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国排放柴油机尾气排放后处理系统的优化 0 尾气排放后处理技术 全国汽车产量迅速增长，汽车耗竭对环境污染日益严重。尾气排放中的可吸入颗粒物(PM)和氮氧化物(NOX)是造成大气污染的主要污染源。全球都在积极努力推行相关法规或条款控制汽车尾气排放污染量,其中形成美国、欧洲和日本三大主流排放法规体系。我国从2010年1月1日起也开始强制实行国Ⅳ标准阶段,2012年1月1日起开始强制实行国Ⅴ标准阶段。其中国家标准GB 17691-2005《车用压然式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值和测量方法》对国Ⅳ阶段和国Ⅴ阶段发动机以及汽车排气污染物的排放限值和测量方法提出了要求。现阶段重型柴油机仅仅依靠机内电喷优化措施已不能满足国Ⅳ阶段排放限值的要求,要达到国Ⅳ阶段排放标准必须采用尾气排放后处理系统。目前世界针对尾气排放后处理技术路线分两大类,一是选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,简称SCR)技术。它是通过优化电喷过程和燃烧充分性,有效控制柴油机内颗粒物的产生,这时尾气排放主要成分是NOX,尾气后处理过程采用尿素溶液对NOX进行选择性催化还原,通过化学反应中和NOX;其二是柴油车颗粒过滤器(Diesel Particulate Filter,简称DPF)技术。它以废气再循环为基础,有效抑制柴油机内NOX产生,这时尾气排放主要成分是PM,尾气后处理过程采用微粒捕集器对微粒进行微粒捕捉,以达到过滤颗粒物。其中采用SCR方案,柴油机对柴油含硫量要求不是很严格,国内市场供应的柴油只符合欧Ⅱ标准,含硫量在500×10-6以下,目前这种国情促成了SCR技术路线将在国内柴油机主机厂最先投入使用。本文主要研究SCR系统原理和实现方式。 1 不同剂量尿素水溶液对scr系统物理反应的影响 选择性催化还原SCR系统原理是向汽车尾气中喷射还原剂,在SCR催化剂表面选择性的与废气中的NOX进行催化还原,发生化学反应,从而达到降低NOX比重。SCR还原剂使用的是质量比为32.5%浓度的尿素水溶液,之所以选用32.5%浓度,是因为尿素水溶液的浓度对其冰点具有显著影响,32.5%浓度的尿素水溶液具有最低的冰点(-11℃)。SCR系统物理化学过程相当复杂,主要物理化学反应分为以下几步。 第一步是还原剂以液滴形式喷射入汽车尾气中,尾气的高温使尿素雾化,并将其内部水蒸气蒸发后析出尿素颗粒,由于尿素熔点为132℃,随后物理热分解为氨气(NH3)和氰酸(HCNO),氰酸进一步水解生成等摩尔的NH3和CO2。 第二步是催化还原反应。NH3选择催化还原NOX,通过一系列化学反应后生成无污染无害N2和H2O。化学反应公式如下: 通过上述两步骤可以抑制尾气排放NOX,使尾气排放达到国IV强制标准。 2 系统工作原则 2.1 化冰和化冰 SCR系统包含:尿素溶液储存罐、化冰热交换装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和氮氧传感器等。SCR系统组成原理如图1所示。 其中,尿素溶液储存罐用于储存尿素溶液,它集成有液面高度和温度传感器。出液口内部装有粗滤器,以防大于0.1mm的大颗粒进入喷射系统。尿素存储罐内部装有化冰热交换装置,利用柴油机冷却水的热量进行化冰。化冰热交换装置由电磁阀控制,当尿素温度传感器感应到尿素温度较低,会出现结冰的情况,控制器将打开发动机冷却水电磁阀,热的柴油机冷却液就会顺着管道流向储存罐和热交换装置,这些地方结冰的尿素固体就会迅速融化。 计量装置的作用是以一定恒定压力输送尿素溶液。由于泵的吸力和自动排空能力有限,泵的进液口距罐底面垂直距离不能超过700 mm,平面距离不能超过10 mm。尿素水溶液的喷射与停止是通过计量装置开启和关闭来控制的。 喷射装置主要是由尿素喷嘴和电磁阀构成。使用PWM控制喷嘴处的电磁阀闭合,达到控制尿素溶液流量的目的,作用是将计量装置送来的尿素与空气混合物顺流喷入排气管,并使喷出的尿素雾化均匀。 控制器ECU(Electronic Control Unit)的作用是通过符合J1939协议的CAN(Control Area Net)总线与柴油机控制器ECU进行通讯,获取柴油机运行状态信息(转速和转矩),根据事先标定好的各种脉谱,实时计算柴油机实际工作情况下SCR系统的尿素喷射量,从而使柴油发动机排气中的NOX成分被精确还原。 2.2 尿素喷射量的控制 当车辆的钥匙开关打到ON挡,ECU开始通电,尿素计量装置中的计量泵电机回到“停车”位置。 当发动机起动成功后,计量泵进入“起动排空”模式,泵将尿素抽入,再通过回液口回到尿素溶液存储罐,持续时间为30 s。随后计量泵处于“停止状态”,同时打开压缩空气电磁阀,前期计量泵以最大工作压力进行工作,目的是快速建立压力,当泵腔中的压力达到0.5 MPa后,计量泵将