发动机scr系统的研究与应用

发动机scr系统的研究与应用

国内排放法规及政策的发展自20世纪90年代以来，世界各国对车辆排放的法律法规不断加强，车辆技术的发展显著促进了。我国从2008年7月1日起全面实施国三排放法规,2013年7月1日将要实施国四排放法规。目前,国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟,然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国四排放法规对碳烟和NOX的限制。1、催化剂的制备SCR系统包括:尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。系统的基本工作原理是(见图1):尾气从涡轮出来后进入排气混和管,在混和管上安装有尿素计量喷射装置,喷入尿素水溶液,尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3,在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX,排出N2,多余的NH3也被还原为N2,防止泄漏。一般情况下,消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。在SCR中发生的化学反应如下:尿素水解:(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原:NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化:4NH3+3O2→2N2+6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括:尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。2、废气传感器对obd排放控制的失效从国四阶段开始,汽车产品必须配置OBD,如果排放指标超过了OBD的极限值,仪表将通知驾驶员。在装有后处理系统的情况下,OBD能监控SCR系统的大部分功能失效。具体监控措施如下:通过废气传感器对NOx的排放量监控来确定ONx排放控制系统是否正常工作。任何超过ONx排放极限值的1.5g/kWh将通知驾驶员并且被记录成不可消除的错误代码。如果NOx的排放水平超过了OBD的极限值,将对发动机进行限制扭矩。当尿素溶液低于存储罐容量的10%,将触发警告。2、scr系统材料安装2.1后处理器各模块、零件必须妥善保存,防止发生坠落、磕碰等损伤。2.2后处理器所使用的元件需要得到发动机厂家的认可。2.3后处理器内部有重金属,质量比一般消声器要大,因此在匹配设计时应充分考虑吊挂强度。2.4后处理器应安装在发动机厂家规定的距离发动机一定距离范围内。2.5应保证SCR后处理器进气口温度在200℃以上,尽量使后处理靠近蜗轮增压器,以提高反应温度和转换效率。2.6对于经常在低速工况运行的卡车应考虑排气温度对转换效率的影响,可在排气管上采用保温材料或者采用双层保温排气管。2.7大部分SCR后处理器采用水平安装方式,有特殊要求的应遵循发动机厂家要求。2.8为防止氨腐蚀元件,保证系统可靠性,SCR喷嘴前方排气管路200mm内应使用304或309不锈钢。2.9不要在尿素经过的地方使用黄铜、铜、低碳钢、锌、丁纳橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、Tygon类软管等材料元件。2.10排气系统背压差应满足发动机厂商要求。整车排气背压差指发动机出气口后方管路75mm处压强相对于大气压强的差值,排气背压会影响到发动的输出功率和进气效率。由于后处理器内部载体和催化剂呈蜂窝状或迷宫状分布,动力总成加装后处理器后会增大排气背压差,造成发动机功率下降,因此在匹配后处理器后应注意测试排气背压差,并满足发动机要求。3、scr系统的组成和配置规范3.1egp的安装EGP由后处理器厂商或发动机厂商提供,大多数的EGP集成了废气处理和声学元件(消声器)的功能,主要包括氨水分散元件、催化器元件、消声元件。实现NOx催化反应的最低温度要求是200℃。在EGP筒体上一般装有进气、出气温度传感器(用来确定是否达到反应所需温度),NOx传感器(用来检测排放情况,以决定尿素的喷射量),因此在考虑EGP的固定方式的时候应充分考虑吊挂包箍在EGP筒体上的位置,必要时应遵循后处理器厂家的要求。以如图2所示为EGP安装位置要求:对于康明斯的EGP固定位置至少离边缘法兰30mm并且距离EGP上的NOx传感器和距离温度传感器至少20mm,对于玉柴的EGP,对于箱式消声器,预留了钢带捆扎槽,对于筒形则按传统消声器的吊挂位置,没有特殊要求。一般应考虑包箍位置的原则如下:EGP的固定位置尽量不要在催化剂所在的位置,以避免包箍夹紧力对催化剂及其载体造成损害,催化剂通常安装在温度传感器之间。EGP与其它底盘零部件应符合动态元件间隙要求,至少25mm。EGP一般应水平安装,除非有特殊安装要求并得到后处理器厂家(或发动机厂家)的认可。与EGP相配套的传感器应遵循后处理器厂家的规定来安装;EGP筒体表面温度可能会高达440℃(除非后处理器采取了保温结构),因此在匹配时应充分考虑与周边零部件的间隙。3.2不锈钢和普通结构钢EGP喷嘴前方200mm内不能使用容易被氨腐蚀的元件,而应使用304或439的不锈钢,超过200mm的前方可以使用普通结构钢。由于EGP质量较大,应对EGP进行隔离振动,前方管路上应设置波纹管等挠性元件,用来衰减发动机传递过来的振动。3.3nox的环境监测NOx传感器安装位置应遵循后处理器厂家的要求,一般应考虑以下因索:NOx电子控制元与EGP的距离,应保证NOx的环境温度不超过规定数值;NOx传感器探头与NOx电子控制单元之间的管路不应扭曲,以保证气体能通过;NOx传感器探头安装角度应符合后处理器厂家要求,例如康明斯后处理器对NOx传感器探头作如下要求:如图3所示,NOx传感器探头轴线与竖直平面的夹角不应超过80°,与管道轴线法向平面夹角不应超过10°。3.4尿素箱及液压系统的安装对尿素罐有如下要求:尿素罐一般选择不锈钢、镁铝合金或者高密度聚乙烯制造,康明斯建议有效容积至少为油箱容积5%(因为消耗比例为5%),玉柴采用的三立系统推荐为油箱容积的10%～20%;尿素罐需要设置通风口让大气和里面的蒸汽自由进出,设计通风口应考虑当尿素飞溅和蒸发时它不容易被结晶的尿素堵塞。尿素容易分解成氨,防止尿素飞溅到其它零件上非常重要,因此设计尿素箱的加注口应有密封装置。尿素罐加注口必须要有70um的滤网来防止进入杂质。尿素溶液含67.5%的水,水凝固时会膨胀,因此尿素罐需要额外的10%空间。如果工作环境温度低于-5℃,尿素溶液会出现结晶;为了避免溶液结晶的问题,尿素溶液需要维持在高于凝固点15℃的温度,可以通过增加加热装置来保持温度。加热装置可以通过电或通过发动机冷却系统,如果采用电加热,必须考虑交流发电机的容量,通过发动机冷却系统时要确保发动机的温度不低于发动机厂家规定的温度,推荐加热方式为发动机冷却系统加热。尿素溶液推荐循环温度为30℃,不得高于60℃,对于热带车辆布置尿素罐时应避免阳光直射,因为过高的温度会导致水分蒸发而尿素结晶,并堵塞管路。尿素罐内部加热器应靠近尿素溶液出口处,这样那部分尿素接近可以尽早融化。必须考虑尿素罐体内尿素溶液全部融化所需热量,避免发动机过冷,具体计算应按发动机厂商提供的数据来进行。安装尿素箱和所有与喷射单元连接的线路时必须保持清洁,零件上必须没有污迹。连接管路内部必须满足表2要求。尿素罐必须带有液面和温度传感器,详细的传感器规范和它们在SCR系统的功能以及诊断方法应参考后处理器厂商的要求,并在匹配时要求提供。3.5管路布置和装配如图4所示,供尿模块主要由定量喷射泵、尿素压力管路、尿素抽取管路、尿素回流管路构成,其中目前轻卡匹配所用的康明斯SCR系统不使用压缩空气,玉柴所用的SCR系统带有压缩空气,压缩空气的作用是在控制逻辑判断不满足喷射尿素的情况下,向喷头管路部分喷射压缩空气,以保证不会出现尿素结晶,康明斯SCR系统则在控制逻辑判断不满足喷射尿素情况下,电机反转回抽一定时间。定量喷射泵由后处理厂家提供,管路布置应遵循以下原则(除非后处理器厂家有特殊要求)尿素抽取管路和回流管路应满足图5所示要求。不要使用丁腈橡胶,氯丁橡胶,硅橡胶,tygon软管或类似材料作为管路材料,因为它们容易和尿素发生化学反应,可以使用聚四氟乙烯(PTFE)、可熔融四氟乙烯(PFA)、三元乙丙橡胶(EPDM)、尼龙(Nylon)。尿素管路的布置不要靠近中冷器管、排气管路系统、冷却系统等热源,这些地方的辐射的热量会使供料模块的尿素温度升高。为了阻止尿素转换成氨气挥发和及管路损坏,管路不能靠近任何发热的部件,平均循环温度不能超过50℃,超过60℃时的最大允许时间是700h,温度决不允许超过70℃。管路清洁度要求应满足表2要求,装配前应有保护措施以防止灰尘进入。管路直径应按后处理器厂商要求设计,以满足流量和压力要求。应尽量缩短尿素罐、计量泵、尿素喷头之间的距离。考虑到管路的压力损失和管路加热所需驱动电流要求,管路长度应满足后处理器厂商要求,例如表3所示,康明斯国Ⅳ发动机给出了具体管路长度要求。管路内层材料推荐采用外层尼龙,内层聚四氟乙烯(PTFE),以防止尿素结晶。尿素压力管路的一端连接尿素喷头,此处的温度一般较高(康明斯后处理器可达140℃),因此此处管路及其接头应具有耐高温特性。3.6冷却液使用发动机冷却系统如图6所示,轻卡用康明斯发动机SCR系统上的EGP喷头位置需要引入冷却,冷却液使用发动机的冷却外循环系统,冷却液管路应满足流量要求,应遵循后处理器厂商内径要求,管材可使用Q/JQ8301规定的E类管,管路中段应按图示设置流量阀(或断水电磁阀)以控制是否向尿素箱中的尿素提供加热。3.7其他由后处理器制造商提供的组件3.7.1增设螺钉安装位置分解管是用来使尿素和尾气充分混合的结构,如图7所示,在分解管上将安装喷头,喷头直接对准尿素分散器,以达到尿素快速转换成氨,并与尾气充分混合的目的。不同后处理厂商对喷头的安装要求不同,应遵循厂商要求。3.7.2螺栓的安装康明斯SCR系统的喷头在分解管上安装所用的螺栓应采用不锈钢螺钉或螺栓,以防止尿素对螺栓造成的腐蚀,拧紧力矩应符合后处理器厂商规定,或按一般螺栓连接力矩(无特殊要求情况下)。3.7.3bocs计量泵计量喷射泵的功能是按DCU的指令精确向后处理器喷头喷射尿素溶液,康明斯发动机所配的SCR系统计量喷射泵为BOSCH的计量泵,玉柴发动机SCR系统为三立的计量泵,两者接口基本相同,三立系统带有压缩空气接口。如图10所示,BOSCH计量泵安装歪斜不得超过45°,图中绿色所示安装点,采用3个Q150B0890或更长的螺栓连接,拧紧扭矩为15.2Nm～22.8Nm。三立计量泵按图示状态安装,并且压缩空气接口在上。计量泵内有滤芯,用来过