ura-scr排气后处理系统的尿素喷射试验研究

ura-scr排气后处理系统的尿素喷射试验研究

目前，中国汽车的能源消耗和有害排放逐年增加，导致中国能源和能源紧张，给环境带来重大影响。针对于此,国家出台了一系列节能、减排的措施和相关法规,发展节能、低排放的汽车发动机新技术及先进的排放控制技术是减少能源消耗和降低城市污染的必由之路。柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势,在中/重型客、货车上得到了广泛的应用,但柴油机的主要排放物NOx和PM无法像汽油机那样可以通过采用三效催化转化器(TWC)有效地解决,因此,在发展现有柴油机机内排放控制新技术的基础上,研究、开发适合于柴油机的先进排气后处理技术是柴油机生存和发展的关键。尿素-SCR(UreaSelectiveCatalyticReduction)技术由于具有可以改善燃油消耗、抗硫中毒能力强等优点,作为控制车用柴油机尾气排放的重要手段在欧洲等发达国家和地区已经得到了广泛的应用,对于改善由汽车尾气造成的大气污染发挥了重要作用。采用SCR技术以后,发动机排放性能在很大程度上取决于对尿素喷射系统的标定和在催化剂表面上进行的催化反应的匹配。这一过程是一个非常繁琐且广泛依赖经验的工作,在这方面积累足够的经验,将会给今后电控柴油机SCR技术的匹配提供帮助。本研究通过在1台12L柴油机上对Urea-SCR技术尿素喷射系统和催化反应的研究,旨在验证在合理的尿素喷射量下满足国Ⅳ排放标准,同时避免过量的NH3泄漏,这对制定科学的尿素喷射控制策略和高效、合理的SCR匹配、标定能够起到积极作用。1试验安装和方法1.1scr处理系统1.1.1尿素为还原剂的scr系统喷射尿素的选择性催化还原(SCR)技术是将32.5%的尿素溶液在一定的温度条件下喷入排气管中,尿素受热马上分解为NH3和异氰酸,异氰酸受热立即分解为NH3,NH3与柴油机尾气混合,在一定的温度和催化剂条件下把尾气中的NOx有选择性地还原为N2,同时还生成H2O。催化的作用是降低NOx还原反应的活化能,使其反应温度降低至200～550℃之间。其反应可表示如下:其中,反应(1)～(2)主要由尿素喷射系统来完成,反应(3)～(5)在SCR催化剂表面上进行。尿素分解过程的关键是尿素喷射量和时间响应的精确控制,还原反应的关键是催化剂的还原效率和催化剂的利用程度。以尿素为还原剂的SCR系统主要包括电子控制单元(DCU)、尿素存储罐、尿素计量和喷射单元以及催化反应单元等四部分。试验用尿素SCR后处理系统示意图见图1。1.1.2催化剂温度修正系数map尿素喷射系统的作用是将适量的尿素在恰当的时机喷入排气管中,所需要的尿素量取决于发动机的NOx初始排放量,它是发动机转速、负荷(用燃油喷射量表示)和发动机温度的函数。此外,计量策略也要考虑SCR催化剂表面温度对反应效率的影响。整个系统必须能够对因发动机负荷变化而引起的催化器温度的较大变化作出反应。目标是使NOx的排放最小化,避免在所有工况下的NH3逸出。图2示出该Urea-SCR后处理系统尿素喷射策略,首先在发动机台架上根据发动机转速和燃油喷射量标定出NOx浓度和尿素水溶液的基础MAP,然后通过测得的实际发动机温度和SCR催化器温度对尿素喷射量进行修正,SCR控制器发出控制信号给计量单元按照修正后的尿素量向排气管内喷射出适量的尿素水溶液。在发动机台架上进行尿素喷射策略标定的过程中,与实际尿素喷射量有关的MAP图主要包括尿素设定量MAP、SCR催化器温度MAP和SCR催化器温度修正MAP。尿素设定量MAP和SCR温度MAP属于稳态MAP,是发动机在任一检测工况下达到稳定后的测量值,尿素设定量MAP的标定主要依据发动机NOx初始排放和目标转化效率来完成,SCR催化器温度MAP的标定主要根据前后测得的温度值和各自权重来实现。SCR催化器温度修正系数MAP属于动态修正MAP,只有在发动机排气温度发生变化时才会起作用。一般不考虑发动机水温的修正,NOx初始浓度MAP主要用于OBD功能的标定与监控。由于工艺上的限制,在安装催化器温度传感器时,一般将温度传感器放置在催化器上游或下游的连接管路壁面上来采集温度信号用以判断催化剂温度。相对来讲,由于在发动机运行工况急剧变化时上游温度变化比较快,用来判断SCR催化器温度时误差较大,而下游温度相对稳定,用来作为SCR催化器温度的判据更为合理,因此本研究将温度传感器置于催化器下游处。同时,由于催化剂载体具有一定的储热能力,在发动机运行工况上升或下降的过程中往往会导致催化剂温度的变化与排气温度的变化有一定的滞后,温度测量值与真实值之间存在一定的偏差,尤其是在发动机运行工况变化比较剧烈导致排气温度急剧变化时二者相差更大,载体体积越大对温度变化的响应也越慢。为了减小温度测量值与真实值之间的偏差,在完成尿素喷射设定量、催化器温度设定值等稳态MAP图的标定后,需要根据测量值对催化器温度进行动态下的修正,用SCR催化器温度修正系数表示(见图3)。SCR催化器温度修正系数MAP图中纵坐标为某一工况下排气温度设定值与实际测量值之差,横坐标为该工况下排气温度设定值,根据发动机转速和燃油喷射量从SCR催化器温度MAP中读取。SCR催化器温度修正系数MAP标定分为升温和降温两部分。当发动机由低工况向高工况过渡时,由于SCR催化器的滞后性,在SCR催化器温度达到稳定之前温度测量值低于MAP中的设定值,催化剂表面温度并未达到稳态标定时的温度值,因此,需要将实际尿素喷射量适当减少,此时,修正系数小于1,即实际尿素喷射量低于设定量,根据温度差和温度设定值,并参照催化剂反应特性进行修正系数的设定。同样,在高工况SCR催化器温度达到稳定状态后,过渡至低工况,在SCR催化器温度达到稳定之前,设定值低于测量值,二者温度差为负,根据温差和温度设定值,并参照催化剂反应特性进行修正系数的设定,此时,修正系数一般大于1,即实际尿素喷射量大于设定量。修正系数的选取需要多次试验反复调整和优化来确定,然后进行插值得出整个MAP。从该机型标定后的尿素喷射量修正系数MAP图可以看出,温差越小修正系数越接近于1,即修正量越小,随着温差的增大,修正量逐渐增大(见图3)。1.1.3钒基催化剂型钒基催化剂试验用催化剂选用在柴油机常用工况温度范围内均具有较高还原效率的钒基催化剂。该催化剂的催化特性见图4至图6,可以看出,该催化剂具有较高的NOx还原效率和低的NH3泄漏比例。1.2测试车辆和架1.2.1先进的燃烧系统可靠性试验柴油机主要性能参数见表1。该柴油机采用了电控高压共轨燃油系统、带放废气阀的增压器和四气门结构等先进技术,并对其燃烧系统进行了优化匹配,其动力性、经济性和排放性能均达到了同类柴油机先进水平,并满足国Ⅲ排放标准,具备国Ⅳ潜力。1.2.2采气监压测试气态污染物的测量采用MEXA—7200D废气分析仪,颗粒物测量采用CVS—7400T定容采样系统,废气稀释采用全流稀释系统,测功系统为HD460交流电力测功机和测试控制软件,标定软件为INCA5.4,另外还包括进气空调系统、油耗仪和空气流量计等。1.2.3后处理系统试验试验时试验室条件、柴油机进气系统、排气系统、冷却系统、润滑油、燃油、排气后处理系统均符合GB17691—2005的相关规定,试验按照ESC和ETC循环的测试方法和规程进行。2修正对nox还原效果和nh3泄漏的影响在发动机台架上对尿素喷射量是否采用催化器温度动态修正进行了试验,以考察修正对NOx还原效果和NH3泄漏的影响情况。其中,试验发动机怠速为600r/min,A转速为1200r/min,B转速为1450r/min,C转速为1700r/min。2.1催化剂的选择SCR系统是否选用动态修正的ESC试验结果对比见图7和图8。可以看出,发动机NOx初始排放水平为9.46g/(kW·h),开启SCR系统后,NOx排放分别降低至3.22g/(kW·h)和3.38g/(kW·h),NH3平均逸出量分别为3.88×10-6和3.23×10-6,瞬时最高分别可达到6×10-6和4×10-6,NOx平均转化率分别为66.0%和64.3%。可见,开启动态修正后虽然NOx排放有所升高,但NH3逃逸量和尿素消耗量有所下降。此外,A100工况下实际喷射的尿素修正量比较大,是由于从怠速工况过渡到A100工况时催化剂温度响应慢造成的,这和催化剂载体的体积大小有直接的关系,体积越大,响应越滞后;同时也与稳态温度的标定准确度有一定的关系。2.2u3000scr系统模型柴油机实际工作过程中大部分运行工况都是实时变化的瞬态工况,因此稳态工况下标定的尿素喷射量必须进行修正才能更好地反映瞬态工况的实际需要的尿素喷射量。ETC测试循环下动态修正开启前后尿素喷射量见图9。开启动态修正后尿素喷射量下降了15%,说明瞬态工况下运行时尿素修正大都是向着尿素量减少的方向进行的,其中尿素喷射量的修正主要集中在城市运行工况,这主要是由城市工况的运行特点和催化剂载体的储热能力决定的。图10示出SCR系统动态修正开启前后的ETC试验结果对比。发动机初始排放水平为8.2g/(kW·h),采用SCR系统后,NOx排放分别降低至3.29g/(kW·h)和3.31g/(kW·h),NH3平均逸出量分别为3.04×10-6和1.52×10-6,瞬时最高分别可达到6×10-6和2×10-6,NOx平均转化率分别为59.9%和59.6%。可见,开启动态修正可以在保持转化效率基本不变的前提下显著降低氨逃逸量和尿素