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EGR系统和SCR系统讲解

2009-06-12 03:35:00 痛了☆谁来疼
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痛了☆谁来疼

做一个帅气的卡友很累,这点我真的深有体会。

    排气中的主要成分是惰性气体N2和CO2,一部分排气经EGR阀流回进气系统,与新鲜混合气混合后稀释了新鲜混合气中的氧的浓度(但很少改变过量空气系数)。

    CO2的热容量是O2的1.5倍左右,废气成分较多的混合气热容量也较高;由于一部分空气被废气所取代,混合气中O2的含量就相应降低;以上两种效应使得柴油机的燃烧速度降低,增加了燃烧时的散热,降低了最高燃烧温度。

    EGR可有效地降低NOx排放,随着EGR率的增加,NOx排放大幅度下降,NO2的排放增加有可能达到50%(NO2在高温状态下与O2发生反应形成O3,是直接导致温室效应的因素之一),同时,缸内较低的氧气浓度将会增加颗粒物的排放,并使发动机的排气烟度增加,但在中小负荷时烟度值比较小,而大负荷时会使柴油机的排气烟度增大,这就给全面、有效地控制NOx和PM排放带来了困难。这就是在所谓PM和NOx的互逆性。所以为达到更高排放限值,EGR率一般控制在15%以内,同时还需要配合使用DPF微粒捕集器。

    增压柴油机采用EGR后,可以降低进气中的氧含量,降低燃烧放热率的峰值,降低燃烧的最高温度,从而降低NOx的排放。由于废气的温度较高,进入气缸的充量温度将会升高,燃烧温度升高。为了有效降低NOx的排放,可以对EGR进行冷却。对EGR进行冷却可以降低燃烧初期的压力升高率和峰值压力。低的EGR温度可以延长燃烧滞燃期,增大预混合燃烧的比例,缩短燃烧持续期,降低最高燃烧温度,从而降低NOx的排放,同时可以降低炭烟的排放,提高燃油经济性。

    但由于废气中水蒸气的含量较空气高,并且含有少量的硫化物,过低的EGR温度一方面会导致水蒸气和硫化物的凝结,造成气缸壁的腐蚀和磨损。另一方面会导致EGR冷却器尺寸增大,成本增加。

    随着EGR温度的降低,烟度的排放降低。根据燃烧放热规律,高的EGR温度使预混合燃烧的比例降低,扩散燃烧的份额增加,并且使燃烧持续期变长。柴油机的炭烟主要产生于扩散燃烧阶段,扩散燃烧份额的增加,会增加烟度的排放。燃烧持续期的增加,使得扩散燃烧的结束较较低的EGR温度时晚。由于扩散燃烧发生在活塞下行的过程中,此时缸内的温度下降,燃烧持续期越长,越不利于炭烟的氧化,使烟度增加。

    另外,高的EGR温度使进气充量的温度升高,从而导致整个燃烧过程的温度升高,这可以使滞燃期和燃烧过程中燃油的雾化加快。温度的升高使得进气的粘度增大,雾化的燃油不易与进气掺混,容易形成局部富油区。局部富油和高的燃烧温度加速了燃油的裂解,且不易被氧化,导致炭烟排放增加。所以目前对EGR的冷却应保持在400K(133℃左右)。为了保证正常的EGR温度,散热效率要提高30%,在长途运输的车辆上必须装配大流量、高效的冷却系统。这对于中国目前平头载重车驾驶室设计来讲,是个严重的考验!

    12.柴油燃料的改进——提高十六烷值、降低含硫量、降低芳香烃含量(ULSD)

    13.清洁燃料的应用(生物柴油)

    14.均匀充量压缩燃烧(HCCI)技术(Homogeneous Charge Compression Ignition)

EGR系统和SCR系统讲解

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    在HCCI燃烧方式下柴油和空气在燃烧开始前已充分混合,形成均质预混合气。混合气被活塞压缩并发生自燃,并呈分布均匀、稀混合的低温、快速燃烧,从根本上消除了产生NOx的局部高温区和产生PM的过浓混合区。柴油HCCI燃烧方式的研究始于上实际90年代中期。目前国际上,以柴油为燃料的HCCI发动机的开发逐渐受到重视,这主要有以下几方面原因:

    (1)柴油机可靠性更高,维护成本低。

    (2)燃料的继承性好。商用车、重型载重车量、大型工程机械均是以柴油机作为动力,柴油HCCI发动机仍然能够继续利用现有的加油和服务设施。

    (3)经济性好。目前的计数还无法实现柴油机全工况的HCCI燃烧过程,从实用化角度出发,必然要双模式运行方案,即在中低负荷,采用HCCI燃烧过程,在高负荷,仍然采用传统的燃烧方式,能够采用传统的最佳的发动机经济性能。

    此外,传统的柴油机只依靠机内净化技术已不能满足要求,必须采用新的处理技术,如DeNOx催化装置和微粒捕集器。但是在柴油机的中低负荷,排气温度难以满足后处理装置的实用要求,且使用后处理装置后,还会带来经济性恶化、成本上升以及可靠性等问题。采用HCCI燃烧技术,则可以解决上述矛盾。

    但是,实现实用化的柴油机HCCI燃烧决非易事,主要面临两方面的困难:一是柴油粘度大,挥发性差,形成预混合均质混合器困难;二是柴油作为高十六烷值燃料,容易发生低温自燃反应,均质预混合器的燃烧速率控制困难,易造成粗暴燃烧。

    15.微粒捕集器(DPF)——过滤效率可达60%~90%以上

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    虽然过滤效率高,但是如果不通过滤清器再生来清除滤清器壁上沉积的微粒,这些微粒最终将阻塞滤清器。如果发动机在高负荷下运转,那么排气温度可能足以燃烧这些微粒。在柴油机微粒滤清器上游添加“柴油机氧化型催化器”(DOC)可以提高再生过程的效率,这将进一步降低碳氢化合物排放。这种柴油机氧化型催化器通常由具有贵金属(例如白金)涂层的载体构成。

    如果发动机在低负荷下运转(例如用于市区行驶的车辆或短距离运输车辆),排气温度通常不足以启动再生过程,因此需要热管理来提高排气温度。这种为了“安全再生”的热管理形式包括进气节流阀、通过排气制动阀增加排气背压或者“延迟后喷射”(通过喷射系统或者通过燃油定量喷射装置),或者是上述方法的组合。延迟后喷射将在排气中产生更多的碳氢化合物,这些碳氢化合物将由柴油机氧化型催化器进行转化,从而提高柴油机微粒滤清器上游的气体温度。所有这些措施将会不同程度地导致燃油消耗量增加。为了避免滤清器阻塞,系统必须通过柴油机微粒滤清器的压差以及进气温度来进行控制。

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    此外,这些有贵金属涂层的各种微粒后处理系统的缺点在于它们不仅仅转化碳氢化合物,而且在排气含有硫的情况中也将硫转化为硫酸盐。硫酸盐是规定微粒(PM)的组成部分。只有在燃油的含硫量低于20ppm时才可能达到欧IV/V的微粒排放限值(假设发动机的微粒排放不超过0.01g/kWh且不包括燃油所含的硫)。

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    在使用欧III标准的燃油(燃油的含硫量可达350ppm)或者油品更差的燃油时必须避免运行微粒滤清器系统,这不仅因为达不到微粒排放限值,而且因为系统受损的风险。发动机可以免遭由排气再循环系统所产生硫酸的腐蚀(例如使用特殊材料涂层的进气歧管、进气门、活塞环和缸套),但是柴油机微粒滤清器再生将被硫酸盐钝化,并且滤清器将被不可逆转地阻塞。因背压升高,发动机燃油消耗率增加;因排气再循环系统的特性导致排放甚至比不装DPF更差。因此,装备柴油机微粒滤清器的车辆只能使用最低为欧IV标准的燃油。

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