柴油机国IV控制技术

1、柴油机国IV电控技术,李 进 易控汽车电子有限公司（北京 常州） ,目录,行业背景,机动车排放污染控制主要从城市交通规划管理与发展低排放机动车两方面同时着手。 发展低排放机动车应该从燃油品质、内燃机机内净化技术和内燃机排气后处理技术三方面同时着手。国家通过排放法规和标准的调控作用，引导汽车厂家研制和使用不同的机动车排放控制技术。,行业背景,机动车排放法规限定的污染物主要是碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），其中汽油车需要控制的主要是HC、CO和NOx，而柴油车重点需要控制的是NOx和PM。 目前柴油机排气后处理技术还是采用分而治之的办法，净化HC、CO和S

2、OF是采用氧化催化器；净化 NOx是采用催化还原技术；微粒主要是通过微粒物捕捉器进行处理。 NOx催化还原和微粒物捕捉器又有许多方法。,行业背景,行业背景,排放法规,排放法规推动技术进步最重要的力量，机遇和挑战的源泉； 国III法规：GB 18352.32005；GB 17691-2005； 国IV/V法规： 国III + （HJ 437-2008，HJ 438-2008，HJ 439-2008）；,排放法规,GB 17691-2005 法规的适用对象是设计车速大于 25km/h 的 M2、M3、N1、N2 和 N3 类以及总质量大于 3500kg 的 M1 类机动车装用的压燃式（含气体燃料点

3、燃式）发动机及其车辆。 法规的测量方法是在发动机台架上测试发动机的废气排放量，由 ESC、ETC、ELR 三个测试内容组成。,行业背景,目录,行业背景,国IV排放控制技术对策,OBD技术 ESC NOx比排放： 9g/kwh;,国IV排放控制技术对策,国IV颗粒排放：0.03 g/kwh,实现瞬态下：油、气最佳匹配,机内净化瞬态优化：,国IV排放控制技术对策,增压器选型：提高发动机瞬态响应性，降低加速烟度。,国IV排放控制技术对策,动态判定条件,动态修正值,动态修正降低瞬态PM排放：,国IV排放控制技术对策,31,烟度限制修正降低瞬态PM排放：,ESC颗粒比排放：0.02g/kwh; ESC

4、NOx比排放： 9g/kwh; ETC颗粒比排放：0.03g/kwh; ETC NOx比排放：7g/kwh;,国IV排放控制技术对策,目录,行业背景,典型后处理系统及控制方法,OBD技术 ,典型后处理系统,SCR催化器温度特性,SCR催化器空速特性,随着空速的增加，催化器转化效率逐步降低； 推荐国配置空速范围为65000h-1之内，国配置空速范围在50000h-1之内； 也即国配置催化器体积为发动机排量1.8倍以上，国为2.2倍以上 ；,典型后处理系统,转化效率与NH3逃逸特性,随着尿素喷射量的增加，NOx降低量的增加，NH3逃逸量逐渐增加； 法规循环时需要将NH3逃逸量控制在平均值10ppm

5、，瞬态峰值25ppm之内； 瞬态工况下的NH3逃逸量峰值控制是SCR控制中的一大关键点；,典型后处理系统,SCR催化器储氨特性,储氨量：NH3与NOX按1：1的摩尔比反应后扣除泄漏的氨气后剩余部分，其中包括了参加副反应的氨气。 研究并掌握储氨和脱氨规律，并在瞬态控制策略中加以应用，有助于减少瞬态工况下的NH3泄漏。,典型后处理系统,存储的氨气随温度升高急剧降低，350以后基本为0,SCR催化器储氨特性,典型后处理系统,SCR控制系统输入参数,典型后处理系统,SCR系统稳态控制策略,典型后处理系统,SCR系统稳态标定数据,国尿素喷射量,国尿素喷射量,典型后处理系统,SCR催化器瞬态控制主要问题是

6、：催化器系统因为自身的热质量从而导致催化剂的温度变化要滞后于排气温度变化，从而实际转化效率变化滞后于工况所对应的转化效率；,SCR系统瞬态NH3逃逸,典型后处理系统,降低低温的尿素喷射量，也即降低催化器中NH3的存储。 在催化器温度升高的过程中，逐渐增加尿素喷射量，尽量和催化剂温度的变化趋势一致。,简单的瞬态控制策略修正,SCR系统瞬态NH3逃逸控制,典型后处理系统,AMOX催化器遏制NH3泄漏效果明显； 但340以后加速了NH3氧化生成NOX的副反应，导致NOX转化效率有所降低；250时主要将NH3氧化成N2O和N2，350 以上主要将NH3氧化成NOx和N2； 同时由于采用含带贵金属涂层，

7、对燃油硫含量较为敏感，国配置下不推荐使用；,SCR系统瞬态NH3逃逸控制AMOX催化器,典型后处理系统,50,SCR尿素经济性优化-1,典型后处理系统,51,经济性优化算法思路： 依据发动机原机排放，设定NOx排放目标； 依据NSR与转化效率试验结果，选取转化效率较高的NSR范围； 依照各种边界条件，利用数学方法求最优解，求解各工况点最佳尿素喷射量； 简要过程： 原机NOx排放 目标NOx比降低 NOx降低量质量流量 NOx降低量摩尔流量 各工况点温度、空速 各工况点NSR与转化效率关系 NH3泄漏边界条件 其它边界条件约束（系统能力、一致性、排放区抽检点）数值最优解最优尿素喷射量写入DCU,

8、SCR尿素经济性优化-2,典型后处理系统,Exhaust Gas Recirculation 废气再循环,典型后处理系统,（1）废气中含有大量的N2和CO2 等接近惰性的气体，导致着火延迟，降低最高燃烧温度。 （2）废气中含有水蒸气和CO2 等三原子分子，比热容大，降低最高燃烧温度。 （3）稀释作用降低氧气相对浓度，改善柴油机富氧的燃烧情况。,典型后处理系统,Exhaust Gas Recirculation 废气再循环,EGR阀选型原则： 可靠性； 流量； 响应性； 自清洁能力； 国排放：开关式阀&开环控制； 国以上排放：位置控制阀&闭环控制；,EGR中冷器选型原则： 流量； 冷却能力：出口

9、EGR废气温度低于180； 抗腐蚀； 冷却液流动方向：顺流or逆流； 极限工况可切断或旁通；,典型后处理系统,EGR系统设计原则： 布置简单； 高EGR率； 响应性； EGR各缸分布均匀性； 兼顾成本； 由取气方式的不同分为高压及低压两种； 基于管路复杂程度及涡轮增压器可靠性考虑，多选用高压EGR也即涡轮增压器前取气方式； 高压EGR系统设计难点： 增压柴油机进气管平均压力大于涡前排气管平均压力； 高压EGR系统实现技术途径： 增加涡前排压or降低压气机后进气压力； 利用排气脉冲； 涡轮增压器重新匹配；,典型后处理系统,燃烧室改进原则： 涡流； 喷雾贯穿距； 压缩比； 高EGR率前提下，燃烧室

10、需要适量加大涡流加强混合减少缸内soot生成，以减小后处理系统降PM的压力。 也即先通过高EGR率来保证低NOx排放，同时通过燃烧室优化来降低PM排放。,典型后处理系统,气道改进原则： 涡流提升； 涡流目标值RS1.8； 均匀性改进；,发动机冷却系统能力提升原则： 相对国冷却系统散热量提高近30%； 散热器能力提升； 水泵流量提升；,典型后处理系统,喷嘴匹配原则： 油气混合效果； 缩短油束液相长度； 7-8孔喷嘴； 150左右锥角； 30喷油持续期； 推荐CFD仿真分析与试验双结合的匹配方法；,典型后处理系统,涡轮增压器匹配原则： 保证进气量； 保证EGR率； 最小空燃比：20-22； 涡轮增

11、压器匹配是EGR发动机开发中极为重要的一环，是保证发动机性能与排放的关键之一； EGR发动机由于引走部分废气，能量损失，原则上需要更小的涡轮； 国排放：固定截面涡轮增压器； 国以上排放：可变截面涡轮增压器or两级增压中冷；,典型后处理系统,Diesel Particulate Filter 柴油颗粒捕集器,DPF为闭口式载体； DPF主要通过物理捕集保证PM的降低， DPF需要额外的燃油喷射装置或者额外的后喷保证DPF的再生； 转化效率可达80%左右，达到极低的PM限值；但灰烬需要定期清理； DPF对燃油中硫含量较为敏感， 高硫柴油条件下使用会导致DPF 再生周期急剧缩短， 甚至造成催化器的完

12、全堵死。 再生策略是控制难点；,典型后处理系统,DPF控制系统输入参数,需进行DPF中SOOT质量限值测试，用以判断最大温度、最大热梯度。 DPF再生应用随再生策略、DPF的类型/尺寸、涂层不同而变化，需要做大量试验来精确标定soot限值。 过大的热梯度是过滤器失效的主要原因。 在更高排放要求时，需整合DPF的主动再生控制和SCR尿素计量控制策略。,典型后处理系统,Particulate Oxidate Catalyst 颗粒氧化催化器,POC为开口式载体； POC主要目的目的是通过氧化保证PM的转化；主要处理碳烟和可溶性有机物； 转化效率可达60%左右； POC对燃油中硫含量较为敏感，在高硫

13、柴油条件下使用会导致PM的大量上升，甚至造成催化器的硫中毒。,典型后处理系统,POC的处理效果,典型后处理系统,技术路线对比,64,技术路线对比,技术路线对比,技术路线对比,SCR催化器的温度特性（最低200）决定：SCR催化器应尽量靠近涡轮增压器出口，以保证比较好的温度窗口和转化效率；SCR催化器转化效率对尿素雾化的需求决定：尿素喷嘴应布置在催化器入口上游700mm以上与排气管中心线垂直方向，催化器入口可加装混合装置；尿素的腐蚀性决定：尿素喷嘴上游100ppm至催化器下游排气管路必须使用耐腐蚀材料；尿素水溶液冰点决定：后处理系统必须带有加热系统，无论是利用发动机冷却水或者电加热，必须保证尿素

14、水溶液在0以下时加热系统工作，一直到7 保持加热；加装后处理系统导致的背压增加不能超过发动机限值，若超过则必须考虑更改封装或布置方式，以免影响低转速下发动机动力；,装车要求SCR系统,技术路线对比,采用柔性连接，尽量避免催化器振动；要求仪表能显示尿素液位，OBD系统能诊断系统部件开路、短路，故障指示灯警告后发动机采取相应措施；尿素罐体积应为燃油箱的5-7%；供给管路要求有足够的强度和流量，不能被吸瘪；尿素罐和泵尽量靠近，减少截流影响；供给后处理系统的压缩空气压力和流量必须满足要求；,装车要求SCR系统(续),技术路线对比,EGR发动机外形尺寸有所变动，要求装车时发动机安装空间有所调整；EGR发

15、动机冷却需求提高，发动机水泵、风扇、中冷器、散热器能力相应提升；加装后处理系统导致的背压增加不能超过发动机限值；采用柔性连接，尽量避免催化器振动； OBD系统能诊断系统部件开路、短路，故障指示灯警告后发动机采取相应措施；,装车要求EGR系统,技术路线对比,两种技术路线各有其优缺点，技术路线最终确定主要取决于： 国家法规倾向； OBD要求； 尿素加注站等基础设施建设； 柴油硫含量条件；,欧洲2007年尿素加注站分布,技术路线对比,柴油硫含量对PM的影响,全球柴油硫含量基本情况,技术路线对比,目录,行业背景,典型后处理系统及控制方法,OBD技术 & 小结,OBD系统要求、特点,OBD技术,OBD监

16、控内容,OBD技术,OBD发展和变迁的趋势,OBD技术,OBD技术,欧洲OBD法规限值,OBD技术,OBD1阶段监测要求：当出现的故障导致排放超标时，应该显示排放相关部件或系统的故障，并向驾驶人员提示故障的存在。 催化转化器的拆除或用假系统替代 燃油系统的电路故障和总共能性故障 降NOx系统效率的降低 缺少反应试剂（反应试剂的消耗量） 反应剂喷射系统错误（喷嘴堵，喷射故障） 反应剂加热系统故障 电路短路监测 传感器、执行器故障 EGR不动作 异常EGR流量,OBD 监测功能的临时中断： 环境温度变化范围275K-303K 海拔高于1000米。 发动机冷却温度范围343K到373K 油量低于20% PTO激活 跛形回家 DPF再生,OBD技术,OBD技术,OBD技术,OBD技术,OBD诊断功能概述,OBD技术,OBD诊断库,OBD技术,OBD诊断功能,OBD技术,OBD技术,EGR系统 OBD控制,OBD技术,电控平台技术,举例：OBD诊断软件,预处理