 我国的机动车行业在近年 来也得以不断的发展和壮大 其机动车的生产量 销售量和保有量都持续快速的增长 然而在汽车产业迅猛发展 蒸蒸日上的氛围下 也相应带来了许多诸如能源枯竭 环 境污染等一系列的问题 根据 2012 年 12 月 28 日环境保护部发布的 中国机动车污 染防治年报 1 数据显示 2011 年全国机动车四项污染物排放总量为 4607 9 万吨 其中 一氧化碳 CO 3467 1 万吨 碳氢化合物 HC 441 3 万吨 氮氧化物 NOx 637 5 万吨 颗粒物 PM 62 1 万吨 汽车是污染物排放总量的主要贡献者 其氮氧 化物 NOx 和颗粒物 PM 超过 90 其中柴油车排放的 NOx 和 PM 量分别占汽 车排放总量的 67 4 和 99 以上 特别是对于重型柴油车 其排放情况更加恶劣 面对汽车排放所引起的环境污染问题日益严重 世界各国都制定了相应的强制性 汽车排放控制技术标准 以 1960 年美国加州颁布的第一个汽车排放法规为起始点 治理汽车排放污染的工作逐渐在全球展开 目前 美国 日本和欧洲各国的汽车排放 水平与 1950 年排放水平相比已经降低了 99 以上 2 我国的排放法规的制定起步较 晚 但在充分吸收欧美的经验后 全面等效采用欧盟指令 ECE 技术内容和部分前 欧共体法规的基础上形成了中国排放法规的限值 2 颁布一系列国家排放标准 先后 达到了欧 I 欧 II 欧 III 与欧 IV 的排放限值 明显缩短了与国外汽车污染物排放标 准的差距 欧盟已于 2008 年实施欧 V 标准 北京在 2012 年率先推出京 V 的排放标准 也悄然推动着国内对满足高排放标准的柴油机尾气处理技术的研究与开发 NOx 和 PM 是柴油机的主要排放污染物 而其 HC 和 CO 排放量比较少 NOx 是大气的主要污染物之一 也是形成光化学烟雾的主要物质 而 PM 颗粒物 特别是 细颗粒物如 PM2 5 已经成为近些年关注的热点 它是造成各城市雾霾天气的罪魁祸 首 近年来 由于柴油车在汽车中所占的份额不断增加 各国对柴油汽车排放污染物 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 2 页 的控制日益严格 仅仅依靠机内措施很难达到未来更高排放法规的要求 需要采用相 应的后处理技术 3 欧洲重型汽车协会宣布采用 Urea SCR 技术作为达到欧 IV 以上排 放法规的技术路线 4 5 对于满足国 V 排放法规的柴油机后处理技术路线中 综合燃 油经济性 抗硫性 动力性等因素考虑 SCR Selective Catalytic Reduction 选择性催 化还原 作为降低柴油机 NOx 的主流技术路线仍然是当前国内研究的重点 1 1 2 研究意义 近年来各大城市接连出现的严重雾霾天气 对人身体健康和车辆行驶安全造成巨 大威胁 导致雾霾现象的 PM 颗粒物属于可入肺颗粒 容易诱发各种呼吸道感染 心 血管等疾病甚至致癌 柴油机排放的 NOx 和颗粒物是机动车排放的废气污染物中的 主要成分 据研究表明 柴油机 PM 排放是汽油机 使用无铅汽油 的十几倍 6 7 欧洲早已于 2009 年 9 月开始实施欧 V 排放标准 而我国由于排放法规的制定起步较 晚 目前只有北京率先推出实施京 V 的排放标准 在全国还没有得到推广施行 本 课题通过对 SCR 技术路线的降低排放污染物主要原理进行研究 在 SCR 后处理系统 中采用尿素喷射开环控制策略的基础上 利用柴油机的台架试验进行标定处理 最终 实现了国 V 排放标准 推动国内满足国 V 排放标准以及更高排放法规要求的 SCR 后 处理技术的进一步深入研究 1 2 柴油机主要排放污染物以及排放标准 1 2 1 柴油机主要排放污染物 柴油机与汽油机相比具有动力性强 燃油经济性好 热效率高等显著优势 其分 布市场已经从交通领域扩展到其他行业 而且所占比重越来越大 然而柴油机比例的 大幅增加也给环境带来了许多负面的影响 对大气环境造成了严重的污染问题 柴油 机排放的废气中 氮气约占 75 2 二氧化碳约占 7 1 氧气及其它成分约占 16 89 有害排放约占 0 81 排放的有害物主要包括 氮氧化物占 35 4 一氧化碳占 35 3 碳氢化合物占 8 54 氧硫化物及微粒等占 20 76 8 9 其排气成分和有害物比例如 图 1 1 和 1 2 所示 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 3 页 75 20 7 10 16 89 0 81 N2 CO2 O2及其他成分 有害排放物 图1 1柴油机排气成分 Fig 1 1 The diesel engine exhaust components 35 40 35 30 8 54 20 76 NOx CO HC PM和硫氧化物 图1 2柴油机排气有害物比例 Fig 1 2 The percentage of diesel engine harmful exhaust 氮氧化物 NOx 主要包括各种 NO NO2 N2O N2O3 N2O4 N2O5以及 NO3 是各种氮氧化合物的总称 NOx 是进入气缸内的空气在燃烧室内的高温条件下 空 气中的氮气与氧气发生化学反应所形成的 与其他废气成分不同 NOx 并不是燃料 燃烧的产物 其中对环境危害最大而且也是经常被提到的氮氧化物污染主要是 NO 和 NO2 其他成分可忽略不计 而且在柴油机排放的尾气中 NO2的浓度比 NO 要低得 多 大约占 5 左右 10 因此控制 NOx 对人类的危害 对于汽车来说 主要控制 NO 的排放 NO 中的氮主要来自于空气 少量来自于燃料的含氮成分 汽车燃料的含氮 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 4 页 量较小 大约占 0 02 左右 所以反应温度对 NO 生成最为重要 2 影响氮氧化物生 成率和排放率的根本因素是燃烧温度 氧原子浓度和工质在高温环境下所持续的时 间 然而对氮氧化物排放影响的主要因素是柴油机喷油系统的参数 运转参数 进气 系统参数 燃烧室结构参数以及其他参数等 发动机的负荷越大 则 NOx 的排放率 也就越高 10 NO 无色气体 低浓度时毒性不大 但高浓度会引起人体中枢神经的瘫痪和痉挛 NO2是一种红色的具有恶臭刺激性的气体 其毒性约为 NO 的五倍 对人的呼吸器官 有刺激作用 会引起气管炎 肺炎和肺气肿 NO2参加大气中的光化学反应形成光化 学烟雾 毒性更大 11 12 人们生活的安全环境 NO2浓度不能超过百万分之五 5ppm 颗粒物 PM 是造成大气污染阴霾的一个重要原因 柴油机的颗粒由在燃烧时生 成的含碳粒子 碳烟 及其表面上吸附的多种有机物组成 颗粒物生成的主要原因是 高温和缺氧 由于柴油机的燃烧是无序的扩散燃烧方式 喷入气缸的燃油由于时间极 短 来不及与空气混合均匀 尽管总体上是富氧燃烧 但是还是会造成燃油局部缺氧 导致碳烟颗粒的生成 柴油车排放的颗粒物是汽油车的 30 60 倍 13 由于颗粒物的危 害与颗粒粒径大小及其组成有关 粒径小的危害性大 通常把颗粒物分为两类 粗颗 粒 PM10 和细颗粒 PM2 5 粗颗粒 PM10 是指空气动力学当量直径在 10um 以下的颗 粒 称为可吸入颗粒 它可以通过呼吸系统过滤掉 不会进入肺部 对人体危害相对 较小 粗颗粒 PM10 可随人的呼吸沉积肺部 累积在呼吸系统中 引发许多疾病 而 细颗粒 PM2 5 是指空气空气动力学当量直径在 2 5um 以下的颗粒 又称为可入肺颗 粒 细颗粒对人体的危害更大 细小的颗粒可以进入肺泡 血液 引发严重疾病 10 许多人类发病率的增高与空气中的颗粒物 尤其是柴油车排出的细颗粒物密切相关 颗粒排放的严重危害性一直是制约柴油轿车在我国大规模使用的主要原因 14 一氧化碳 CO 是燃料在气缸内不完全燃烧的产物 气缸内氧气浓度分布不均 若局部区域发生缺氧 燃料中的碳就不能够完全燃烧氧化成 CO2 于是碳氢燃料在局 部缺氧的条件下燃烧生成了中间产物 CO 温度 反应时间和氧浓度情况是影响 CO 生成的三个根本因素 相对于汽油机而言 柴油机气缸内的燃烧属于富氧型燃烧 所 以其废气中 CO 浓度要比柴油机低得多 CO 是一种无色无味无刺激性的气体 是一种对人体毒性较大的污染物 主要是 对人体的血液和神经系统产生很强的毒性和损害 当 CO 通过人体呼吸系统进入人体 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 5 页 血液后 会同人体血液中的载体血红蛋白结合 而一氧化碳与血红蛋白的结合力是氧 气与血红蛋白结合力的 200 300 倍 10 当超过千分之一浓度的 CO 被人体吸收后 就 会破坏人体血液输送氧气的功能 造成人体缺氧引起内窒息死亡 碳氢化合物 HC 是燃料燃烧后生成的多种化合物的总称 主要包括未燃烧或 未完全燃烧的燃料 润滑油及其裂解和部分氧化物产物及中间产物如醛酮和芳香烃 等 内燃机排放的有害污染物中 未燃碳氢是最复杂的有害物质 柴油机是在压缩过 程要结束接近上止点时才开始喷射燃油 凡是影响着火延迟期的因素 均对 HC 排放 有明显影响 15 碳氢化合物的生成机理非常的复杂 对于柴油来说 主要原因还是由 于柴油颗粒与压缩空气混合不均匀 导致混合气出现局部过浓或过稀致使不能燃烧或 不能完全燃烧等燃烧不良现象 HC 会对人的眼睛和呼吸器官造成损害 而且它还是 一种致癌物质 1 2 2 柴油机主要排放标准 日趋严格的排放法规在一定程度上冲击了内燃机及汽车工业 但与此同时又客观 上促进了其技术的研发和进步 以美日欧为主的工业化国家从上个世纪 60 年代开始 就针对汽车尾气引起的环境污染问题而陆续颁发了一系列的相应排放法规 首先主要 对 CO 和 HC 进行排放控制 后续扩大到 NOx 并逐步从汽油车覆盖到柴油车 从刚 开始怠速排放扩展到实际运行工况 完善法定的排放法规及测试方法 形成了目前世 界上以美国 欧洲和日本为主的三大主要排放体系 我国排放法规制定的起步比较晚 由于欧洲法规在的松严程度 道路交通情况等 方面相对比较适用于中国的实际情况 因此在充分吸收欧美经验后 结合本国国情 全面等效采用欧盟 EU 的排放法规制定了我国的排放法规 使我国的排放控制工 作走上了系统化 科学化的道路 2005 年 5 月国家环局发布了 GBl7691 2005 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 标准 提出 了中国第 III IV V 阶段的排放污染物的限值和测量方法具体要求 其中表 1 1 为 ESC European steady state cycle 欧洲稳态测试循环 和 ELR European load response test 负荷烟度试验 对柴油车排气污染物的限值 表 1 2 为 ETC European transient cycle 欧洲瞬态测试循环 对柴油车排气污染物限值 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 6 页 表1 1 ESC和ELR在不同阶段的试验限值 Tab 1 1 ESC and ELR test limit value at different stage 阶段 一氧化碳 CO g kW h 碳氢化合物 HC g kW h 氮氧化物 NOx g kW h 颗粒物 PM g kW h 烟度 m 1 III 2 1 0 66 5 0 0 10 0 80 IV 1 5 0 46 3 5 0 02 0 50 V 1 5 0 46 2 0 0 02 0 50 EEV 1 5 0 25 2 0 0 02 0 15 表 1 2 ETC 在不同阶段的试验限值 Tab 1 2 ETC test limit value at different stage 阶段 一氧化碳 CO g kW h 非甲烷碳氢化合物 NMHC g kW h 甲烷 CH4 g kW h 氮氧化物 NOx g kW h 颗粒物 PM g kW h III 5 45 0 78 1 6 5 0 0 16 IV 4 0 0 55 1 1 3 5 0 03 V 4 0 0 55 1 1 2 0 0 03 EEV 3 0 0 40 0 65 2 0 0 02 面对各地出现的越来越严重的雾霾天气等许多环境问题 针对机动车特别是柴油 机的排气污染物的排放法规标准的制定发布及实施会更加的严格和紧迫 同时也是对 国内燃油品质和发动机排放情况提出了更高的要求 1 3 满足国 V 排放标准的两条技术路线 北京于 2012 年率先推行实施了第五阶段的排放标准 京 V 但全国范围内暂 时还没有推行国 V 阶段的排放标准 但是随着排放法规要求的日趋严格 国 V 阶段 排放标准的实施也将逐步被提上议程 为了达到排放标准的要求 主要考虑从以下三 个方面着手 燃油品质 柴油机机内净化 柴油机机外净化 目前 要实现国 V 阶 段的排放标准 主要有两大主流的技术路线 一个是优化燃烧 SCR 另外一个是 EGR DOC DPF 16 17 1 3 1 优化燃烧 SCR 路线 该技术路线主要是先通过对发动机进行本体的标定 调节喷油提前角 燃油喷射 压力 使颗粒物在机内得到净化处理 然后再通过 SCR 系统来降低柴油机尾气中的 NOx 的浓度 欧洲主要采用这种技术路线 因此 SCR 技术方案也称之为 欧洲路线 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 7 页 采用这一技术路线的主要有奔驰 沃尔沃 达夫 依维柯等 18 19 SCR 技术路线不 需要大改动发动机的本体结构 不影响燃油经济性 对燃油含硫量要求较低 并且不 会发生催化器堵塞的风险 其技术升级连续性较好而且对发动机的使用和维修保养费 用也较低 但是 SCR 系统需要额外增加对尿素喷射量控制的系统 还需要考虑解决 对尿素溶液的供应的问题 1 3 2 EGR DOC DPF 路线 EGR 路线则主要是通过将发动机排气管中的一部分废气引入到气缸中进行废气 再循环来降低 NOx 的含量 然后再通过 DOC 对颗粒进行氧化处理 并通过 DPF 颗 粒捕集器将颗粒处理掉 美国主要采用该种技术路线 相对于被动再生系统而言 油 耗偏高 需要增加 EGR 及其冷却系统 需要超低硫含量的燃油以及高品质润滑油 否则会影响发动机寿命并可能造成催化器堵塞风险 20 技术连续升级性较差 EGR DOC DPF 系统的主要问题是如何解决全国范围内低硫柴油的供应和更复杂的 系统标定问题 鉴于 SCR 技术的优势 并结合考虑我国的油品质量等实际情况 SCR 技术路线 是符合我国国情主要的基本路线 21 1 4 SCR 技术国内外的发展和研究现状 1 4 1 国外 SCR 技术的发展和研究现状 选择性催化还原 SCR 技术作为一种比较成熟的后处理技术 已经广泛应用于 汽车尾气的处理 国外对 SCR 技术的研究应用比较早 而且主要是在欧洲的重型柴 油车上都已经普遍安装 SCR 系统来面对日趋严格的排放法规 德国的博世 BOSCH 公司 22 针对SCR的应用开发了由喷射模块 Dosing module 和定量配给模块 Delivery module 组成的 SCR 应用系统 DENOXTRONIC 主要由 尿素剂量电子控制单元 DCU 电子控制单元 ECU SCR 催化器尿素喷射系统传 感器等组成 该电控系统能够对尿素喷射进行精确控制 有效解决 NOx 转化效率与 NH3 泄漏量之间的矛盾 而且该系统已经能够满足欧 和欧 排放标准所要求的 NOx 限值 该系统在 NEDC New European Driving Cycle 测试循环下 NOx 的最 大转化效率达 65 在美国 FTP 测试循环下 NOx 最大转化效率高于 75 并且可以 减少 40 的微粒排放 并可节省 5 的油耗 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 8 页 为提高 Urea SCR 体系净化效率 减少氨气泄漏 德国的 MAN 公司 23 提出了基 于 Urea SCR 体系的 VHRO 系统 该系统由 4 个催化器构成 V 为前置的氧化催化 剂 功能是预氧化 其作用是将排气中的部分 NO 氧化为 NO2 以提高 SCR 催化剂 的低温活性 H 为尿素水解催化剂 其用在于加速尿素水解 从而有利于随后的 NOx 选择性还原 R 为 SCR 催化剂 在该催化剂中 排气中的 NOx 与 NH3 发生选择性 还原反应生成 N2 O 为氨选择性氧化催化剂 用来氧化排气中未反应的 NH3 可将 NH3转化为 N2 避免 NH3的泄漏 针对计划于 2005 年 10 月实施的欧 IV 标准 康明斯 24 将采用集成式排放控制系 统 IEM 技术 即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 IEM 采用了高效的 SCR 并由电控模块 对其进行控制 该电控系统还可根据车载排放诊断系统 OBD 随时了解系统运行情 况 提醒驾驶员及时加注尿素溶液 按时对系统进行保养 丹麦格伦德福斯公司和托普索科技公司 24 合作研发出卡车用新型柴油引擎催化 转化器 该装置可节省 4 的耗油量 将对人体有害的纳米级 PM 排放量减半 并降低 NOx 和烃的排放量 减少柴油燃烧时产生的异味 这套尿素 SCR 系统能够有效地消除 大部分的 NOx 和未燃 HC 及柴油机排气中那些危害人类健康的物质 戴姆勒一克莱 斯勒公司 24 采用使用尿素的 SCR 法使商用柴油车符合欧 及欧 排放标准 该公司 今后还将继续开发 SCR 技术 以尽早达到欧 V 标准要求 自从 2005 年 10 月开始 欧盟国家开始执行欧 阶段排放法规 SCR 技术被众多 国外汽车和发动机生产厂商应用于新的柴油机系列产品之中 以满足新的排放法规的 要求 这表明 SCR 技术已经进入实用阶段 1 4 2 国内 SCR 技术的发展和研究现状 国外的 SCR 技术都比较成熟 而我国的排放法规制定比欧美国家要晚 对 SCR 技术的研究也处于刚起步的阶段 2010 年我国已经开始推行实施国 IV 阶段的排放标 准 2012 年北京在全国率先推出施行京五的排放标准以应对机动车保有量越来越大 所带来的环境污染问题 而国 V 排放标准的推行实施暂时还没有出台 但是国内许 多发动机和汽车公司已经相继在研究以满足国 V 排放标准甚至更高要求的排放法规 的 SCR 技术 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 9 页 2006 年 2 月中国第一台达到欧 排放的柴油机在广西玉柴诞生 玉柴推出了拥有 自主知识产权的国 IV 柴油发动机 YC6L 40 该柴油机主要是采用了 增压中冷 电 控燃油喷射系统 SCR 的技术路线 在试验测试循环的排放水平 完全达到了欧 IV 排放标准的要求 是一台真正意义上的欧 IV 发动机 25 上柴公司在自主开发的 SC9DF 系列柴油机的基础上 引进英国庄信万丰车用尾 气催化器 并开发出了 DCU 尿素喷射系统 通过采用电控高压共轨燃油直喷技术和 机外 SCR 后处理系统 实现了重型柴油机满足欧 IV 阶段的排放指标要求 并在此基 础上继续研发可以使柴油机达到更严格标准的实现 国内许多院校在 SCR 后处理技术方面也取得很大进展和成果 清华大学的胡静 赵彦光 26 27 等人针对重型柴油机尿素 SCR 后处理系统的控制策略进行了研究 研究 了空速 催化剂温度 催化剂对 NOx 的转化效率 催化剂的 NH3 吸附与解吸附等催 化剂特性对控制策略的影响并进行了优化 得到最终实际需要的尿素喷射量 使所匹 配的重型柴油机尿素 SCR 后处理系统达到了重型柴油车国 IV 及以上的排放标准 山 东大学佟德辉 李国祥 陶建忠等 28 29 对降低车用柴油机 NOx 排放的 SCR 技术的控 制策略进行了分析 并在发动机台架上进行尿素喷射 ESC 和 ETC 试验研究 开启动 态修正后在保证 NOx 排放量满足要求的前提下能够有效减少尿素消耗量 在瞬态工 况下 还可以有效降低 NH3 泄漏造成的二次污染 北京理工大学的姜磊 葛蕴珊等 30 对柴油机 SCR 系统的稳态和瞬态特性进行了研究 引入复合阶跃比对柴油机瞬态 工况 NOx 的排放量进行了较好的修正 从而有效减少了氨泄漏 1 5 课题来源及研究目标内容 1 5 1 课题来源 本课题 应用 SCR 技术满足重型柴油机国 V 排放的研究 主要是来源于上海柴 油机股份有限公司产品研发部的柴油机 SCR 技术研究的项目 1 5 2 本文主要研究目标和内容 本文主要研究的目标是在原有 SC7H 型国 IV 柴油机的基础上 通过对发动机本 体的标定 并扩大 SCR 后处理催化器的体积对 SCR 后处理系统进行重新标定 使柴 油机最终达到国 V 阶段的排放标准并且使 SCR 系统的 OBD 功能也达到法规要求 上海工程技术大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第 10 页 本文主要研究是为了使国 IV柴油机达到国 V排放标准 需从发动机的本体开始 采用适当的机内措施降低颗粒物的含量 然后采用 SCR 后处理系统来去除 NOx 以满 足排放要求 其主要研究内容如下 1 分析国内外柴油机在满足欧 V 排放标准所采取的主要两条技术路线 然后 结合国内目前的技术研发进展情况和燃油品质等实际国情 继续采用 SCR 技术路线 来对 SC7H 柴油机进行排放标准的升级 对 SCR 技术路线进行分析 包括机内的优 化燃烧措施和 SCR 后处理技术的反应机理 确认 SCR 技术路线的可以实现目标 2 对满足国 V 排放标准所采用的 SCR 技术中尿素喷射控制策略进行了研究 采用开环的控制策略 需要提供尿素喷射量的 MAP 分析 MAP 标定中的影响因素从 而制定出尿素喷射控制的 MAP 标定方法 3 依据国标中规定的 SCR 系统 OBD 功能提出的规定 通过 OBD 功能的实 现策略 以试验标定来完成国 V 阶段 OBD 的要求 4 根据制定的尿素喷射策略 MAP 标定方法 对柴油机 SCR 后处理系统进行 了台架标定试验 制定出所需 MAP 并导入 DCU 中验证排放的达标 1 6 本章小结 本章主要阐述了采用 SCR 技术路线来降低柴油机尾气中有害物的排放以达到国 V 标准的研究背景和意义 同时分析了国内外 SCR 技术的发展和研究现状 并介绍 了柴油机的主要污染物的生成机理和现阶段我国关于柴油机的排放法规和标准 通过 对目前达到国 V 排放标准的两条主流技术路线 即 EGR 路线和 SCR 路线 进行对比 分析 结合我国国情和油品质量 最终选择了 SCR 技术路线 上海工程技术大学硕士学位论文 第二章 SCR 技术路线原理 第 11 页 第二章第二章 SCR 技术技术路线路线原理原理 柴油机由于具有动力性强 耗油率低等优势 在中 重型的客 货车上得到了广 泛的应用 28 35 SCR 技术被认为是满足柴油机更高排放标准的首选 特别是欧洲地 区 早已经把 SCR 技术作为柴油机达到欧 IV 欧 V 排放水平的主要选择 中国国家 环境保护部规定 自 2013 年 7 月 1 日起对重型柴油机实施国 IV 排放标准的要求 柴 油机尾气中排放的颗粒物和 NOx 所占比重很大 因而也成为了机动车污染物防治的 主要对象 采用满足国 V 排放标准的 SCR 技术路线 主要是先通过机内措施把颗粒 物降低到法规要求的范围内 然而颗粒物和 NOx 之间的关系是 trade off 26 36 的权 衡关系 颗粒物的降低导致了 NOx 浓度值升高 所以在通过机外加装 SCR 后处理措 施来降低 NOx 浓度值以满足法规的限值要求 2 1 颗粒物 PM 的机内控制 由于柴油机属于扩散燃烧方式 并且在压缩冲程结束时缸内直接喷射燃料 很容 易引起燃油与压缩空气的混合气浓度分布不均匀 导致燃烧过程中颗粒物的形成 并 且颗粒物排放至大气环境中之后 经过大气的冷却和稀释作用 还会发生物理和化学 的变化 颗粒物是复杂的聚集体 其组成形式及成分比例如图 2 1 和 2 2 所示 37 39 图 2 1 颗粒物成分 Fig 2 1 The components of PM 被吸附的HC 不可溶 有机物 气态 HC 硫酸盐 可溶性有机物 HC 颗粒 被吸附的 HC 水合作用生成硫酸盐 液体凝固的 HC 颗粒 0 01 0 08 m 直径的固 体碳球吸附 HC 聚合成 0 05 0 1 m 固体颗粒 上海工程技术大学硕士学位论文 第二章 SCR 技术路线原理 第 12 页 图 2 2 颗粒物组成比例 Fig 2 2 The proportion of PM 从图中可以看出 颗粒物中主要成分包括碳烟 未燃润滑油和硫化物等 PM 主 要分为不可溶有机物和可溶性有机物两部分 其所占比例大约为 61 和 39 其中 不可溶性有机物主要部分是碳烟 硫酸盐 润滑油产生的颗粒 可溶性有机物来自不 完全燃烧的燃料和润滑油 约占总颗粒物的 32 39 41 由于温度以及油气混合不均 匀造成局部缺氧是颗粒物生成的主要原因 对于降低柴油机排气中的颗粒物PM的含 量以达到更高排放水平 通常降低 PM 颗粒物的机内措施主要是通过增加对燃料的氧 气供给量和促进混合来优化燃烧过程 包括采用高压共轨的燃油喷射系统来提高燃油 喷射压力 采用增压中冷技术以及提高燃油品质采用含硫量低的燃油等 1 高压共轨燃油喷射系统 电控高压共轨燃油喷射系统的燃油喷射压力可以达到 180 200MPa 可以精确控 制燃油的喷射 并可以实现多次喷射 能够有效地减少燃油的消耗率 改善发动机的 动力性能 采用高压喷射燃油能够加速燃油油束在燃烧室内空气中的扩散 燃油雾化 效果更好 增大燃油与压缩空气的接触面积 从而实现均匀混合燃烧迅速彻底 电控高压燃油喷射系统是属于新型的时间 压力控制式电控燃油喷射系统 在结 构上把传统的泵 管 嘴三个部分实现了独立控制 在高压喷射的同时能够对喷射时 刻 喷油规律和喷射压力的调控 高压共轨喷射系统通常主要包括高压燃油泵 共轨 管和油管 喷油器 电控单元以及各种传感器和执行器 如图 2 3 所示 上海工程技术大学硕士学位论文 第二章 SCR 技术路线原理 第 13 页 图 2 3 电控高压共轨燃油喷射系统 Fig 2 3 The high pressure common rail fuel injection system 采用燃油共轨高压喷射系统 提高燃油喷射压力 缩小喷孔直径 油气混合面积 增大 混合气浓度分布均匀 会对柴油机排放颗粒物的浓度产生明显的效果 如图 2 4 所示 39 42 改图是在不同的燃油喷射压力下 对柴油机颗粒物中碳烟排放的影响 从图中可以看出 在相同的燃油喷射提前角的前提下 发动机的碳烟烟度值随着燃油 喷射压力值的增大而呈现逐渐减小的趋势 这主要是由于提高了燃油喷射压力使得柴 油混合气浓度分布更加均匀 改善燃烧过程 同时 保持燃油的喷射压力值不变 随 着喷油提前角度的增加 提前喷油增加了燃油和空气的预混合燃烧 烟度值逐步降低 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3 15161718192021 烟度 BSU 喷油提前角 IP 1500 bar IP 1400 bar IP 1300 bar 图 2 4 不同燃油喷射压力对碳烟排放的影响 Fig 2 4 The influence on soot emission at different fuel injection pressures 2 增压中冷 上海工程技术大学硕士学位论文 第二章 SCR 技术路线原理 第 14 页 增大发动机的进气量 单位时间内能够有更多的空气进入气缸参与混合扩散燃 烧 从而改善发动机的燃烧过程 提高燃油经济性和排放水平 目前常用的增压技术 主要是废气涡轮增压 涡轮增压技术的应用使得内燃机的功率 燃油经济