SCR计量泵方案与结构的设计Word下载.docx

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3、社会压力。

采用排气后处理技术将带来社会基础设旖压力，如SCR系统使用的筝用尿素AdBlue的存储和供给；

EGR+DPF这种先进排放技术要求的高质量低硫柴油等等。

这些成本初期可能由石化企业承担，最终会转嫁到社会。

当然还有其他熏要问题，如各地燃料质量差异；

EGR+DPF或SCR使用过程中的作弊问题，如实际使用中EGR率低于型式认证值；

SCR系统中尿素使用量变少或不使用等等，导致氮氧化物排放大幅增加。

国际上，考虑到技术成熟性和稳定性及技术升级方便性，一般都采用大家都认可的主流技术。

欧美等发达国家一车辆排放控制要求严格而且处罚严厉，所以追求一种既满足社会需要，又在未来发展上可节省成本的技术发展方向。

从排放法规不断升级的长期观点考虑，国外选定一个可以不断技术升级的基础平台的做法很值得我们借鉴。

NOx的NH3．SCR技术始于20世纪70年代，国外已广泛应用于固定源烟气脱硝[61，SCR是Selective（选择性）、Catalytic（催化）、Reduction（还原）的英文缩写。

它的原理是利用V205fri02催化剂，在氧气大大过量的条件下让NH3选择性地还原NOx到N2。

使用了以Ti02为基础的催化剂保证了催化转化器对S02有很强的耐受性。

目前，Nit3．SCR被视为最有希望实际应用于重型柴油机尾气NOx净化的技术之一。

考虑到氨的强刺激性与毒性为公众难以接受，氨的碱性对设备有较强的腐蚀性，研究者们倾向于以尿素（32．5％的尿素水溶液Urea．SCR）代替氨选择性催化还原柴油机尾气中的氮氧化物（NH3．SCR）。

为了提高Urea—SCR体系净化NOx的效率，减少氨的泄漏，MAN公司提出了基于Urea．SCR体系的VHRO系统。

“V"

为前置的氧化催化剂，该催化剂的作用是将排气中的部分NO氧化为N02以提高SCR催化剂的低温活性；

“H"

为尿素水解催化剂，其作用在于加速尿素水解，从而有利于随后的NOx选择性还原；

“R”为SCR催化剂，在该催化剂床层中，排气中的NOx与尿素水解形成的氨发生选择性还原生成N2和H2O。

氨为选择性氧化催化剂，可将排气中氨转化为N2以减少氨的泄漏。

目前，Urea．SCR体系已成为满足欧V与US2007的重型柴油车NOx净化首选技术。

在2000年，美国主要的柴油机制造商就宣布其满US2007排放法规的技术路线将在SCR或EGR+DPF两个技术方案间做选择。

截至目前．美国市场主要采用EGR+DPF技术来满足US2007排放法规。

不过，虽近荑国EPA发布了认证SCR技术的轻型和重型柴油车申请排放证书程序（EPA-HQ．OAR．2006-

0886-0002），这表明美国市场也开始使用SCR技术。

在2003年7月，制造商们就已经选择SCR技术来进一步减少NOx排放以满足排放法规的要求。

目前，在欧洲已经得到示范应用。

为促进该项技术在欧洲的推广．出台了AdBlue计划，美国能源公司巨头埃隶、法国道达尔菲纳．埃尔夫公司以及英国BP石油等石油公司，戴．克、福特、菲亚特、大众、德国曼汽车集团、康明斯、沃尔沃、依维柯、雷诺_Ⅵ、Scare、奥迪、道依茨等汽车与发动机制造商，还有众多的催化剂公司与尿素生产商均参与其中。

德国OMV冶炼厂正在巴伐利亚的一家加油站设立尿素零售店：

lO辆奔驰商用车各进行了14—29万公里的测试；

Shell公司也于2003年开始了该公司的第一家“AdBule”尿素设施；

德国最大的能源零售公司A脚正计划在自己的研究基地进行Urea-SCR技术气候适应性测试。

此外，戴姆勒一柯莱斯勒公司联合奥迪、大众公司共同在美国确立柴油机净化技术品牌Bluctec，该净化技术包括氧化催化剂、DPF（柴油颗粒过滤器）、NOx（氢氧化物）吸附还原催化剂、屎素SCR（选择性_i生；

原催化剂）等（如圈l一2所示）。

目前欧洲的趋势是长途载重车通常选用SCR技术，而短途运输或者城市公交车则选择EGR+DPF技术。

一宦以柬，美国的燃油价格要比欧洲的燃油价格低，而尿素价格则相对较高；

另个原因是尿素的供应问题一直找不到卟合理的解决方案；

同时，US2007标准对新车提出了150000KM无维修的要求，这些冈素都阻止了SCR技术在美国的应用，因为大约每5000kin就要添加一次尿素。

园此如果要采用SCR技术，还需要向美国EPA申请特别许州。

欧洲的选择丰要是基于成本因素。

欧洲的燃油价格很高，SCR技术具有的较好燃油经济性使该技术成为首选。

当然，在有些地方仍然需要采用EGR+DPF技术，因为这些地方法规仍然限制没有加装颗粒过滤器的车辆进入市区。

国内主要在北京大约有4500辆采用SCR技术的公交柴油车在运行，由公交公司负责尿素供给。

上海为迎接世博会也即将使用采用SCR技术的公交车，广州等其他城市也在试验这种车辆。

中国汽车技术研究中心开发的车载排放测试系统检测结果初步显示：

（1）NOx排放约2．59／km；

PM约70mg／krn。

同比NOx排放约下降75％，颗粒物约下降50％。

（2）AdBlue消耗量：

平均2．4I．．／100km。

春秋季节尿素消耗量在2．1—2．8L／100km，夏季消耗量在2．5一L／100km。

而EGR+DPF由于成本、油品以及升级潜力等问题，目前在国内尚无应用实例。

如果尿素供应问题能够解决，SCR无论从技术开发可行性方面还是从燃油经济性方面都应当作为首选技术路线。

国内的各大发动机生产厂商对于应对即将到来的国Ⅳ、国V排放标准的方案也基本达成了共识，近几年加大了对SCR项目的研发力度。

2006年玉柴机器自主研发推出了采用SCR技术满足国Ⅳ排放法规的柴油机，2008年又推出了基于SCR的国V公交车柴油机。

此外国内许多柴油机厂也纷纷与BOSCH、Hilite等国际公司合作开发基于SCR技术满足国Ⅳ排放的发动机。

二汽集团、武汉添蓝、张家口百通、无锡威孚立达、无锡凯龙等也都在SCR的关键零部件及控制器等领域进行了较为深入的研究。

但到目前为止，国内对于该领域的研究还处于起步阶段，许多核心部件都还依赖进口，国产化任重道远。

SCR技术的高门槛

目前，SCR各组件的核心技术都掌握在国外的跨国公司手中，比如，催化平台、催化剂、计量泵等。

国内厂家根本无技术力量及大量资金去这攻克这些技术难点，仅仅起到一个组装的作用，而组装的产品还没有通过国内各主机厂的标定及上公告，而博世已上了国内主要几个主机厂的公告。

当欧IV真正到来的时候，这些国外巨头从上游一起断货或提高价格。

那么，这一行业将会从国内厂家手中消失。

或者沦落为主机厂与国外跨国巨头比价的工具。

目前，国内号称唯一一家能够做成套SCR设备的厂家，其核心的技术，仅仅是不锈钢封装技术。

其余均采购自国外厂家。

当这些核心技术都没有解决的时候，该厂家老总就开始考虑SCR大规模上马时的生产能力是否能满足市场的需求。

实在是让人对此行业的发展产生丝丝担忧！

SCR国内发展的情况

SCR这一系统的市场前景，被越来越多的配件厂商所认识。

目前至少有三家厂商都在搞SCR系统，但是那一家能够掌握核心技术，成为新的行业新贵，还是让时间来证明吧！

国外进入国内的市场的厂商为康明斯、博世。

其实作为国内厂商集中力量去攻克SCR系统各组件其中一件，不去走整套供应商路线，同样也可以在这几百亿的市场中分一杯羹。

国内的主机厂也不可能让一家供应商去垄断整套设备的供应，因此，专门去做其中一件组件的供应，术业有专攻，不失为比较合适的做法。

另外，欧IV排放标准的真正实行，还有一段政策的空白期，那么各厂商把资金与人力投放到此项目上，即使是与各主机厂标定，但是量迟迟出不来，产生不了利润。

这对各厂商的耐心也是个巨大的考验。

应用SCR技术的优缺点分析

柴油发动机的排放控制主要是对排放中的PM和NOx的处理。

处理方案一是先在发动机内处理NOx，再处理PM；

或者两种都进行后处理。

最后这种方法存在一个污染源回收的处理问题。

没有EGR系统，在发动机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消耗更高。

因此，一般多采用在发动机机内减少PM排放，在废气中处理NOx。

（1）目前在废气中处理NOx采用的是SCR处理技术，即：

利用尿素溶液（水溶液浓度为32.5%±

0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOx（主要是NO）还原为N2和H2O。

它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有腐蚀性，必须使用特殊的容器储存。

（2）SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。

尿素的喷入量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。

所以，必须要有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置。

而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成。

（3）使用SCR后不但要增加SCR本身装置的重量，另外还要增加一个尿素溶液箱和尿素溶液。

汽车会损失一部分的有效载荷。

（4）SCR作为一个新的后处理技术，因购置、操作和保养费用高、需要加一套较为复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等等原因，在车用柴油机上还没有得到大范围的推广。

（5）必须保证行驶区域内对尿素需求的供应，需要车载诊断，并需要自觉及时地加尿素。

在SCR技术的应用方面，目前已基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，使用耐久性好，但还需进一步解决降低SCR装置以及尿素加注站的成本等问题。

目前市场上成熟的己投入市场的SCR系统主要分为空气辅助式和直接喷射式两种。

空气辅助式的代表是Hilit￡公司的产品，如图2-1所示：

直接喷射式的代表是Bosch公司的产品，如图2-2所示：

博世系统的主要特点如下：

1）尿素泵：

直流无刷霍尔隔膜泵

2）压力控N-高速电磁阀控制，无蓄能装置

3）喷嘴：

线圈为低电阻（1．9Q）、低电感（1．3mH），电流式驱动

4）系统在停止喷射后通过泵和换向阀清除Urea。

5）喷嘴冷却（尿素溶液冷却）

6）喷嘴有雾化喷雾功能

7）遍布电加热装置

BOSCH系统的可控性高，同时体积较小，集成度较高，但是由于电磁阀喷嘴直接安装在排气管上，对电磁阀本身的可靠性以及隔热散热要求很高，同时为了保证雾化性能并防止结晶，使用了一套换向单元以及博世的专利雾化喷嘴结

构，制造工艺复杂，成本较高。

SCR系统方囊一

SCR系统布置图

系统具体组成如下：

1）柴油机：

2）添蓝控制器：

添蓝控制器通过采集CAN总线及各传感器的信号，根据柴油机的工况变化和催化器的温度变化，按照内部写定的稳态喷射策略和动态修正策略，准确的控制定量给料单元向排气管中喷射添蓝。

根据SAEI]939商用车通讯协议编制，能够在大多数车载CAN网络系统中使用，OBD车载诊断系统定义．DCU的工程样品的开发已经完成，同时，添蓝控制器具各故障诊断功能，实时对整个SCR系统进行故障监测与诊断，目前处于调试和功能完善阶段。

3）催化器消声器：

催化器是SCR系统中的重要组成部分，为催化剂的储存容器，是发动机尾气中NOx与添蓝水解产生的NH3发生催化还原的主要空间。

催化消声器是一个集催化器和消声器于一体的催化消声装置（如需尾气加热功能还可集成尾气加热器），代替了传统的消声器系统。

催化消声器内部有三个串联并相互独立的单元组成，包括氨扩散器、催化器和消声器。

扩散器负责将带有氨的排气均匀的分布在催化器的表面，催化器负责加速NOX的还原，消声器消除发动机排气系统的噪音。

为了防止氨气腐蚀，催化消声器整体采用不锈钢材料制造，其内部催化器工作过程中需要表面最低温度达到200℃，因此布置时应尽量靠近发动机，催化器入口必须位于距增压器出口1～4m的地方。

催化器前后设有两个温度传感器，用于检测催化器前后温度，以此来判断催化器表面温度，确定AdBlue的喷射量。

4）计量供给单元：

定量给料泵上有4个接头，分别是：

空气供给、添蓝供给、添蓝回流、添蓝喷射。

添蓝控制器通过CAN总线向定量给料泵发出命令，控制定量给料泵启动、初始化、喷射、排空。

5）喷嘴：

喷嘴安装在排气管上，作用是将定量给料单元送来的添蓝与压缩空气的混合物喷入排气管，并使混合物均匀雾化。

喷嘴的理想位置是在一段笔直的排气管上，且径向必须居中。

喷嘴具有四个直径为0.5mm的孔，具有径向喷雾排列形状。

喷嘴在管内必须居中且最好安装在直的排气管上，但可以安装在与排气管中心线垂直的任意径向角度。

最好能将喷嘴放在最不容易受到路面损坏的地方。

6）添蓝罐：

添蓝罐用于储存添蓝．添蓝的成分为32．5％的尿素水溶液，不易着火，低腐蚀性，冰点为-11℃。

添蓝罐的尺寸应与添蓝用量相匹配。

对于欧Ⅳ标准，添蓝消耗量大约为燃油消耗量的5％，欧v大约为7％。

7）防冻液电磁阀：

防冻液电磁阀为添蓝化冰服务，当添蓝控制器认为需要对添蓝罐和添蓝管道内的添蓝进行加热，将会控制防冻液电磁阀打开，热的发动机冷却液就会顺着管道流向添蓝罐，使得舔蓝罐内的添蓝温度升高。

由于冷却液管道和添蓝管道扎在一起，外套保暖管．所以添监管道的温度也会同时升高。

8）传感器：

添蓝罐液位传感器和添蓝罐温度传感器用柬监测添蓝罐内添蓝的液位和温度的信号，催化器入口温度传感器和催化器出口温度传感器用来监测催化器内部温度的变化。

NOx传感器用来检测排气中NOx的含量。

传感器把各种参数转化为电信号传输至DCU，通过控制策略对喷射量加以修正。

计量泵可以安装在罐的上方或与罐顶相同的高度上。

计量泵不应安装在罐的下方。

喷嘴的安装高度应低于计量泵

SCR系统的布置设计

SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。

在国Ⅳ柴油机的开发过程中，相当多的工作是对混和管进行优化设计，包括管道的几何形状、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。

对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。

通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

反应原理

喷嘴将“添蓝”（AdBlue）以液滴的形式喷入排气后，随着液滴的雾化与扩散，因排气温度较高导致液滴水分蒸发从而产生崮体或熔化的尿素，其熔点为132。

C，如式（2—1）所示，尿素随之热分解为等摩尔的NH3和异氰酸（HCNO），见式（2-2）。

HCNO在气相时非常稳定，因此，添蓝从喷入排气到催化剂之前发生的化学反应过程可以概括为：

（NH2）2CO（液）→（NH2）2CO（固）（吸热反应）（2-1）

（NH2）2C0（固）→NH3（气）+HCNO（气）（吸热反应）（2-2）

HNCO+H20→NH3+C02（2—3）

在催化器中，由AdBlue水解反应得到的NH3和NOx发生的主要反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（2-4）

由于在柴油机的NOx排放中NO占90％以上，而且02参与了反应．所以

称反应（2-4）为标准SCR反应．该反应表明理论上NH/No摩尔比为1。

在有氧条件下还会发生反应（2—5）：

4NH3+2N02+02→3N2+6H2O（2-5）

缺氧条件下，反应式（2-1）变为：

4NH3+6NO→5N2+6H2O（2-6）

4NH3+4NO+302→4N20+6H20（2-7）

该反应进行的很慢，而且在柴油机的大多数工况下都是富氧进行的，所以该反应通常不予以考虑。

SCR反应的非选择性除了生成N2外，还有其他产物生成（即N20），如当NH3／NO摩尔比小于1时就会发生反应（2-7）。

在催化器温度高于450"

C的富氧环境中，NH3容易直接被02单独氧化，产生如下副反应。

4NH3+502-->

4NO+6H20（2-8）

4NH3+3O2一2N2+6H20（2-9）

2NH3+202→N2O+3H20（2-10）

目前正深入研究反应（2-9），其反应温度较低，如果NH3过量，这个反应可以被用来防止NH3泄漏。

这样既不需要用其他的吸收剂，也不会产生新的污染物。

目前丹麦的托普索公司出品的SCR催化器在反应层的尾部加上了促使该反应发生的Pt氧化物涂层，能有效降低NH3的泄漏，但是在催化器温度低于190℃时，容易产生如下副反应，生成的硝酸铵、三聚氰酸联合体以固态或液态形式沉积在催化剂表面的微孔上，导致催化剂临时性的中毒。

2NH3+2N02+H20→NH4N03+NH4N02（2-11）

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4（2-12）

2NH3+S03+H2O→（NH4）2S04（2—13）

SCR系统的主要状态

SCR系统的主要状态有：

初始化、泵停止、装填、喷射、清洁和诊断。

初始化：

尿素泵上电后，SCR系统处于初始化状态，尿素泵进行相关的初始化工作，如从EEPEOM中读取数据等。

泵停止：

初始化完成后，尿素泵自动进入停止状态，只有当添蓝控制器发送其他状态命令或者下电，尿素泵才离开停止状态。

一旦下电，尿素泵会存储相关参数。

装填：

尿素泵处于停止状态时，添蓝控制器发送装填命令可以使SCR系统进入装填状态，在该状态尿素泵会测试助力空气及尿素溶液吸入回流是否正常，经过30秒后，如果一切正常，尿素泵自动进入喷射状态。

如果不正常，会继续测试。

喷射：

添蓝控制器将计算得到的当前尿素喷射速率通过CAN总线发送给尿素泵，尿素泵控制执行机构实现尿素喷射速率。

清洁：

处于清洁状态时，尿素泵向喷射管道吹入空气，为下一个工作循环做好准备。

诊断：

任何状态都可以进入诊断状态，一旦进入这个状态，其他的工作都停止，在诊断状态可以手动测试泵和空气电磁阀工作是否正常。

尿素喷射速率理论需求量计算

根据NH3生成过程和NOx催化还原反应，可以推导出尿素水溶液理论需求量的表达式。

假定：

1）可以准确地得到柴油机排气质量流量（Kg／h）：

2）柴油机排气中NO和N02的摩尔比为9：

1；

3）SCR催化器有理想的选择性和催化特性；

4）反应式（2-1）-（2-4）进行完全。

那么，在某工况下，将排气中NO和N02完全消除所需的尿素量就可以确定下来。

设单位时间内柴油机排气的质量为Akg，NOx的排放值为Bppm，取排气的摩尔质量为29Kg／mol，那么单位时间内的排气中NOx的物质的量可以表示为：

DeNOx=ABxlO-6／29（kmo／）

排气中NO和N02的物质的量分别为0．9DeNOxkmol和0．1DeNOxkmol。

根据化学反应方程式得出如下对应关系：

CO（NH2）2-N02一NO

111

X10.1DeNOxX2

CO（NH2）2—2NO

12

X3（0．9DeNOx-X2）

式中：

Xl"

化学反应方程式2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O完全反应需要的尿素的物质的量：

X2：

化学反应方程式2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O完全反应需要的NO的物质的量；

X3：

化学反应方程式4NH3+4NO+02=4N2+6H20完全反应需要的尿素的物质的量。

解得：

XI=O．1DeNOxkmol，X2=0．1DeNOxkmol，X3=0．4DeNOxklnol。

所以

总的尿素消耗量是：

X=X1+X3=O．5DeNOxkmol

如果将单位时间内尿素物质的量折合为尿素水溶液的质量，并设尿素水溶液的浓度为C％，则尿素水溶液的质量为：

M=100x60X／C=3．0×

103DeNOx／Ckg。

本项目使用32．5％质量比的尿素水溶液，所以取C=32．5，因此将单位时间内排气中NOx完全消除所需32．5％浓度的尿素水溶液的质量为：

M=3．18ABx10-6kg

基于CAN网络的J1939通讯协议

80年代末，博世公司和英特尔公司研制了专门用于汽车电子系统的总线CAN规范，但因CAN总线要求每个端口都需有单独的通讯处理能力，这在当时的汽车电器系统中很难办到。

1987年中期，Intel开发了首个CAN控制器-82526[。

不久，Philips半导体也推出了82C200。

这两种CAN控制器在报文过滤和控制上有许多的不同。

Philips半导体的方式叫做BasicCAN；

Intel的方式叫做FullCAN，由此后的不断发展，从而形成了FulIerCAN和BasicCAN两大阵营。

20世纪90年代初，BoschCAN规范（CAN2.O）被提交给了国际标准化组织。

经过讨论，应一些法国主要汽车商的要求，包含了吸收一些VAN网（VehicleAreaNetwork）的内容。

并于1993年11月出版了正式的CAN国际标准ISOll898。

从此CAN协议被广泛的用于各类自动化控制领域。

在1992年，奔驰