降低車用柴油機(jī)NOx排放的SCR技術(shù)控制策略研究.pdf

1、柴油機(jī)由于具有動(dòng)力性強(qiáng)、耗油率低等優(yōu)勢，在中/重型客、貨車上得到了廣泛的應(yīng)用，但柴油機(jī)的主要排放物NOx和PM無法像汽油機(jī)排放物那樣可以通過采用三效催化轉(zhuǎn)化器有效地解決，因此，在發(fā)展現(xiàn)有柴油機(jī)機(jī)內(nèi)排放控制新技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究、開發(fā)適合于柴油機(jī)的先進(jìn)排氣后處理技術(shù)是柴油機(jī)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。在商用車滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ排放法規(guī)技術(shù)路線中，目前國際上普遍采用如下兩種技術(shù)路線，一是通過燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低機(jī)內(nèi)顆粒物的生成量，然后采用選擇性催化還原(SCR

2、)后處理技術(shù)降低NOx的排放；其二是通過廢氣再循環(huán)(EGR)降低機(jī)內(nèi)NOx生成量，然后采用顆粒物后處理技術(shù)降低顆粒物的排放。
　　 以尿素為還原劑的SCR(Selective Catalytic Reduction)技術(shù)由于具有可以通過優(yōu)化缸內(nèi)燃燒來改善燃油消耗和較強(qiáng)的抗硫中毒能力等優(yōu)點(diǎn)，作為控制車用柴油機(jī)尾氣排放的重要手段在歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對于改善由柴油汽車尾氣造成的大氣污染發(fā)揮了重要作用。由于我國排

3、放法規(guī)體系等效采用歐洲法規(guī)體系，考慮到我國的國情和技術(shù)的移植便利性，我國各主要整車廠和柴油機(jī)企業(yè)也傾向于采用SCR技術(shù)作為滿足未來更嚴(yán)格排放要求的主要技術(shù)措施。
　　 目前，雖然國內(nèi)幾家主要車用柴油機(jī)企業(yè)已經(jīng)在柴油機(jī)領(lǐng)域開展了SCR技術(shù)的研究，但基本上以國外技術(shù)引進(jìn)應(yīng)用為主，核心技術(shù)仍主要掌握在國外相關(guān)廠家手中，這成為我國該技術(shù)推廣和應(yīng)用的主要瓶頸，而我國隨著道路運(yùn)輸?shù)目焖僭鲩L，車用柴油機(jī)需求量也正在迅速增加，其污染物的治理刻不

4、容緩，急需成本低廉、性能高效的SCR排氣后處理技術(shù)和裝置。因此，有關(guān)SCR技術(shù)的國產(chǎn)化研究日益緊迫，對于SCR技術(shù)從催化劑性能研究、催化轉(zhuǎn)化器優(yōu)化設(shè)計(jì)到尿素噴射系統(tǒng)的控制策略的研究與應(yīng)用、OBD系統(tǒng)的開發(fā)和標(biāo)定，再到整個(gè)系統(tǒng)在整車上的集成和匹配應(yīng)用的研究非常必要。
　　 本課題針對SCR技術(shù)在WP12系列柴油機(jī)上的開發(fā)、匹配、標(biāo)定為基礎(chǔ)，采用試驗(yàn)評(píng)價(jià)、理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對SCR技術(shù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要內(nèi)

5、容包括：SCR催化反應(yīng)系統(tǒng)的研究、尿素噴射控制策略和尿素噴射量標(biāo)定的研究、SCR技術(shù)OBD系統(tǒng)的開發(fā)與標(biāo)定、SCR系統(tǒng)在寒冷地區(qū)使用過程中存在的主要問題和解決措施。
　　 首先，本文對SCR催化反應(yīng)系統(tǒng)中DeNOx效率的影響因素進(jìn)行了研究，包括載體和催化劑的優(yōu)化篩選、催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、尿素噴射段管路內(nèi)液滴粒子的分布等三個(gè)方面的內(nèi)容。通過催化劑和載體的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，規(guī)格為400/7的載體雖然壓力損失最大，但影響并不明

6、顯，從成本和產(chǎn)業(yè)化的角度，可以選擇其作為試驗(yàn)用催化劑載體；催化劑樣品(2)無論在DeNOx效率還是防止氨氣逃逸方面都優(yōu)于樣品(1)，且經(jīng)過老化試驗(yàn)后性能也未明顯下降，因此，選擇催化劑樣品(2)作為下一步試驗(yàn)的催化劑。設(shè)計(jì)了適用于重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)的箱式SCR催化轉(zhuǎn)化器，并利用CFD技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對幾種催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果表明，入口管串孔區(qū)域長度和開孔區(qū)域角度范圍分別存在一個(gè)最佳長度和角度范圍可以使得各載體流量的分配最均勻；另外

7、，在入口管底部設(shè)置一多孔式導(dǎo)流板可以消除底部的渦流，有利于改善流動(dòng)效果，減少壓力損失。利用CFD技術(shù)對尿素噴嘴的布置位置、角度和排氣管直徑大小進(jìn)行了多種方案的對比計(jì)算和分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定了合適的噴嘴安裝位置和噴嘴安裝角度，為SCR排氣管段的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和參考，也為SCR系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。
　　 良好的噴射策略不僅可以縮短標(biāo)定周期，提高工作效率，而且能夠在滿足排放目標(biāo)的前提下節(jié)省尿素的消耗。本文以

8、SCR系統(tǒng)在WP12柴油機(jī)上的開發(fā)、匹配和標(biāo)定為基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對SCR技術(shù)尿素噴射系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了通過對尿素噴射量的控制既滿足國Ⅳ排放法規(guī)要求，又避免過量的氨氣逃逸。這對制定科學(xué)的尿素噴射控制策略和高效、合理的SCR匹配、標(biāo)定能夠起到積極的促進(jìn)作用。研究內(nèi)容包括：尿素噴射的控制策略、尿素噴射量的優(yōu)化標(biāo)定、催化轉(zhuǎn)化器動(dòng)態(tài)溫度修正等方面。在對尿素噴射策略研究分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)對標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，并參照相關(guān)技術(shù)資料提出了穩(wěn)態(tài)測試

9、條件下尿素噴射量的優(yōu)化標(biāo)定方法，并建立了可以在ESC測試循環(huán)標(biāo)定過程中對NOx綜合排放量進(jìn)行估算的標(biāo)定估算模型，在SCR尿素噴射量的標(biāo)定過程中，可以對NOx的控制有的放矢。實(shí)踐證明該方法可以明顯提高工作效率、節(jié)省標(biāo)定時(shí)間、縮短標(biāo)定周期。通過對尿素噴射策略和催化轉(zhuǎn)化器動(dòng)態(tài)溫度修正的研究，及ESC和ETC測試循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，開啟動(dòng)態(tài)修正后在保證NOx排放量滿足要求的前提下能夠有效減少尿素消耗量；在瞬態(tài)工況下，還可以有效降低NH3逃逸造成的

10、二次污染；同時(shí)，穩(wěn)態(tài)工況下的尿素噴射量還需要進(jìn)一步的合理優(yōu)化，盡量減少動(dòng)態(tài)修正的比例，提高SCR系統(tǒng)的利用效果。另外，應(yīng)在優(yōu)化SCR催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)一步縮小催化劑載體體積，以減小載體的儲(chǔ)熱總量，提高催化轉(zhuǎn)化器在發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)對溫度的瞬態(tài)響應(yīng)能力。
　　 由于從國家第Ⅳ階段開始要求必須安裝OBD系統(tǒng)，所以對OBD系統(tǒng)的控制策略和控制算法的研究、系統(tǒng)開發(fā)及標(biāo)定等工作就非常必要。本文根據(jù)OBD系統(tǒng)的檢測功能原理和檢測技術(shù)

11、要求，在應(yīng)用SCR技術(shù)的WP12重型車用柴油機(jī)上進(jìn)行了OBD1+NOx控制階段的開發(fā)和標(biāo)定，并通過了認(rèn)證試驗(yàn)，表明所開發(fā)的OBD故障診斷和排放監(jiān)控策略滿足對發(fā)動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測和診斷的要求。
　　 最后，由于我國地域遼闊，在寒冷季節(jié)南北地區(qū)氣溫相差比較大，北方地區(qū)冬季可達(dá)到-30℃以下，而尿素溶液在溫度低于-11℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰或固態(tài)化等現(xiàn)象，導(dǎo)致SCR的尿素供給系統(tǒng)無法正常工作，造成配置SCR系統(tǒng)的車輛在這些地區(qū)的使用受到一定的限制。

12、這一問題可以通過對尿素存儲(chǔ)單元和流動(dòng)沿程管路進(jìn)行有效的加熱來解決。為了確保SCR系統(tǒng)在北方地區(qū)寒冷季節(jié)的正常運(yùn)行，在對尿素存儲(chǔ)單元和尿素沿程管路加熱過程中，必須確保加熱系統(tǒng)的加熱能力合理分配，使尿素溶液保持在結(jié)冰點(diǎn)之上，但又不加熱過度，以免造成無謂的能量浪費(fèi)。因此，有必要對SCR系統(tǒng)的加熱功能進(jìn)行理論分析和實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下的研究。本文利用傳熱學(xué)和熱力學(xué)等方面的知識(shí)，在對尿素流動(dòng)沿程管路尿素溶液、管路和環(huán)境空氣之間傳熱分析的基礎(chǔ)上，對尿素管

13、路散熱量進(jìn)行了計(jì)算，提出了解決尿素存儲(chǔ)單元和尿素管路結(jié)冰問題的解決措施，為尿素管路的選型和加熱功率的選擇提供理論指導(dǎo)；通過在低溫試驗(yàn)室內(nèi)的模擬試驗(yàn)對加熱管路進(jìn)行了不同功率的對比選型；最后將該系統(tǒng)配置在整車上進(jìn)行了寒冷地區(qū)的試驗(yàn)測試，以確保SCR系統(tǒng)能夠滿足在我國寒冷地區(qū)正常使用的要求。研究結(jié)果表明，尿素存儲(chǔ)單元采用水加熱方式、尿素供給單元和尿素管路采用電加熱方式可以有效解決SCR系統(tǒng)在寒冷地區(qū)使用過程中出現(xiàn)的結(jié)冰問題。
　　 總