选择性还原系统的设计与应用

选择性还原系统的设计与应用

0柴油车柴油发动机燃烧特性在车辆开发的初始阶段，模块和标准化得到了广泛应用。通过选择和组合不同的营销定制产品，以满足市场不同的需求，不仅缩短了车辆的销售周期，节约了开发成本。为了节约开发成本,国内外大部分设计单位都倾向于应用模块化、标准化设计来进行产品开发,以达到快速、经济、小风险地开发新产品,本文参考公司内部的已经量产且已经公开的信息进行整理,为后续开发项目提供可参考的模块化、标准化子系统。在欧洲,柴油发动机被广泛应用,而在国内说起柴油发动机的汽车,很多人都会将冒黑烟、噪声大等缺点一一列举,正是由于这些技术瓶颈导致国内柴油发动机在乘用车领域的使用相对较少,另外国内柴油油品不如欧洲,绝大多数消费者已经是“闻柴色变”。发动机将燃料燃烧后除了能输出动力,同时也会排出残余的废气,而废气成分中则包含着几种对人体和环境有害的物质。其主要成分有:CO、HC、NOX、SO2、碳烟颗粒物质、醛类物质等。其中NOX是在高温完全燃烧状态下生成的,因为NOX的成分N和O需要在高温时才会促进反应。NOX它在柴油发动机中的排放量多,原因是柴油发动机不用点火装置,而是采用自燃着火而燃烧的原理。通常将燃烧分为4个阶段:着火延迟期间、预混合燃烧期间、扩散燃烧期间、后燃烧期间。其中预混合燃烧期间会产生爆发性燃烧发生高热,使气缸内的温度急速上升,这时就会产生NOX。而在低温不完全燃烧状态下,则会生成PM和黑烟。和NOX一样,这在柴油发动机相对排放量也较多的,原因在于燃烧的特征。柴油发动机是向气缸内部喷射燃料、混合燃料和空气,混合状态通常不均一,而且在扩散燃烧期间和后燃烧期间,气缸内的温度和圧力下降。这时便会产生微颗粒物和黑烟。同理相比,汽油发动机排放量相对较少,由于其通常向混合的混合气点火,使发生不完全燃烧的燃烧过程短了,从而减少了微颗粒物和黑烟的排放。但是柴油发动机也有优点:柴油车节油效果非常显著。据专家预测,如果2020年我国乘用车保有量的柴油化率将发展到30%,当年可节约原油近3000万t,减少汽车用油、降低石油进口依存度均达10%以上。柴油机的节油率约为30%,这意味着其碳排放比汽油机低30%左右。因此降低柴油机的排放成了广泛应用的关键之一。1高压喷射系统和冷却废气再循环技术为了满足日益严格的排放法规,以及消费者对节能减排的要求,主机厂和各零部件厂不断地开发新技术,这些新技术包括高压共轨燃油喷射系统、冷却废气再循环(EGR)、可变喷嘴/截面涡轮增压器等先进装置。其中对降低柴油尾气中NOX最有效的是选择性还原系统。1.1nox的催化还原或转化选择性催化还原系统(SCR),用在对柴油机进行国Ⅳ级别的尾气净化,因使用Adblue(尿素为其主要成分)做还原剂,且只对其中的NOX进行处理,所以叫选择性催化还原(或转化)。选择性催化还原的Adblue油箱在车身上的布置位置相当灵活,其通常的位置是位于氧化催化转换器后,对废气流进行还原,布置位置如图1所示。NOX在柴油机汽车尾气中大量存在,它生成于气缸中的高温高压条件之下,其主要成分为NO和少部分的N2O3,N2O3是剧毒物质,当SCR中的Adblue液体喷射到尾气后,其化学反应如图2所示。1.2Adblue的化学性能Adblue是AUS32(尿素水溶液,32.5wt.%)的注册商标,现为德国汽车工业协会(VDA)所有。它被分类为非危险品,Adblue是一种透明液体,有淡淡的氨水气味。如果溅出,水分蒸发,形成结晶。是被认证为满足欧Ⅳ法规的综合排放控制系统,其也被慢慢地推广应用到柴油发动机机动车上减少NOX排放。Adblue还有其特殊的化学特性,如图3所示的高温下的其尿素含量减少,以及图4所示高温长时间的情况下Adblue内氨气的挥发性对人体感官的作用。汽车的工况温度通常为-40～80℃,而Adbule除了有其高温的特性外,液体在低温情况下也有其特有的化学特性,即会膨胀结冰,应在设计时予以考虑。因为Adbule有着如此独特的特性,所以造成了虽然其对于汽车尾气有还原作用,可此系统的普及率还暂时不高,而且设计成本相对较高。但是这些技术难点和设计成本可以通过本文介绍的子系统模块化设计予以一定程度的减少。2选择性恢复系统的液体收集系统模块2.1adblue枪的燃油灌注由于SCR系统需要消耗由尿素配成的AdBlue溶液,因此如何进行装罐补充也是十分关键的,图5是一种类似Adblue枪的喷嘴灌注方式,其主要借鉴的还是汽车燃油箱的燃油加注方式。除了上述的喷嘴灌装方式,常用的SCR系统还有一种使用标准化“Kruse”瓶的瓶灌装方式,如图6所示。2.2加热装置的闭合子系统Adblue液体因为其特殊特性,导致其存储的客体除了需要供液泵外还需要液体加热装置。对于液体泵和加热装置的闭合子系统常用的有两种子模块。一种是收录入美国机动车工程师协会(SAE)标准设计系统的SAE/凸轮锁扣闭合系统,其具体结构如图7所示。因SAE结构虽然闭合性能十分出色,但其成本相对较高。另一种相对较为便宜的闭合系统在设计过程中也相当常用,即如图8所示的螺帽结构形式的闭合子系统。2.3通风系统设计Adblue液体在被泵出工作后还需要通过通风子系统进行空气的“呼吸”补充。而负责补充空气的通风阀门因需要保证呼吸的流量在大流量的工况下不可避免会携带一些Adblue液体进入通风子系统,若此时箱体外部的温度偏低时,极易导致通风子系统的管道结冰,致使整个SCR系统无法呼吸而发生重大事故。因此整个通风系统的设计也相当关键。图9介绍了一种目前常用的通风原件的薄膜结构,可以有效地解决上述问题。3目前，选择性恢复系统的储液箱已被应用3.1scr系统的组装因重型卡车所携带的货物较多,故常常采用柴油发动机作为驱动,其所采用的SCR系统在柴油油箱旁边,通过吊带或金属笼的方式组装至卡车底盘。因其发动机通常为大排量,所以SCR的加注形式常常采用加油站补充的方式,SCR系统的灌装量通常为25～90L。3.2柴油乘用车scr系统欧美国家用柴油机作为驱动的乘用车也很多,因此目前在这些国家也广泛将SCR系统应用在柴油乘用车上。乘用车的SCR系统通常布置在柴油油箱边或发动机舱内,加注方式既有喷嘴形式也有灌装形式,灌装量通常为6～35L。图10为两款已量产的乘用车SCR系统的结构。4该系统的发展面。该系统的飞速发展,在总体