車用柴油機(jī)SCR技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景分析報(bào)告

1、論文車用柴油機(jī)SCR技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析教師學(xué)院名稱專業(yè)名稱論文提交日期論文答辯日期國(guó)防委員會(huì)主席_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _評(píng)論人_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _摘要柴油機(jī)以其強(qiáng)勁的動(dòng)力和較低的油耗在中重型卡車上得到了廣泛的應(yīng)用。而柴油機(jī)的主要排放物NOX和PM，并不能像汽油機(jī)那樣采用三元催化轉(zhuǎn)化器來有效解決。因此，在發(fā)展柴油機(jī)排放控制新技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)適用于柴油機(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。由于我國(guó)的排放法規(guī)體系相當(dāng)于歐洲的法規(guī)體系，同時(shí)考慮到我國(guó)國(guó)情和技術(shù)移植的便利性，我國(guó)各大汽車制造商和柴油機(jī)企業(yè)也傾向于采用SCR技術(shù)作為主要

2、技術(shù)措施，以滿足未來更加嚴(yán)格的排放要求。目前，國(guó)內(nèi)幾大車用柴油機(jī)企業(yè)雖然在柴油機(jī)領(lǐng)域開展了SCR技術(shù)的研究，但主要是引進(jìn)和應(yīng)用國(guó)外技術(shù)，核心技術(shù)仍主要掌握在國(guó)外相關(guān)廠商手中，成為該技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用的主要瓶頸。介紹了SCR技術(shù)降低柴油機(jī)NOX排放的工作機(jī)理、SCR系統(tǒng)的組成、SCR技術(shù)在大幅降低NOX排放方面的優(yōu)勢(shì)以及影響SCR系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的因素。因此，SCR技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研究日益迫切，從催化劑性能的研究、催化轉(zhuǎn)化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)到尿素噴射系統(tǒng)的控制策略、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，都需要對(duì)SCR技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用?？傊?，本文對(duì)滿足國(guó)排放的商用柴油機(jī)具有一定的參考

3、價(jià)值，對(duì)降低我國(guó)商用柴油機(jī)的排放和大氣污染具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)意義。關(guān)鍵詞:柴油機(jī)SCR降低NOX排放目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188274 1前言1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188275 1.1選擇性催化還原SCR技術(shù)背景1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188276 1.2系統(tǒng)的組成2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188277 1.2.1尿素罐2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188278 1.2.2

4、尿素加料裝置（尿素泵）3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188279 1.2.3尿素噴嘴3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188280 1.2.4催化器4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188281 1.2.5排氣溫度傳感器4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188282 1.2.6氮氧化物傳感器5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188283 1.3 SCR工作原理5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188284 1.3

5、.1系統(tǒng)自檢6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188285 1.3.2系統(tǒng)預(yù)注6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188286 1.3.3等待加料6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188287 1.3.4系統(tǒng)加料加入尿素的條件如下。7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188288 1.3.5系統(tǒng)排空7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188289 1.4主要反應(yīng)7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188290 2影響SCR系

6、統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的主要因素8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188291 2.1 H2O的影響8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188292 2.2溫度的影響9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188293 2.2.1催化器的溫度特性9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188294 2.3 NO2和NO比例濃度的影響9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188295 2.4尿素的影響10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188296

7、 2.5燃油品質(zhì)的影響10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188297 2.6空速的影響10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188298 3 SCR存在的問題11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188299 3.1氨泄漏11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188300 3.2催化劑的高溫穩(wěn)定性11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188301 3.3尿素“不正?！狈磻?yīng)11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188302 4

8、還原劑流量控制策略與改進(jìn)方案11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188303 4.1穩(wěn)態(tài)噴射控制策略11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188304 4.2瞬態(tài)排放修正策略12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188305 4.2.1儲(chǔ)氨修正12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188306 4.2.2排氣溫度修正12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188307 4.3 SCR系統(tǒng)的控制策略展望13 HYPERLINK l _RefHeading_T

9、oc292188308 5國(guó)外SCR運(yùn)用實(shí)例13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188309 5.1康明斯集成式排放控制(IEM)系統(tǒng)13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188310 5.2格倫德福斯托普索尿素SCR系統(tǒng)14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188311 5.3戴克商用車采用尿素SCR觸媒技術(shù)14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188312 5.4梅塞德斯奔馳15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188313 6國(guó)外重型柴油車SCR車

10、載診斷OBD15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188314 6.1 SCR系統(tǒng)OBD功能模塊結(jié)構(gòu)15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188315 6.2重型柴油車SCR 系統(tǒng)的車載診斷16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188316 6.3 NOX傳感器16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188317 6.4 NH3傳感器17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188318 6.5尿素傳感器18 HYPERLINK l _RefHeading_To

11、c292188319 6.6 OBD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能需求分析19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188320 6.6.1 SCR催化器的故障診斷19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188321 6.6.2尿素箱容器的故障診斷19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188322 6.6.3給料供給單元的故障診斷19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188323 6.6.4控制單元DCU的故障診斷19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188324 6.6.5 N

12、OX傳感器相關(guān)診斷20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188325 6.7故障處理流程20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188326 6.8需應(yīng)對(duì)的問題21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188327 7裝配SCR系統(tǒng)的混合動(dòng)力公交車排放特征研究21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188328 7.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188329 7.2測(cè)試車輛22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc29218

13、8330 7.3測(cè)試方法22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188331 7.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188332 8總結(jié)25 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188333 8.1目前SCR技術(shù)推廣的局限性25 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188334 8.2對(duì)SCR技術(shù)的展望26 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188335 致27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188336 參考文獻(xiàn)

14、28 HYPERLINK l _RefHeading_Toc292188337 Abstract301前言柴油機(jī)以其強(qiáng)勁的動(dòng)力和較低的油耗在中重型卡車上得到了廣泛的應(yīng)用。而柴油機(jī)的主要排放物NOX和PM，并不能像汽油機(jī)那樣采用三元催化轉(zhuǎn)化器來有效解決。因此，在發(fā)展柴油機(jī)排放控制新技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)適用于柴油機(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。1.1選擇性催化還原SCR的技術(shù)背景NOX和PM是柴油機(jī)的主要排放污染物，但NOX和PM之間存在“權(quán)衡”關(guān)系，無(wú)法通過機(jī)械措施降低PM和NOX的排放。為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，使柴油機(jī)排放滿足排放法規(guī)更嚴(yán)格的歐IV(NOX排放3.

15、5g/(kWh)，PM排放0.02g/(kWh)，歐V(NOX排放2.0g/(kWh)，PM排放0.02g/(kWh)，就要使用廢氣。為應(yīng)對(duì)更嚴(yán)格的排放法規(guī)，目前主要有兩條技術(shù)路線:一是通過優(yōu)化噴射系統(tǒng)、提前噴射正時(shí)和增壓中冷將顆粒物降低到合適的水平，這將導(dǎo)致NOX的適度增加，然后使用SCR降低NOX的排放；第二種是EGR和DPF的組合路線，即利用廢氣再循環(huán)降低NOX排放，然后利用微粒捕集器降低微粒排放2。采用優(yōu)化燃燒和SCR技術(shù)路線，不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)燃油消耗率降低5%7%，催化劑對(duì)燃油中的硫不敏感；相反，采用EGR+DPF技術(shù)路線的柴油機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改變較大，燃油消耗率略有增加，尤其

16、是對(duì)燃油中的硫特別敏感。綜合考慮兩種技術(shù)路線的特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)尿素產(chǎn)量大、燃料油含硫量高的特點(diǎn)，如圖1所示的優(yōu)化燃燒+SCR技術(shù)路線更適合我國(guó)國(guó)情34。圖1 SCR達(dá)到歐III、歐IV和歐V的技術(shù)路線2010年6月1日起，珠三角地區(qū)實(shí)施國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放和節(jié)能提出了更嚴(yán)格的要求。在燃燒方面，采用了很多目前技術(shù)條件下可以采用的技術(shù)措施。僅僅通過優(yōu)化燃燒系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足更高的要求，更重要的是將其與發(fā)動(dòng)機(jī)后凈化措施相結(jié)合，以滿足更加嚴(yán)格的國(guó)IV排放要求。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)可以用尿素溶液處理尾氣中的氮氧化物，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX排放。這是燃?xì)廨啓C(jī)排放控制領(lǐng)域的技術(shù)突破，符合國(guó)排放要

17、求。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，迫切需要國(guó)內(nèi)所有柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)推出滿足國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)。雖然SCR技術(shù)在歐美的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是我國(guó)的SCR技術(shù)才剛剛起步，因此有必要研究適合我國(guó)國(guó)情的這項(xiàng)技術(shù)。1.2系統(tǒng)的組成SCR系統(tǒng)主要由SCR催化轉(zhuǎn)化器、電子控制單元、尿素箱、尿素泵(尿素溶液供給模塊)、計(jì)量模塊、噴霧器和各種傳感器組成。圖2顯示了博世公司典型SCR系統(tǒng)的示意圖。圖2 SCR系統(tǒng)示意圖尿素箱尿素罐用于儲(chǔ)存工業(yè)尿素，主要由尿素罐液位、尿素過濾器和溫度傳感器組成，如圖3所示。尿素箱液位和溫度傳感器分別監(jiān)測(cè)尿素箱的液位和溫度。圖3尿素箱1.2.2尿素進(jìn)料裝置(尿素泵)進(jìn)料裝置本質(zhì)上是一個(gè)智

18、能泵，它在發(fā)動(dòng)機(jī)ECM的控制下將尿素輸送到噴嘴進(jìn)行噴射，如圖4所示。圖4尿素泵1)尿素供給泵根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECM發(fā)出的CAN指令輸送尿素溶液。2)尿素供給系統(tǒng)利用系統(tǒng)提供的壓縮空氣將一定劑量的尿素輸送到噴嘴。3)尿素給料泵有加熱裝置，使系統(tǒng)能在外界溫度低于-40的情況下工作(尿素在-11結(jié)冰)。4)尿素給料泵集成自診斷程序，通過J1939CAN通信接口發(fā)送OBD信息，并向系統(tǒng)報(bào)告自身運(yùn)行狀態(tài)。5)尿素進(jìn)料泵能適應(yīng)12V和24V電源電壓。尿素噴嘴尿素噴嘴由不銹鋼制成，注射器管焊接在注射器噴嘴體上，如圖5所示。圖5尿素噴嘴催化轉(zhuǎn)化器催化轉(zhuǎn)換器的尺寸通常是現(xiàn)有排氣消聲器的兩倍。催化轉(zhuǎn)化器由消聲器和SCR

19、催化磚組成，如圖6所示。SCR催化磚具有以下特點(diǎn):不含貴金屬；良好的NH3吸收能力和NOx轉(zhuǎn)化能力；有褶皺的玻璃纖維紙；可以卷成不同的大小和形狀。圖6催化轉(zhuǎn)化器廢氣溫度傳感器SCR系統(tǒng)配有兩個(gè)排氣溫度傳感器，一個(gè)進(jìn)氣排氣溫度傳感器和一個(gè)排氣溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)催化轉(zhuǎn)化器的溫度。如圖7所示。圖7排氣溫度傳感器氮氧化物傳感器后處理出口處的NOx傳感器的位置根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用而變化，并且它通常位于排氣系統(tǒng)中后處理催化劑的出口處。如圖8所示。1)后處理出口處的NOX傳感器是一個(gè)精密裝置，它接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制模塊ECM的指令。2)后處理出口NOx傳感器與NOx控制模塊永久連接，可以作為一個(gè)整體部件進(jìn)行

20、維修，不能單獨(dú)更換。3)后處理出口NOx傳感器用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)出口處的NOx排放。圖8氮氧化物傳感器1.3可控硅工作原理如圖2所示，該系統(tǒng)采用壓縮空氣輔助噴射系統(tǒng)。工作時(shí)，一路向噴嘴供氣，使尿素水溶液霧化；另一股空氣供給尿素泵，以控制尿素水溶液的回流。首先啟動(dòng)尿素泵，在計(jì)量閥模塊入口處建立一定壓力的尿素水溶液備用。電控單元采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)、排氣溫度和NOX排放等信號(hào)。根據(jù)控制策略，電子控制單元發(fā)出所需尿素水溶液流量的控制指令，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)計(jì)量閥動(dòng)作。尿素水溶液與霧化空氣混合，通過噴霧器進(jìn)入排氣管。尿素溶液噴入排氣管后，首先在高溫下，在催化劑的作用下發(fā)生熱解和水解反應(yīng)，生成氨氣，然后氨氣進(jìn)

21、入SCR催化劑還原NOX，生成氮?dú)夂退?，隨廢氣排入大氣5。正常工作情況下，系統(tǒng)的工作流程是:系統(tǒng)自檢系統(tǒng)預(yù)注等待加注系統(tǒng)加注系統(tǒng)排空。如圖9所示。圖9 SCR工作原理示意圖系統(tǒng)自檢當(dāng)鑰匙轉(zhuǎn)到ON位置時(shí)，加料器將通電進(jìn)行自檢。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后，驅(qū)動(dòng)輪上的金屬基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)電路板上的監(jiān)控點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，尿素輸送泵的驅(qū)動(dòng)桿處于釋放狀態(tài)。系統(tǒng)預(yù)注射1)每次發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功并開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)啟動(dòng)預(yù)噴射階段。進(jìn)料隔膜泵開始全速運(yùn)行，尿素溶液通過隔膜泵循環(huán)，流回尿素箱，從而排空系統(tǒng)中的空氣。這個(gè)過程持續(xù)30s。2)如果預(yù)噴射階段成功:預(yù)噴射階段結(jié)束時(shí)空氣電磁閥打開，壓縮空氣進(jìn)入加料器；檢查尿素

22、壓力；隔膜泵停止工作。3)如果預(yù)噴階段第一次不成功:空氣電磁閥立即斷電斷氣，隔膜泵電機(jī)將再次全速運(yùn)轉(zhuǎn)30s；這個(gè)過程可以重復(fù)20次。如果20次后仍不成功，則SCR泵狀態(tài)控制饋線有問題。1.3.3等待進(jìn)料。1)預(yù)注射階段結(jié)束時(shí)，空氣電磁閥打開，進(jìn)料器電機(jī)停止。2)壓縮空氣一直進(jìn)入噴嘴，隔膜泵不轉(zhuǎn)，尿素噴不出來。3)加料器現(xiàn)在可以加料了，加料階段由發(fā)動(dòng)機(jī)ECM根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物和排氣溫度來控制。4)除非滿足噴射尿素的條件，否則加料器不會(huì)開始添加尿素，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過加料器、噴嘴尿素供給管和噴嘴連續(xù)添加空氣，避免噴嘴堵塞。5)進(jìn)料階段，將氣壓調(diào)節(jié)到40kPa，空氣通過空氣電磁閥不斷進(jìn)入

23、噴嘴。1.3.4向系統(tǒng)中添加尿素的條件如下。1)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)、出口處的排氣溫度高于200。2)沒有與SCR系統(tǒng)相關(guān)的OBD故障代碼。3)尿素箱液位高于6%。4)空氣壓力高于0.4MPa，而尿素壓力為0.3MPa。5)尿素箱中的尿素溫度超過-5。6)ECM根據(jù)康明斯NOx算法發(fā)送噴射命令。系統(tǒng)排空1)當(dāng)鑰匙開關(guān)轉(zhuǎn)到關(guān)閉位置時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入清除階段。壓縮空氣流經(jīng)噴嘴和進(jìn)料器。2)空氣將從系統(tǒng)中排出任何殘留的尿素，否則這些液滴可能會(huì)堵塞加料器止回閥或注射器噴嘴。這個(gè)階段將持續(xù)30秒，然后系統(tǒng)將關(guān)閉。3)每次關(guān)閉按鍵開關(guān)，都會(huì)清空。4)如果SCR系統(tǒng)故障在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行期間變成活動(dòng)故障，SCR系統(tǒng)將被關(guān)閉

24、。1.4主要反應(yīng)SCR系統(tǒng)中，氧化劑是NOX，真正的還原劑是NH36，化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜。包括尿素的熱解和水解、尿素的催化還原(包括標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)和快速SCR反應(yīng))等。(1)尿素的熱解和水解反應(yīng)NH3具有很強(qiáng)的選擇性，是一種很好的還原劑，但純NH3有毒，難以保存。而尿素水溶液無(wú)毒無(wú)害，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，無(wú)刺激性氣味。因此，尿素水溶液(濃度32.5%)一般用作車輛SCR系統(tǒng)的反應(yīng)物。尿素被熱解和水解形成NH37。尿素在高溫排氣管中熱解( 180)，生成等摩爾的氨氣和氰酸(HNCO)；(NH2)2CONH3+HNCO (1)氰酸在催化劑的作用下進(jìn)一步水解，生成等摩爾的氨氣和二氧化碳；HNCO+H2ON

25、H3+CO2 (2)SCR催化劑可以催化化學(xué)反應(yīng)(2)并促進(jìn)氰酸的進(jìn)一步水解。反應(yīng)(1)是吸熱反應(yīng)，所以當(dāng)氰酸和氨氣到達(dá)催化轉(zhuǎn)化器的入口時(shí)，它們已經(jīng)是氣態(tài)了。(2)NOX的催化還原NOX的催化還原反應(yīng)中的主要反應(yīng)如下:4NH3+4NO+O24N2+6H2O(標(biāo)準(zhǔn)SCR) (3)H3+NO+NO2 2n2+3H2O(快速SCR) (4)柴油機(jī)排放的NOx中NO的含量通常占85%95%8，所以化學(xué)方程式(3)是NOX催化還原中最重要的反應(yīng)，稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。300400反應(yīng)效率高，但低溫(250，如柴油機(jī)冷起動(dòng))時(shí)NOX轉(zhuǎn)化效率低。因此，有必要尋找一種能在柴油機(jī)低排氣溫度下保持較高NOX轉(zhuǎn)化效率

26、的方法。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)NOX中NO2的比例增加時(shí)，可以提高SCR在低溫下轉(zhuǎn)化為NOX的效率(見反應(yīng)式(4)。當(dāng)NO與NO2的濃度比為1時(shí)，會(huì)有最佳的NOX催化轉(zhuǎn)化效率9，反應(yīng)可以在較低的溫度下進(jìn)行。反應(yīng)優(yōu)先級(jí)高于化學(xué)方程式(3)，低溫下的反應(yīng)速率是標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)的17倍，故稱為快速SCR反應(yīng)。廢氣中的NO2和部分NO可以通過化學(xué)方程式(4)快速消除，稱為快速SCR反應(yīng)。在SCR反應(yīng)器上游安裝預(yù)氧化催化劑(活性成分為鉑)，將部分NO氧化為NO2，可以解決低溫下NOX轉(zhuǎn)化效率低的問題。2NO+O22NO2 (5)NO2的含量不得超過50%，否則根據(jù)反應(yīng)式(4)，多余的NO2不能參與反應(yīng)，所以

27、多余的NO2會(huì)發(fā)生反應(yīng)式(6)，其反應(yīng)速度比標(biāo)準(zhǔn)SCR慢很多，稱為慢SCR反應(yīng)。多余的NO2如果不能隨時(shí)間反應(yīng)，會(huì)隨尾氣排出，所以NO2的含量不能超過50%。8NH3+6NO27N2+12H2O(慢SCR) (6)在化學(xué)方程式(4)和(5)的反應(yīng)之后，大部分NOX被轉(zhuǎn)化成無(wú)害的氮?dú)夂退?影響SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的主要因素2.1 H2O的影響Giusweppe Maidia和Manfred Koebel10研究了H2O對(duì)NH3-SCR催化轉(zhuǎn)化NOX的影響。結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)SCR催化劑，在低溫下H2O的存在降低了催化劑的活性，而在高溫下，H2O基本不影響NOX的轉(zhuǎn)化率，這因催化劑而異。同時(shí)，隨

28、著加水量的增加，催化劑的活性受到不同程度的影響。簡(jiǎn)和郭翔11等人研究了150550水蒸氣對(duì)V2O5-WO3/TiO2催化劑SCR活性的影響。結(jié)果表明，低溫下H2O的存在降低了催化劑的脫硝活性，當(dāng)反應(yīng)溫度低于360時(shí)，H2O在一定程度上抑制了催化劑的SCR活性，而較高溫度下H2O的存在削弱了NH3被O2直接氧化成NOX的能力，從而間接提高了NOX轉(zhuǎn)化率。2.2溫度的影響排氣溫度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器的活性有顯著影響，每個(gè)催化劑對(duì)應(yīng)一個(gè)活性溫度范圍。當(dāng)溫度低于催化劑的活化溫度時(shí)，催化劑的活性非常低。達(dá)到活化溫度后，隨著溫度的升高，催化劑的活性逐漸增加。當(dāng)溫度上升到一定值時(shí)，催化劑的活性迅速上升到某一峰值。在

29、高于此溫度約200時(shí)，催化劑的活性基本保持不變。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，催化劑的活性開始降低，這是因?yàn)镹H3氧化反應(yīng)開始發(fā)生(如反應(yīng)式(4NH3+5O24NO+6H2O (7)4NH3+3O22N2+6H2O (8)2.2.1催化轉(zhuǎn)化器的溫度特性目前，SCR的主要催化組分是釩基(TiO2-V2O5)或沸石。釩基催化劑的有效溫度范圍為250 500。一般中重型發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度很少達(dá)到這么高的溫度，所以適合國(guó)內(nèi)的中重型發(fā)動(dòng)機(jī)。沸石分為銅基沸石和鐵基沸石。銅低溫催化能力強(qiáng)，適用于排氣溫度低(200以下)的發(fā)動(dòng)機(jī)，鐵基適用于排氣溫度高的發(fā)動(dòng)機(jī)。沸石的價(jià)格更高。圖10顯示了各種催化劑的高效催化性能的溫度范圍

30、。圖10不同溫度下催化劑的轉(zhuǎn)化效率2.3 NO2和NO比例濃度的影響因?yàn)榭焖賁CR的反應(yīng)速率比標(biāo)準(zhǔn)SCR快得多，所以增加NO2的比例可以提高NOX轉(zhuǎn)化效率。措施是在尿素噴嘴上游安裝一個(gè)預(yù)氧化轉(zhuǎn)化器。改善程度與溫度有關(guān)。當(dāng)溫度低于200時(shí)，NOX的轉(zhuǎn)化效率隨著NO2的增加而線性增加，當(dāng)NO和NO2為1:1時(shí)，NOX的轉(zhuǎn)化效率最高。當(dāng)溫度在300左右時(shí)，隨著NO2的增加，NOX轉(zhuǎn)化效率僅略有增加。當(dāng)NO2的量超過NO時(shí)，NOX轉(zhuǎn)化效率受到極大的負(fù)面影響。在這個(gè)溫度下，NO2和NH3發(fā)生緩慢的SCR反應(yīng)，NH3會(huì)泄漏，造成二次污染。當(dāng)溫度高于350時(shí)，NOX轉(zhuǎn)化效率不會(huì)受到NO2的影響13。2.4尿

31、素的影響由于氨氣來源于尿素的熱解和水解，所以噴射尿素的數(shù)量和質(zhì)量直接影響氨氣的形成，從而最終影響NOX的轉(zhuǎn)化效率。隨著噴射尿素量的增加，產(chǎn)生更多的氨氣，從而產(chǎn)生更多的NOX還原劑，并且NOX轉(zhuǎn)化效率提高。但尿素噴射過多會(huì)造成氨氣過剩，從排氣管排出，造成二次污染14。尿素噴射的質(zhì)量與噴嘴的位置和類型有關(guān)。隨著從注入點(diǎn)到催化劑入口的距離L的增加，尿素液滴與廢氣相互作用的時(shí)間更長(zhǎng)，并且液滴蒸發(fā)以與尿素更充分地?zé)峤?。催化劑載體的前截面中NH3的平均濃度相應(yīng)增加，并且其分布變得更加均勻。噴嘴的類型不影響尿素的熱解過程。然而，噴嘴孔的數(shù)量更有助于將液滴分散到更大的圓周上，從而使還原劑更均勻地分散在廢氣中1

32、。NH3分布越均勻，反應(yīng)越充分，NOX轉(zhuǎn)化效率越高。2.5燃料質(zhì)量的影響與EGR+DPF技術(shù)路線相比，采用SCR技術(shù)路線的柴油機(jī)對(duì)硫不是很敏感，但燃料中的硫?qū)CR系統(tǒng)的影響不容忽視。當(dāng)使用硫含量比時(shí)。柴油高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中含有二氧化硫(SO2)，在催化劑的作用下容易氧化成三氧化硫(SO3)。一般在排氣溫度低于250時(shí)，氨氣和SO3容易結(jié)合生成硫酸氫銨(NH4HSO4)和硫酸銨(NH4)2SO4)，如反應(yīng)式(9)和(10)所示。生成的硫酸氫銨和硫酸銨也會(huì)沉積在催化劑表面，降低催化劑的比表面積，從而降低SCR催化劑的活性，造成催化劑的硫中毒6。因此，燃油質(zhì)量的提高與SCR的廣泛使用密切相關(guān)。N

33、H3+SO3+H2O NH4HSO4 (9)2NH3+SO3+H2O(NH4)2SO4 (10)2.6空速的影響GasHours空間速度(GHSV)是催化劑評(píng)價(jià)的通用參數(shù)，它指的是每單位反應(yīng)體積可以處理的反應(yīng)混合物的體積流速。空速的倒數(shù)是接觸時(shí)間。當(dāng)反應(yīng)溫度低時(shí)，催化劑的活性不高。隨著空速的增加，氣體和負(fù)載催化劑之間的接觸時(shí)間變短，反應(yīng)時(shí)間變短，并且NOX轉(zhuǎn)化率降低。隨著溫度的升高，催化劑的活性急劇上升，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，空速的影響減弱。溫度上升到一定程度后，空速對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響已經(jīng)變得很小11。3可控硅存在的問題3.1氨泄漏尿素用作還原劑，其主要成分是NH3。車輛的尾氣溫度可能從怠速時(shí)的100

34、變化到滿載時(shí)的650，所以不同工況下需要噴射的還原劑的量差別很大，NH3對(duì)催化劑的吸附能力會(huì)隨著溫度的升高而降低，容易導(dǎo)致漏氨。通常通過優(yōu)化尿素噴射控制策略和安裝氧化后催化裝置來減少氨泄漏。3.2催化劑的高溫穩(wěn)定性目前，TiO2-WO3-V2O是汽車SCR系統(tǒng)中常用的催化劑。這類催化劑具有良好的抗硫中毒性能，但在高溫下容易老化，會(huì)增加氨的泄漏，因此催化劑在高溫下的穩(wěn)定性非常重要。一般來說，催化劑的最高可接受溫度可以達(dá)到600，一旦超過這個(gè)溫度，催化劑就容易老化。這可能是由于銳鈦礦型TiO2轉(zhuǎn)化為金紅石型TiO2，導(dǎo)致活性表面積減少。此外，高負(fù)荷時(shí)排氣溫度可能達(dá)到700，但這種情況發(fā)生的概率較小

35、，甚至發(fā)生持續(xù)時(shí)間較短。因此，提高催化劑的高溫穩(wěn)定性仍是催化劑發(fā)展的一個(gè)方向。3.3尿素的“異常”反應(yīng)尿素溶液噴入排氣管后，首先通過熱解反應(yīng)生成氨氣和氰酸。氰酸在催化劑的作用下除了生成氨和二氧化碳外，還會(huì)在高溫下發(fā)生縮合反應(yīng)，即在380400沸騰縮合生成縮二脲、三脲和氰尿酸16。這些化合物“結(jié)晶”會(huì)堵塞排氣管，影響催化劑的催化效率，大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。同時(shí)，由于氰酸的縮合反應(yīng)，氨氣量減少。因?yàn)槟蛩氐膰娚淞渴峭ㄟ^用NOX的轉(zhuǎn)化能力標(biāo)定不同工況下的原發(fā)動(dòng)機(jī)排放來確定的。而尿素的“異?！狈磻?yīng)是不確定的，會(huì)造成標(biāo)定的尿素噴射量與實(shí)際尿素需求量的偏差，導(dǎo)致NOX轉(zhuǎn)化效率降低或氨泄漏。4還原劑流量控制策

36、略及改進(jìn)方案當(dāng)SCR技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)排放控制時(shí)，還原劑流量的控制尤為重要。如果控制不好，容易導(dǎo)致低溫下轉(zhuǎn)化效率低等問題，瞬態(tài)工況下的噴射量控制不應(yīng)視為氨氣泄漏。必須綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能、催化劑的氨儲(chǔ)存特性、催化劑的蓄熱特性和轉(zhuǎn)化效率來制定合理的還原劑流量控制策略。4.1穩(wěn)態(tài)噴射控制策略調(diào)整柴油機(jī)，優(yōu)化氣缸燃燒，盡量使PM達(dá)到排放法規(guī)要求。在此條件下，測(cè)量整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的廢氣溫度、廢氣流量及其對(duì)應(yīng)的NOX排放量。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式(3)至(4)，計(jì)算還原劑的噴射量。尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%，1摩爾尿素可生成2摩爾氨氣，1摩爾氨氣可還原1摩爾LNOX。圖11 SCR系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制策略4.

37、2瞬態(tài)排放校正策略瞬態(tài)校正策略基于穩(wěn)定噴射控制。氨儲(chǔ)存校正SCR系統(tǒng)的催化劑通常具有一定的NH3儲(chǔ)存能力。對(duì)于給定的催化劑，排氣溫度是影響其氨儲(chǔ)存能力的主要因素。當(dāng)排氣溫度高時(shí)，催化轉(zhuǎn)化器的氨儲(chǔ)存能力弱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從低排氣溫度過渡到高排氣溫度時(shí)，儲(chǔ)存的NH3將被釋放，這可能導(dǎo)致過多的NH3和NH3泄漏。然而，當(dāng)排氣溫度低時(shí)，催化轉(zhuǎn)化器的氨儲(chǔ)存能力強(qiáng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從高排氣溫度過渡到低排氣溫度時(shí)，NOX的轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低，因?yàn)榇罅康腘H3存儲(chǔ)在催化轉(zhuǎn)化器中。因此，在制定尿素流量控制策略時(shí)，有必要考慮催化劑對(duì)NH3的儲(chǔ)存效應(yīng)。排氣溫度校正在穩(wěn)態(tài)控制模型中，只有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、扭矩和催化劑溫度，被認(rèn)

38、為是穩(wěn)定的。然而，在實(shí)際使用中，由于催化劑的熱容量，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)工況過渡到另一個(gè)工況時(shí)，催化劑的床層溫度有一個(gè)時(shí)間延遲。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從低排氣溫度過渡到高排氣溫度時(shí)，催化劑的活性不強(qiáng)，噴射的尿素水溶液會(huì)生成氨鹽覆蓋在催化劑表面或在低排氣溫度下儲(chǔ)存在催化轉(zhuǎn)化器中。隨著催化劑床層溫度的逐漸升高，吸附在催化劑部分的大量氨氣會(huì)逸出，氨鹽也會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，釋放出氨氣。此時(shí)氨氣量往往會(huì)超過理論需求量，在催化劑出口處以滑移損失的形式排出。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從高排氣溫度過渡到低排氣溫度時(shí)，催化劑的床溫通常較高，催化劑的轉(zhuǎn)化效率也較高。如果能夠根據(jù)催化器的實(shí)時(shí)溫度適當(dāng)增加尿素水的流量，則可以提高NOX的轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況

39、變化時(shí)，噴射量緩慢變化一段時(shí)間，以適應(yīng)催化轉(zhuǎn)化器的溫度變化規(guī)律。使NOX的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到高水平，同時(shí)減少NH3的泄漏。4.3 SCR系統(tǒng)控制策略展望上述控制策略是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和排氣溫度為基本控制變量，即通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和排氣溫度的變化來控制還原劑流量的變化。這是一個(gè)開環(huán)控制。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度和排氣流量與NOX排放之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系通常會(huì)發(fā)生偏離。未來SCR必將向閉環(huán)控制方向發(fā)展。閉環(huán)控制必須有一個(gè)可靠和高精度的氮氧化物傳感器。因此，NOX傳感器的發(fā)展與SCR系統(tǒng)密切相關(guān)。SCR系統(tǒng)使用32.5%的尿素水溶液作為還原劑。35%尿素水溶液的最低冰點(diǎn)只有-11。因

40、此，在嚴(yán)寒地區(qū)使用SCR系統(tǒng)時(shí)，必須考慮尿素水溶液的凍結(jié)問題。目前有電加熱和冷卻水加熱尿素水溶液，但這兩種方案都不節(jié)能。開發(fā)高效的融冰設(shè)備也是發(fā)展SCR系統(tǒng)的迫切任務(wù)。5國(guó)外SCR應(yīng)用實(shí)例為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，國(guó)外許多汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)開始將SCR技術(shù)應(yīng)用于其產(chǎn)品中，這意味著SCR已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)用階段。5.1康明斯綜合排放控制(IEM)系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃于2005年10月實(shí)施的歐IV標(biāo)準(zhǔn)，康明斯將采用集成排放控制系統(tǒng)的IEM技術(shù)，即將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸凈化和廢氣后處理集成在一起，實(shí)現(xiàn)從進(jìn)氣到排氣的全過程控制。為了有效控制排放，康明斯IEM采用高效SCR，由電子控制模塊控制。電控系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的

41、實(shí)時(shí)工況，在SCR裝置前端準(zhǔn)確地向廢氣流中注入適量的催化劑(尿素溶液)。這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生催化反應(yīng)，從尿素溶液中釋放出NH3，還原廢氣中的NOX，從而有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放。電控系統(tǒng)還可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油、缸內(nèi)燃燒和進(jìn)氣情況同步控制SCR催化轉(zhuǎn)化器。為了保證車輛運(yùn)行過程中SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行，康明斯IEM配備了全自動(dòng)車載排放診斷系統(tǒng)(OBD)，駕駛員可以通過駕駛室內(nèi)的儀表或指示燈隨時(shí)了解SCR系統(tǒng)的運(yùn)行情況。車載排放診斷系統(tǒng)可以提醒駕駛員及時(shí)加注尿素溶液，按時(shí)維護(hù)SCR系統(tǒng)。在SCR系統(tǒng)運(yùn)行期間，尿素溶液以燃料消耗的5%的比率被噴射到廢氣流中。根據(jù)車輛類型和用途的不同，尿素溶液儲(chǔ)罐與安裝在車輛上的燃油

42、箱的容積比通常為11、21或31。在歐洲，環(huán)保部門已經(jīng)開始在商用車上推廣使用SCR系統(tǒng)。用戶可以方便地購(gòu)買和使用尿素溶液，確保汽車排放符合歐IV標(biāo)準(zhǔn)。使用康明斯IEM系統(tǒng)后，燃油經(jīng)濟(jì)性的提高將抵消使用尿素溶液增加的成本。尿素溶液的噴射由康明斯電子控制系統(tǒng)精確控制，可徹底消除尿素溶液的泄漏和異味。5.2 Grand Foss-Topso尿素SCR系統(tǒng)Grand Foss公司和Topso技術(shù)公司開發(fā)了一種新的卡車用柴油機(jī)催化轉(zhuǎn)化器。該裝置可節(jié)省4%的油耗，減少一半對(duì)人體有害的納米顆粒物的排放，減少氮氧化物和碳?xì)浠衔锏呐欧?，減少柴油燃燒產(chǎn)生的異味。作為泵和電子控制系統(tǒng)的供應(yīng)商，Grand Flow

43、serve公司與催化劑開發(fā)商Topso公司戰(zhàn)略合作開發(fā)該系統(tǒng)。格倫福德公司預(yù)計(jì)，到2010年，這種設(shè)備在全球市場(chǎng)的總銷售額將達(dá)到800億丹麥克朗(約合96億美元)。這種尿素SCR系統(tǒng)可以有效地消除柴油機(jī)排氣中大部分NOX、未燃HC以及那些對(duì)人體健康有害的物質(zhì)。柴油的難聞氣味主要是由于其成分中含有未燃燒的碳?xì)浠衔铩Ｈ绻コ慈紵奶細(xì)浠衔?，柴油車的工作環(huán)境將得到極大的改善。SCR系統(tǒng)基本上由尿素儲(chǔ)罐、尿素噴射系統(tǒng)和催化轉(zhuǎn)化器組成。將尿素注入汽車尾氣中，尿素分解成NH3，去除NOX。與NOX的反應(yīng)在催化劑表面產(chǎn)生無(wú)害的氣體N2和水蒸氣。HC和PM留在催化劑上，但不會(huì)與噴射的尿素混合。注入的尿素

44、是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的溶液。用手觸摸很安全，不會(huì)污染環(huán)境。5.3德克爾商用車采用尿素SCR催化劑技術(shù)。戴姆勒-克萊斯勒近日宣布，為了使搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車達(dá)到歐IV和歐V排放標(biāo)準(zhǔn)，采用了使用尿素的SCR法。該公司將于2005年上半年在卡車和貨車上采用SCR法，并在2006年10月達(dá)到歐IV標(biāo)準(zhǔn)之前開始分階段支持歐IV標(biāo)準(zhǔn)。未來，公司將繼續(xù)開發(fā)SCR技術(shù)，以盡快滿足歐V標(biāo)準(zhǔn)的要求。SCR法采用在尾氣中噴入符合DIN70070標(biāo)準(zhǔn)的32.5%霧化尿素水溶液“Ad2Blue”的方法，將NOX還原至N2和H2O。尿素消耗量約為柴油消耗量的6%。長(zhǎng)途卡車，2L尿素可以行駛100km，如果配備100L

45、油箱，一次補(bǔ)充尿素可以行駛5000km。據(jù)悉，SCR系統(tǒng)的維護(hù)成本不會(huì)增加，也不需要使用低S柴油。尿素SCR系統(tǒng)用于商用車時(shí)，必須小型化，以配備催化劑和尿素箱。還必須改善供應(yīng)尿素的基礎(chǔ)設(shè)施。SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)始于20世紀(jì)80年代，SCR系統(tǒng)的安裝試驗(yàn)已經(jīng)在商用車上進(jìn)行。在尿素基礎(chǔ)設(shè)施方面，加油站也開始了實(shí)驗(yàn)性供應(yīng)。目前，為了在SCR系統(tǒng)投入實(shí)際使用之前完善基礎(chǔ)設(shè)施，該公司正在與AdBlue制造商建立供應(yīng)站。5.4奔馳為滿足2007年實(shí)施的美國(guó)環(huán)保署最新環(huán)保法規(guī)，世界知名汽車制造商奔馳也已將SCR作為后處理技術(shù)應(yīng)用于旗下柴油車，并正在考慮將該系統(tǒng)部署到部分商用車上。6國(guó)外重型柴油車SCR車載診斷O

46、BD6.1 SCR系統(tǒng)OBD功能模塊的結(jié)構(gòu)由于重型柴油車排放水平差，行駛里程大，使用頻率高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的不斷普及和發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)的提高，在重型柴油車上安裝OBD系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。通過分析當(dāng)前全球OBD技術(shù)的發(fā)展，輕型車OBD技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。但由于柴油機(jī)電控技術(shù)的研究滯后于汽油機(jī)，且重型車輛以柴油機(jī)為主，重型柴油車OBD技術(shù)的研究在國(guó)際上仍處于起步階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于輕型車OBD技術(shù)的發(fā)展。此外，重型柴油車的排放控制技術(shù)和排放測(cè)試要求與輕型汽車不同，使用環(huán)境也與輕型汽車有很大不同。因此，輕型車OBD系統(tǒng)的技術(shù)措施和相關(guān)法規(guī)不適用于重型車。美國(guó)和歐洲正在研究和開發(fā)OBD系統(tǒng)在重型車輛

47、發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用17。在歐洲法規(guī)中，OBD對(duì)重型柴油車的要求直到歐IV階段才提出。加州、SAE、ISO和日本也提出了重型車輛的OBD標(biāo)準(zhǔn)。與歐洲排放控制法規(guī)保持一致，我國(guó)在重型汽車國(guó)法規(guī)中首次將重型柴油車的OBD系統(tǒng)作為強(qiáng)制性規(guī)定。為了實(shí)現(xiàn)OBD功能，對(duì)前期集成的SCR系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，新安裝了多種傳感器，并進(jìn)行了調(diào)試和標(biāo)定。傳感器的采樣值和來自執(zhí)行器的反饋信號(hào)被用作故障識(shí)別的重要參數(shù)。SCR系統(tǒng)控制器中OBD模塊的軟件集成了故障確認(rèn)、故障代碼管理和存儲(chǔ)以及故障響應(yīng)方案等多種功能。故障指示燈(M IL)用于警告與排放相關(guān)的故障，由SCR控制器中的OBD模塊驅(qū)動(dòng)。傳感器的安裝位置如圖12所示。圖12

48、 SCR系統(tǒng)中傳感器的安裝位置6.2重型柴油車SCR系統(tǒng)的車載診斷理論上，當(dāng)SCR系統(tǒng)工作時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SCR系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化效率，以確定系統(tǒng)是否正常工作。而SCR系統(tǒng)的使用需要消耗尿素，導(dǎo)致SCR的尿素添加方式問題(不及時(shí)添加、不添加或忘記添加)。此外，如何合理混合尿素的噴射量以更好地實(shí)現(xiàn)NOX的催化還原也是目前的主要問題。綜上所述，為了解決這些問題，有必要將OBD系統(tǒng)應(yīng)用于SCR監(jiān)測(cè)。應(yīng)該說，現(xiàn)階段SCR系統(tǒng)本身的技術(shù)難點(diǎn)已經(jīng)基本攻克，將其應(yīng)用于排放控制的主要技術(shù)難點(diǎn)是SCR系統(tǒng)的車載診斷。有必要監(jiān)測(cè)NOX的轉(zhuǎn)化效率，以確定SCR系統(tǒng)是否正常工作。使用傳感器監(jiān)控還原劑尿素的供應(yīng)也是SCR

49、車載診斷的重要部分。另外，針對(duì)上面提到的尿素添加問題，尿素質(zhì)量傳感器主要用于監(jiān)測(cè)尿素的消耗量。目前，對(duì)于重型柴油車SCR系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要研究能力是NOX傳感器、NH3傳感器和尿素傳感器的具體研究。SCR車載診斷系統(tǒng)基于上述傳感器監(jiān)控車輛。這些傳感器的研究將在下面描述。6.3NOX傳感器監(jiān)測(cè)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率最有效的方法是監(jiān)測(cè)NOX的含量。通常，NOX傳感器安裝在SCR催化劑的上游和下游，以計(jì)算NOX的轉(zhuǎn)化率，從而監(jiān)測(cè)催化劑的狀態(tài)。然而，如上所述，由于輕型車和重型車之間的差異，直接使用輕型車上的NOX傳感器來監(jiān)測(cè)NOX的轉(zhuǎn)化效率仍然是困難的。理論上，如果在SCR系統(tǒng)中存在氨水，則應(yīng)該沒有NOX，

50、因?yàn)榘彼畬OX還原成氮?dú)夂退?。而NOX傳感器對(duì)氨水的響應(yīng)和對(duì)NOX的響應(yīng)是一樣的，無(wú)法判斷系統(tǒng)中存在氨水還是NOX，從而造成SCR車載診斷對(duì)NOX的偏差。因此，針對(duì)重型車輛SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)開發(fā)新的傳感器，將NH3橫向敏感性對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響降至最低。Lothar Hofmann等人研究了NH3泄漏對(duì)NOX傳感器的影響18。研究人員通過調(diào)整尿素定量給料系統(tǒng)的比值，使尾氣中出現(xiàn)過量的NH3，研究了這種情況下NOX傳感器的信號(hào)變化。實(shí)驗(yàn)表明，NH3泄漏對(duì)NOX傳感器信號(hào)有很大影響。廢氣中NH3的存在對(duì)信號(hào)有很大的影響，因此NOX傳感器的應(yīng)用受到一定程度的影響。在歐IV排放階段，只有SCR系統(tǒng)

51、的開環(huán)控制才能達(dá)到排放法規(guī)規(guī)定的限值。此時(shí)SCR系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化效率控制在65%左右。目前，為了滿足更嚴(yán)格的歐V、歐VI和EPA10排放限值，國(guó)外傾向于使用NH3傳感器來實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的閉環(huán)控制。6.4 NH3傳感器為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，SCR的轉(zhuǎn)化效率應(yīng)該盡可能高。此外，還應(yīng)注意汽車尾氣中NH3的泄漏。當(dāng)尿素用作還原劑時(shí)，主要成分是NH3。車輛的尾氣溫度可能從怠速時(shí)的100變化到滿載時(shí)的650，因此不同工況下需要噴射的還原劑的量差別很大，NH3對(duì)催化劑的吸附能力會(huì)隨著溫度的升高而降低，容易導(dǎo)致NH3泄漏19。應(yīng)該盡可能地控制泄漏，優(yōu)化尿素噴射的控制策略是最直接的解決方法。SCR系統(tǒng)的

52、閉環(huán)控制可以減少尿素定量給料的不準(zhǔn)確性和催化劑的老化，使SCR系統(tǒng)滿足生產(chǎn)一致性和使用合規(guī)性的要求。因此，在控制尿素噴射時(shí)，不僅要針對(duì)廢氣中的NOX調(diào)節(jié)尿素的噴射量，還應(yīng)考慮催化劑活性的影響。要實(shí)現(xiàn)這一系列功能，采用NH3傳感器對(duì)SCR系統(tǒng)中的尿素定量進(jìn)行閉環(huán)控制是目前最好的解決方案。國(guó)外研究人員利用NH3傳感器對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。TNO公司的Willems等人研究了不同控制策略下SCR系統(tǒng)的性能20。研究人員研究了一般開環(huán)控制、基于催化器前后NOX傳感器的閉環(huán)控制以及基于NH3傳感器的閉環(huán)控制三種控制策略下SCR系統(tǒng)的工作特性。結(jié)果表明，常規(guī)開環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)較高的NOX轉(zhuǎn)化效

53、率，但不能有效監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的NOX轉(zhuǎn)化。在使用NOX傳感器的控制策略中，獲得了比第一種控制策略更好的結(jié)果，第一種控制策略可以監(jiān)測(cè)NOX的轉(zhuǎn)化效率，但是發(fā)現(xiàn)NH3對(duì)NOX傳感器有很大的影響。盡管研究人員已經(jīng)通過使用校正措施來調(diào)整NOX傳感器的NH3橫向靈敏度，以使其更好地工作，但是這種現(xiàn)象仍然限制了這種控制策略的使用。與前兩種方法相比，NH3傳感器的閉環(huán)控制效果最好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略具有最高的NOX轉(zhuǎn)化效率和最佳的NH3泄漏控制。D.Y.Wang和德爾福的其他人已經(jīng)測(cè)試了他們公司生產(chǎn)的NH3傳感器21。NH3傳感器基于電化學(xué)原理工作?；谶@一原理的NH3傳感器目前廣泛應(yīng)用于車輛中。這類傳感

54、器制造成本經(jīng)濟(jì)，耐久性好，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能承受柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的惡劣工作環(huán)境。傳感器工作時(shí)，如果感應(yīng)到NH3的存在，就會(huì)輸出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與氨濃度的對(duì)數(shù)值成線性比例關(guān)系。該信號(hào)將反饋給SCR系統(tǒng)的加藥單元控制器，控制器將相應(yīng)地調(diào)節(jié)尿素的供應(yīng)量。柴油機(jī)試驗(yàn)證明，NH3傳感器能夠在預(yù)期的工作環(huán)境下有效工作，具有良好的可靠性。此外，對(duì)基于NH3傳感器和NOX傳感器的控制策略進(jìn)行了比較。發(fā)現(xiàn)基于NOX傳感器的控制系統(tǒng)在控制NH3泄漏方面明顯不如基于NH3傳感器的控制策略。此外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)受影響較大，NOX轉(zhuǎn)化效率明顯下降，導(dǎo)致這類控制策略的使用受到限制。此外，德爾福公司的

55、Andrew Herman等人也研究了不同試驗(yàn)條件下基于NH3傳感器的SCR控制策略22。研究人員已經(jīng)在FTP和ESC測(cè)試循環(huán)下驗(yàn)證了這種控制策略在NOX轉(zhuǎn)化效率和NH3泄漏控制方面的優(yōu)勢(shì)。此外，研究人員還進(jìn)行了更深入的研究，以驗(yàn)證將NH3傳感器應(yīng)用于OBD系統(tǒng)的可行性。研究表明，在SCR催化劑中間加載NH3傳感器可以加強(qiáng)對(duì)SCR催化劑老化的監(jiān)測(cè)。指出今后的研究方向是研究NH3傳感器檢測(cè)到的信號(hào)與SCR催化劑老化的NOX轉(zhuǎn)化效率之間的關(guān)系。6.5尿素傳感器理論上，SCR系統(tǒng)應(yīng)該監(jiān)控噴射到廢氣中的空氣/尿素混合物的參數(shù)，包括混合物的流速和混合物中尿素的質(zhì)量。然而，目前還沒有有效的措施來精確地測(cè)量

56、混合物中尿素在尿素噴射點(diǎn)的質(zhì)量?？紤]到這些限制，監(jiān)控SCR系統(tǒng)的解決方案是將注入廢氣的尿素的理論期望質(zhì)量(信號(hào)指令)與尿素箱的容積變化(實(shí)際情況)進(jìn)行比較，并在合理的時(shí)間檢查系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障23。SCR系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法需要準(zhǔn)確測(cè)量噴入廢氣的尿素理論量(信號(hào)指令)和尿素箱的容積變化數(shù)(實(shí)際情況)。精確的配料控制可以使系統(tǒng)精確地測(cè)量所需的尿素質(zhì)量?？紤]到診斷時(shí)間的需要、尿素箱設(shè)計(jì)的多樣性以及車輛行駛過程中箱體的晃動(dòng)，很難準(zhǔn)確測(cè)量尿素箱的容積變化。為了檢測(cè)SCR系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的故障特性，需要一個(gè)高精度的傳感器，但僅靠這個(gè)傳感器是無(wú)法測(cè)量體積變化的。一般來說，即使是精度很高的傳感器也只能讀取液位，體積

57、變化是由尿素的液位和尿素罐的橫截面決定的。一般來說，尿素罐的設(shè)計(jì)會(huì)適應(yīng)周圍部件的空間布置。因此，非標(biāo)準(zhǔn)截面的尿素罐在實(shí)際情況中是常見的。因此，為了適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)情況下的儲(chǔ)罐橫截面，需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。6.6系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能需求分析診斷部分是該系統(tǒng)的核心。不同發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)下的具體診斷策略可能不同，但一般包括功能診斷、OBD排放限值診斷(OTLS)、ECU自診斷和智能診斷。就SCR系統(tǒng)的OBD結(jié)構(gòu)而言，診斷功能主要包括:SCR催化劑效率診斷、尿素箱故障診斷、給料單元故障診斷、NOX傳感器相關(guān)故障診斷和控制單元DCU故障診斷。6 . 6 . 1 SCR催化劑的故障診斷對(duì)于SCR催化轉(zhuǎn)化器的診斷

58、，催化轉(zhuǎn)化器在使用過程中會(huì)逐漸老化，或者由于使用不當(dāng)導(dǎo)致尾氣處理效率變低。此時(shí)，通過比較催化轉(zhuǎn)化器前后由NOX傳感器檢測(cè)到的NOX值，可以推斷出催化轉(zhuǎn)化器是否已經(jīng)劣化。如果其他模塊工作正常，但NOx值沒有明顯下降，說明催化轉(zhuǎn)化器失效。6.6.2尿素罐容器的故障診斷尿素罐容器的作用是儲(chǔ)存尿素溶液，監(jiān)測(cè)尿素質(zhì)量、尿素液位和尿素罐溫度，并加熱和保溫尿素溶液。尿素罐式集裝箱由罐體、加熱器、液位傳感器、溫度傳感器和尿素質(zhì)量傳感器組成。汽車啟動(dòng)時(shí)，尿素罐容器將尿素加熱到規(guī)定值，并一直保持這個(gè)溫度。每個(gè)傳感器電路將監(jiān)測(cè)值傳輸?shù)紻CU，以動(dòng)態(tài)顯示尿素水平。在尿素箱的監(jiān)控中，尿素在SCR系統(tǒng)中起反應(yīng)物的作用，尿

59、素的質(zhì)量、溫度和容量是非常重要的技術(shù)參數(shù)。OBD主要通過監(jiān)測(cè)尿素箱的溫度傳感器、尿素加熱器、尿素液位傳感器等的工作狀態(tài)來監(jiān)測(cè)尿素箱。(包括尿素水平太低、尿素質(zhì)量下降、尿素耗盡導(dǎo)致傳感器短路、斷路等。).6.6.3給料單元故障診斷供料單元的功能是供應(yīng)尿素和空氣，并為尿素噴射提供具有一定壓力的反應(yīng)物。加料裝置由尿素泵、氣閥、過濾器、電動(dòng)噴嘴、壓力傳感器等組成。供料單元的工作過程是將空氣和尿素溶液混合霧化，并將尿素溶液定量噴向排氣管。OBD通過監(jiān)測(cè)尿素每次噴射的消耗量、反應(yīng)物的壓力、噴射效果來綜合判斷給料單元，從而診斷尿素泵是否工作正常、過濾裝置、電動(dòng)噴嘴是否堵塞等。6.6.4控制單元DCU的故障診

60、斷DCU的功能是控制反應(yīng)物的定量噴射和自診斷DCU。它由相關(guān)的電子元件和電路組成?？刂茊卧狣CU故障診斷的工作過程是，DCU上電后，在DCU初始化過程中完成自診斷。根據(jù)相應(yīng)的功能，診斷DCU的幾個(gè)模塊，包括CAN通信模塊、存儲(chǔ)器模塊、A/D模塊等。6.6.5與NOx傳感器相關(guān)的診斷NOX傳感器的主要作用是監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中的NOX含量是否超標(biāo)，為SCR催化劑的故障診斷提供分析數(shù)據(jù)。NOX傳感器的相關(guān)部分包括傳感器本身和傳感器電路。NOX傳感器相關(guān)診斷的工作流程是:傳感器上電后，自行診斷。在確認(rèn)工作正常后，傳感器將監(jiān)測(cè)到的信息通過相應(yīng)的電路傳輸?shù)紻CU進(jìn)行進(jìn)一步的處理。OBD不僅需要對(duì)傳感器本身