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EGR系统和SCR系统讲解

2009-06-11 16:16:00 呆桃奶赞
卡车之家
呆桃奶赞

做一个帅气的卡友很累,这点我真的深有体会。

    SCR系统通过还原剂把氮氧化物转化为N2和O2,一般是选择尿素水溶液作为还原剂。尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中,在废气温度和气流作用下气化分解为CO2和氨水,氨水作为还原剂将NOx还原为无污染的氮气和水。SCR降低氮氧化物催化反应式(T>160°C):

EGR系统和SCR系统讲解

    H2N-CO-NH2+H2O->2NH3+CO2

    NOx反应式:

    4NO+4NH3+O2->4N2+6H2O

    6NO2+8NH3->7N2+12H2O

    SCR的一个最大的特点是发动机的内部燃烧允许最大优化方案,就是说尽可能的让柴油在较高温度下富氧充分燃烧,这样产生的NOX虽然含量较高但是PM的含量会较大幅度的降低,通过SCR的催化还原效应,可以使尾气的NO2含量大幅度降低(减少温室效应)。

    选择性催化还原的效率取决于气体温度:如果在200-500°C的温度范围内工作,氮氧化合物到氮和水的转化率可达85%,这种条件基本上就是实际车辆运行的条件通过内部优化燃烧,燃油所含的硫只有极少部分转化为微粒,典型的转化率是1.5%。即使含硫量为350ppm时(即欧III燃油),也能够满足欧IV/V微粒排放限值这意味着,在市场推广阶段,如果欧IV燃油供应未能覆盖全国时,这种车辆也可以行驶于城市之间和国家之间。

    为了早日与世界接轨,我国正积极地实施更为严格的排放法规,特别是制定了中重型柴油车的排放标准,其实施步骤是:2007年初引进欧Ⅲ标准,2010年引进欧Ⅳ标准,至于欧Ⅴ标准何时引进还未确定。

    目前国内采用的降低排放的主要措施是在发动机方面提高燃油的喷射压力(高压共轨、泵喷嘴、单体泵)、增压中冷、改进燃烧室形状(活塞凹腔形状),采用废气再循环(EGR)等。为了适应新短期排放法规,又需要增加了DOC氧化催化转换器以降低PM的排放。为了适应更加严格的新长期排放法规还必须采用尿素SCR(SelectiveCatalyticReduction)即选择还原型NOx催化转换器以降低NOx排放,并且采用柴油微粒捕集器(DPF,DieselParticulateFilter)以减少PM排放。就是说,为了达到全工况排放要求,除了改进发动机燃烧工况和性能,也必须采用旨在减少NOX,与PM的后处理装置。

    但是换种角度想想,既然国Ⅲ排放要求只是对NOx和PM指标有规定,那如果还是用欧Ⅱ排放的非电控柴油发动机,同时采用清洁柴油或生物柴油和后处理(SCR)的话,应该也可以达到国Ⅲ的排放要求。当然如果想提高排放标准的话,就需要有ECU参与发动机的整体控制。

    关于发动机供油系(电控高压共轨、单体泵、组合泵、电控预行程)的文章,我们将在下几期给大家介绍,这次我们把重点放在尾气处理上面!

    从技术层面上看无非是减少发动机本身产生的排放物(机内净化)和对已经产生的排放物进行处理(机外净化)这样两个办法来实现减排。

    以柴油发动机为例,排放物中的NOx和PM处于一种平衡(互逆)关系。NOx主要是在燃烧过程中,空气中78%含量的氮气在高温下转化成NOx,温度低于1600℃时不明显,而高于此温度时NOx将迅速增加,而高温将有利于减少PM的形成,因此,在各种减排技术当中针对这两种物质进行有所侧重的处理。

EGR系统和SCR系统讲解

    对于(EGR)废气再循环来说,一部分废气取自排气歧管,在EGR冷却器中冷却后再混入进气中。EGR总的废气流量由EGR阀门控制。将废气与进气混合可以降低缸内氧气浓度,并且废气的热容度要比O2大,从而在燃烧过程中降低气体的最高温度同时降低氮氧化物的排放。但是同时由于燃烧相对不完全且因缸内O2的含量降低后,PM的排放随着EGR率的增大极具增大。

    此外,目前中国的燃油中S的含量基本是大于500ppm,当EGR率高时,会出现燃油和润滑油中的硫在参与燃烧后形成的SOx与水蒸气会形成酸性腐蚀物,对EGR管路和发动机内的金属结构出现较为严重的腐蚀磨损。因此EGR发动机的换油周期相对与其他尾气后处理系统来讲要短的多(即使加上DPF尾气处理系统)!

EGR系统和SCR系统讲解

    所以国际上对EGR发动机的排放控制都有控制策略

    1)由于NOx排放量随负荷增大而增大,因此废气回流量应随负荷而增大。

    2)暖机过程中,冷却水温度和进气温度均较低,NOx排放不高。为防止废气回流破坏燃烧的稳定性,一般在发动机冷却水温度低于50oC时,不进行EGR。

    3)怠速和小负荷时,NOx排放也不高,也不进行EGR。

    4)接近全负荷时,为保证发动机保持足够的动力性能,即使NOx排放很高,也不允许进行EGR。

    5)必须使用含硫量低于50ppm的清洁柴油及高级的低磷、低硫、低灰份合成机油。

    因此,普通EGR技术只能在中等负荷时使用,一般最大的EGR率不超过20%。此外,要保证再循环的废气在各缸之间分配均匀。

    目前国内重型卡车发动机生产厂在国Ⅲ排放要求下,发动机的尾气后处理方式各有不同,同时掌握EGR和SCR技术的只有康明斯,而最近闹腾的沸沸扬扬的重汽EGR发动机实际上是采用电控预行程直列泵+高压(冷却)EGR系统,而并未添加其他的尾气处理系统,如下图:

EGR系统和SCR系统讲解

EGR系统和SCR系统讲解

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    重汽的EGR发动机采用4气门+8孔喷油器中置+电控H泵,这条线路也就意味着虽然可以优化油泵的供油曲线、供油速率,但是由于喷油器的喷油压力不可调,无法实现多次缸内喷射,而且因存在联轴器也就意味着供油时间存在差别性,这些将直接导致PM、NOx不可能在机内通过优化燃烧来降低,虽然采用EGR可以大大降低NOx的含量,但是EGR的负面效应是完全暴露了,在没有加后处理设备的情况下,发动机只是在运行状态的某一时段排放达标,而全工况EGR发动机会导致PM排放超标(尤其是中国目前的高硫柴油),同时还会导致发动机的耐用度和机油更换周期变差。

发动机机油后处理/车用尿素