理论教育 汽车尿素喷射技术降低汽车排放

汽车尿素喷射技术降低汽车排放

时间:2023-06-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:电控单元采集柴油机的转速、转矩、排气温度和NOx排放等信号,按照控制策略发出需求的尿素水溶液流量的控制指令,驱动电路驱动计量阀动作,尿素水溶液与雾化空气混合经喷雾器进入排气管。SCR技术是一种能有效降低车用柴油机NOx排放的机外控制措施,在国外已经进入实用阶段。

汽车尿素喷射技术降低汽车排放

燃油蒸发控制装置(Fuel Evaporation Control Device)

将燃油箱化油器浮子室中的汽油蒸气收集和储存在炭罐内,在发动机工作时再将其送入气缸烧掉。

曲轴箱强制通风装置(Positive Crankcase Ventilation Device)

采用PCV(Positive Crankcase Ventilation)阀,将燃烧室窜入曲轴箱的油气混合气、已燃气体和曲轴箱内的润滑油蒸气一起吸入气缸烧掉。

废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation,EGR)

从发动机排气中,引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机气缸内参与燃烧,既可降低气缸内的燃烧温度,又能有效控制高温富氧条件下NOx的生成,从而大大降低发动机废气中NOx含量。电控EGR系统由发动机ECU进行控制,ECU通过进气温度传感器、进气压力传感器、冷却液温度传感器、发动机转速传感器、加速踏板位置传感器以及车辆制动信号,来感知发动机的各种状态,从而控制EGR控制阀的开度和废气再循环比率。

柴油机EGR可以分为外部EGR方式与内置EGR方式。外部EGR又可分为低压回路方式和高压回路方式。

三元催化转化器(Three Element Catalytic Converter)

三元催化是指将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。三元催化转化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料,安装在特制的排气管当中。称它是载体,是因为它本身并不参加催化反应,而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属。它是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置。

选择性非催化还原(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)

选择性非催化还原技术是一种成熟的商业性NOx控制处理技术。SNCR方法主要使用含氮的药剂在870~1200℃喷入含NO的燃烧产物中,在不需要催化剂的情况下发生还原反应,脱除NO,生成氮气和水。由于在一定温度范围有氧气的情况下,含氮药剂对NOx的还原在所有其他的化学反应中占主导地位,表现出选择性,因此称之为选择性非催化还原。

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)

选择性催化还原方法是在含有NOx的尾气中喷入氨、尿素或者其他含氮化合物,使其中的NOx还原成N2和水。还原反应在较低的温度范围(315~400℃)内进行,需要催化剂,因此称之为选择性催化还原。

SCR装置依据氮氧还原基本原理,将尿素与水以适当比例混合,喷入废气中,能将废气中的NOx还原成N2和水。其化学反应方程式如下:

CO(NH2)2+2H2O→2NH3+CO2+H2O

SCR标准反应方程式:

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

快速SCR反应方程式:

2NH3+NO2+NO→2N2+3H2O

在高温环境中(温度高于300℃),再加上催化剂的作用,NOx能迅速与氨气反应,生成氮气和水。而柴油机的排气温度一般在300~500℃的范围内,满足了NOx还原所需的温度条件。

SCR系统主要由SCR催化转化器、电控单元、尿素罐、尿素泵(尿素溶液供给模块)、计量模块、喷雾器及各种传感器组成。该系统采用的是压缩空气辅助喷射系统。工作时,一路空气供给喷雾器,起雾化尿素水溶液的作用;另一路空气供给尿素泵,控制尿素水溶液回流量的大小。首先尿素泵起动,在计量阀模块的进口处建立起具有一定压力的尿素水溶液待用。电控单元采集柴油机的转速、转矩、排气温度和NOx排放等信号,按照控制策略发出需求的尿素水溶液流量的控制指令,驱动电路驱动计量阀动作,尿素水溶液与雾化空气混合经喷雾器进入排气管。尿素水溶液喷入排气管后,首先在高温及催化剂作用下发生热解和水解反应生成氨气,然后氨气进入SCR催化器,在催化剂作用下将NOx还原,生成氮气和水,随排气排入大气。

SCR技术是一种能有效降低车用柴油机NOx排放的机外控制措施,在国外已经进入实用阶段。但是,由于SCR技术受到温度、柴油品质、PM等诸多因素的影响,单纯使用SCR技术很难达到令人满意的排放效果,因此产生了基于SCR技术的新技术,它能有效地控制排放。与单纯地使用SCR技术相比,下列三种技术具有一定的优势。

●Blue Tech技术:将NSC与SCR技术结合,能使催化剂在不同温度下都保持较高的活性,避免了温度对催化剂活性的影响,使发动机在各种工况下,都能有效地降低排放。

●不同催化剂组合技术:根据催化剂的不同性能对催化进行组合,使废气在不同的阶段得到有效的控制,而且不会产生催化剂中毒的现象,对于燃油的品质要求也不是特别得高。

●低温等离子技术:采用等离子技术使废气中的HC被氧化,并与废气中的NOx反应(主要是NO)生成NO2,然后在催化剂的作用下NO2转化为N2。该技术耗能少,不需要其他添加剂,(www.daowen.com)

不会产生二次污染。

Bule Tech技术

由于不同工况下,柴油机的空燃比(A/F)不同,所以废气中NOx中NO2和NO的含量不同,而且排气温度也不一样。SCR技术对于较高温度(>350℃)、NO2含量较高的废气有较好的选择还原性,也就是说,在发动机正常工况下能够有效地减少NOx的排放。但是,在稀燃条件下,废气中NO2含量较低,排气温度也低,如起步、怠速时,单纯使用SCR很难达到令人满意的效果。NSC(NOxStorage Catalyst)技术最早由丰田公司提出,该技术对稀燃或稀/富燃频繁转换模式下的汽油机具有明显减少NOx排放的效果,但是,由于柴油机排气温度较高,NOx含量在部分负荷下比汽油机要高,而且NSC储存NH3的能力较弱,所以也不能完全满足柴油机的要求,于是一种新的技术——Bule Tech技术应运而生。

Bule Tech技术是将NSC和SCR技术结合起来,使其在不同的工况下,均能起到降低NOx排放的目的。在低/中负荷稳定工况下,NSC单元能够储存和减少大部分的NOx;在发动机加速和高负荷工况下,排气温度升高,当排气温度大于350℃时,NSC由于其较弱的储存能力,将会失效,此时,SCR单元将会对其进行补偿,达到降低NOx排放的目的。

Bule Tech技术是一种在柴油机机内净化的基础上进一步降低有害排放物,包括CO、PM、HC、NOx等的全功能排气后处理技术。

NSC里的NH3很容易储存在SCR催化剂上,并且再接下来的稀燃的条件下与NOx发生反应。为了去除硫,催化剂通常在几分钟之内转化为较高的温度(>600℃),此时,生成的SO2与NSC装置里的BaCO3反应生成BaSO3,因此催化剂不会产生硫中毒。事实上,将NSC和SCR功能组合的方法是一种明智的策略,能使发动机在任何工况下减少NOx的排放。

不同催化剂的组合技术(Different Catalyst Combination Technology)

由于不同的催化剂在不同的温度和不同的废气含量下,其选择性和还原能力不同,而且催化剂还受到水、硫、HC、CO和PM等排放物的影响,容易使催化剂中毒,从而降低催化转化性能。该技术根据各种催化剂的稳定性和选择还原性的不同,将不同的催化剂进行合理的组合。

基于SCR的低温等离子辅助还原技术(PACR)

大气压力下,低温等离子产生于空气中或者比空气含氧量更低的气体(如柴油机排放的废气)中,由于直接由化学方法来减少NOx将会耗费巨大的能量,并且不易解决,而且当气体中含氧量超过3.6%时用氮来还原NO的方法是不可能实现的。

通常,等离子辅助还原有两种方法:首先HC被氧化并与废气中的NOx反应(主要是NO)生成NO2,然后在催化剂的作用下NO2转化为N2。其化学方程式可以表示为:

Plasma+NO+HC+O2=NO2+HC+HC

Catalyst+NO2+HC+HC=N2+CO2+H2O

如果排出的废气中含有PM将会阻止NO被氧化成NO2,此时,一种NO催化剂将会更加适合如下化学反应:

Plasma+HC+O2=HC+HC

Catalyst+NO+HC+HC=N2+CO2+H2O

车载自诊断系统(On-Board Diagnostics,ODB)

车载自诊断系统系统特点在于检测点增多、检测系统增多,而且在三元催化转化器的进出口上都有氧传感器。它完全通过实时监控车辆排放来控制达标,可以保证欧Ⅲ排放标准的执行。当车辆因为油品质量等因素,造成排放没有达到欧Ⅲ标准的时候,OBD系统将自行报警,转而进入系统默认模式,此时发动机将不能正常工作,车辆只能进入特约维修站进行检查和维护。OBD系统不能在车辆出厂之后经过改造加上,所以实施国Ⅲ标准会使单车成本上涨1000元到2000元。

电控高压共轨技术(Electronically Controlled High Pressure Common Rail Technology)

电控高压共轨技术是指在高压油泵、共轨管、压力传感器和ECU组成的闭环系统中,将喷射压力的产生和喷射过程彼此分开的一种技术,它由高压油泵把高压燃油输送到共轨管,通过对共轨管内的油压进行闭环控制,喷射压力独立可调。

H泵+EGR技术(H Pump+Exhaust Gas Recirculation)

在国Ⅱ机械泵的基础上,利用电磁铁控制机械泵的齿条、出油阀,做成简易电控喷油泵外加EGR废气再循环系统,可减少废气排放。

电控燃油喷射系统(Electronic-control Fuel Injection System,EFI)

电控燃油喷射控制系统以电子控制装置(又称电脑或ECU)为控制中心,利用安装在发动机不同部位上的各种传感器,测得发动机的各种工作参数,按照在电脑中设定的控制程序,通过控制喷油器,精确地控制喷油量,使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气。

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