车用柴油机SCR技术现状及应用前景分析(6)

原剂流量控制策略。 4.1 稳态喷射控制策略

调整柴油机，优化缸内燃烧，尽量使PM达到排放法规要求。在此条件下，测量发动机全工况下，排气温度，排气流量及其对应的NOX排放量等参量。根据化学反应方程式（3）～（4）计算还原剂喷射量，尿素溶液的质量分数为32.5%，1moL的尿素可生成2moL的氨气，1moL的氨气可以还1moLNOx。

图11 SCR系统稳态控制策略

4.2 瞬态排放修正策略

瞬态修正策略是建立在稳态喷射控制之上的。 4.2.1 储氨修正

SCR系统的催化器通常具有一定的NH3储存能力，对于给定的催化器，排气温度是影响其储氨能力的主要因素。排气温度高时，催化器的储氨能力弱，当发动机从低排温工况瞬间过渡到高排温工况时，储存的NH3会释放出来，可能导致NH3过量从而出现NH3的滑失；而在排气温度低时，催化器的储氨能力强，当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时，由于NH3大量储存在催化器中，会降低NOX的转化效率。因此，在制定尿素

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流量控制策略时还需要考虑催化器对NH3的储存作用。 4.2.2 排气温度修正

在稳态控制模型中，只考虑了发动机系统各参数，如转速、扭矩、催化器温度等均达到稳定的情形，但是在实际使用中，由于催化器具有容热容性，当发动机从一个工况过渡到另一个工况时，催化器的床温有一段时间的延时。当发动机从低排温工况瞬间过渡到高排温工况时，催化剂的活性未变强，喷入的尿素水溶液在低排温环境下会生成氨盐覆盖在催化剂表面或者存储在催化器内。随着催化剂床温的逐步升高，催化剂内部吸附的氨气会大量逸出，氨盐也发生热解反应释放出氨气，此时氨气的量往往会超出理论需求量，在催化器出口以滑失的形式排出。当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时，催化器的床温通常温度较高，催化器的转化效率也较高。如果能根据催化器的实时温度适当加大尿素水溶的流量，就可以提高NOX的转化效率。当发动机工况发生变化时，让喷射量在一段时间内缓慢发生变化，以适应催化器温度变化规律。使NOX的转化效率达到较高的水平，同时也降低了NH3的泄漏。 4.3 SCR系统的控制策略展望

上面获得的控制策略，是以发动机的转速、扭矩和排气温度为基本控制量，即通过发动机的转速、扭矩和排气温度变化控制还原剂流量的改变的。这是一种开环控制。当环境条件发生改变，发动机的转速、扭矩、排气温度和排气流量与NOX排放量的对应关系通常会发生偏离。今后SCR势必朝着闭环控制方向发展。闭环控制必须要有可靠高精度的NOX传感器。因此，NOX传感器的发展也与SCR系统的密切相关。SCR系统采用的是质量浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂。32.5%浓度的尿素水溶液的最低冻点只有-11℃。因此在严寒地区使用SCR系统必须考虑尿素水溶液结冰问题。目前有电加热和用冷却水加热尿素水溶液，但这两种方案均不节能。发展一种高效的熔冰设备也是发展SCR系统的当务之急。

5 国外SCR运用实例

为了满足日趋严格的排放法规,国外许多汽车及发动机制造商已经开始把SCR技术运用到产品上,也就意味着SCR开始进入实用阶段。 5.1 康明斯集成式排放控制(IEM)系统

针对计划于2005年10月实施的欧Ⅳ标准,康明斯将采用集成式排放控制系统IEM技术,即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起,实现“从进气到排气”的全过程控制。

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为了有效地控制排放,康明斯IEM采用了高效的SCR,并由电控模块对其进行控制。

电控系统能够根据发动机的实时工作状况,准确地将适量的催化剂(尿素溶液)喷入SCR装置前端的排气气流中。这个过程将产生催化反应,从尿素溶液中释放出NH3,对排气中的NOX进行还原,从而有效地减少发动机的排放。电控系统还可根据发动机的燃油喷射、缸内燃烧和进气状况,对SCR催化转化器进行同步控制。为了确保车辆运行中SCR系统工作正常,康明斯IEM带有一个全自动的车载排放诊断系统(OBD),驾驶员可以通过驾驶室中的仪表或指示灯随时了解SCR系统的运行情况。车载排放诊断系统可以提醒驾驶员及时加注尿素溶液,按时对SCR系统进行保养。在SCR系统工作过程中,尿素溶液以燃油消耗量5%的比例喷入排气气流中。根据车辆的不同类型和使用情况,车辆上安装的尿素溶液储存罐与燃油油箱的容积比通常为1∶1,2∶1或3∶1。

在欧洲,环保部门已经开始在商用车上推广使用SCR系统,用户可以方便地购买和使用尿素溶液,确保车辆排放满足欧Ⅳ标准。车辆使用康明斯IEM系统后,燃油经济性的提升将抵消使用尿素溶液增加的成本。尿素溶液的喷射由康明斯电控系统精确控制,可以完全消除尿素溶液的泄漏和产生的气味。 5.2 格伦德福斯—托普索尿素SCR系统

丹麦格伦德福斯公司和托普索科技公司合作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化器。该装置可节省4%的耗油量,将对人体有害的纳米级PM排放量减半,并降低NOX和烃的排放量,减少柴油燃烧时产生的异味。格伦德福斯公司作为泵和电子控制系统的供应商与催化剂的研制者托普索公司进行了战略伙伴合作,开发出了这套系统。格伦福德斯公司估计至2010年,这一装置在全球市场的销售总额将达到800亿丹麦克朗(约合96亿美元)。

这套尿素SCR系统能够有效地消除大部分的NOX和未燃HC及柴油机排气中那些危害人类健康的物质。柴油难闻的气味主要是它的成分中有未燃烃,将未燃烃去除,柴油车的工作环境将得到很大的改善。SCR系统基本由尿素储存罐、尿素喷射系统和催化器组成。通过向汽车排出的气体喷入尿素,尿素分解为NH3来去除NOX。NOX与NH3反应在催化剂的表面生成没有危害的气体N2和水蒸汽。HC和PM被留在催化器上,但不会与喷射的尿素混在一起。喷射的尿素是质量分数为32.5%的溶液,用手接触是很安全的,不会对环境造成污染。

5.3 戴克商用车采用尿素SCR触媒技术

戴姆勒—克莱斯勒公司日前宣布,为了使配备柴油机的商用车符合欧Ⅳ及欧Ⅴ排放标准,采用了使用尿素的SCR法。该公司将于2005年上半年在卡车及大巴中采用SCR法,

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在2006年10月符合欧Ⅳ标准前,开始阶段性地支持欧Ⅳ标准。该公司今后还将继续开发SCR技术,以尽早达到欧Ⅴ标准的要求。SCR法采用在尾气中喷射质量含量为32.5%符合DIN70070标准的雾状尿素水溶液“Ad2Blue”方法,将NOX还原成N2及H2O。尿素消耗量约为柴油消耗的6 %。长途运输的卡车,2L尿素可行驶100km,如配有100L的燃料罐,补充一次尿素可行驶5000km。据报道,配备SCR系统的维修成本等不会增加,无需使用低S柴油燃料。在商用车上采用尿素SCR系统时,必须进行小型化设计,以便配备触媒及尿素罐;还必须完善补给尿素的基础设施。SCR系统的设计始于20世纪80年代,目前已在商用车进行了SCR系统的安装试验;尿素基础设施方面,也已开始在加油站进行试验性供给。目前,为在SCR系统投入实际使用之前完善基础设施,该公司正在与AdBlue厂商共同建设补给站。

5.4 梅塞德斯—奔驰

为了达到2007年施行的EPA最新的环保法规,世界汽车知名制造商梅塞德斯—奔驰公司也已经把SCR这种后处理技术运用到他们生产的柴油车中,并考虑把这一系统配置到部分的商务车中。

6 国外重型柴油车SCR车载诊断OBD

6.1 SCR系统OBD功能模块结构

由于重型柴油车排放水平较差，普遍行驶里程较大及使用频率较高，加上目前全球发动机电控技术的不断普及以及发动机排放控制技术电控程度的提升，使得在重型柴油车上加装OBD系统成为必然趋势。

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