柴油机SCR系统控制单元设计与研究

为降低车用柴油机氮氧化物排放,采用美国Freescale公司16位高性能控制芯片MC9S12XS128开发一套SCR(Selective Catalytic Reduction)后处理系统控制单元,进行微控制单元(MCU)模块、电源管理模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网(CAN)总线通讯模块等硬件电路设计。根据SCR工作原理,制定控制策略,设计和完善控制程序。以一种四缸柴油机为样机开展欧洲稳态测试循环(ESC)排放试验,并与原机进行比对。试验结果表明:安装SCR后处理系统的样机,NOx比排放量低至1.713 g/(k W·h),较原机的8.421 g/(k W·h)降低了79.44%,其中NOx最高转化率可达92.53%,平均转化效率达73.21%。柴油机NOx排放满足国Ⅴ排放标准,控制单元性能稳定,达到设计要求。     

SCR/DOC+DPF+SCR后处理系统对重型柴油机性能及排放的影响

文章基于氧化型催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)耦合颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)和选择性催化还原器(selective catalytic reduction,SCR)后处理技术,对比了原机、搭载SCR、搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下重型柴油发动机的性能、排气污染物排放状况以及SCR入口处NO在氮氧化物(NOx)中的体积比。试验结果表明,搭载DOC+DPF+SCR系统比搭载SCR系统的发动机扭矩降低了10N·m,油耗基本保持不变;对比搭载DOC+SCR、搭载SCR以及搭载DOC+DPF+SCR 3种状态下SCR入口处NO在NOx中的比例发现,SCR状态下基本全为NO,其余2种状态下NOx中NO的体积比随温度升高而逐渐降低,排温在450℃时该比例下降到0.86;搭载DOC+DPF+SCR的ESC试验中CO转化效率为93%,HC转化效率为70%,NOx转化效率为90%,PM转化效率为51%,相比于搭载SCR的ESC试验,NOx的转化效率降低了3%。     

降低非道路用柴油机排放试验

为了改善非道路用直喷N490型柴油机的排放性能,研究了喷油压力、喷油定时、喷油器喷孔直径和喷油器油嘴伸出量等参数对柴油机排放的影响。研究结果表明:提高喷油压力,可以有效降低柴油机的不透光烟度和燃油消耗率,但会导致氮氧化物(NO_X)排放升高;增大喷油定时,可以降低颗粒物(PM)排放,但会带来NO_X排放升高;较小喷孔数目和直径(5×Φ0.21 mm)与具有较高喷油压力的喷油泵相匹配,可以有效降低NO_X和PM的排放;合适的喷油器油嘴伸出量可以改善柴油机的排放性能。对柴油机燃烧系统进行优化匹配,柴油机的NO_X+碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和PM排放分别降低到6.23 g/(k W·h)、1.109g/(k W·h)和0.522 g/(k W·h),达到了中国第三阶段非道路用柴油机排放标准的要求。     

实现国V排放的重型柴油机燃烧系统优化研究

为了满足今后更为苛刻的国V排放法规,本文在一台无后处理满足国Ⅳ排放的重型柴油机上进行了燃烧系统优化试验,结果表明在大多数工况点,低压级压气机有效流通面积减小的两级增压方案2TC2与柴油机的联合运行点向着压比和相似流量增大的方向移动,能明显提高进气压力和空燃比,有效改善了氮氧化物(NOx)与燃油消耗率(BSFC)以及NOx与碳烟(Soot)的权衡(trade-off)关系。通过优化设计燃烧室结构参数(缩口直径、凹坑深度),缩口下移1 mm的燃烧室SF4能增强缸内气流运动,促进了燃油与空气的混合,实现了同时改善NOx-Soot和NOx-BSFC的trade-off关系并维持缸内最大燃烧压力至合理水平。随着主喷时刻的推迟,燃烧相位推迟,Soot比排放降低,但燃油经济性变差,并且主喷时刻过多推迟会使Soot比排放升高;在高转速工况,提高喷油压力能同时改善油耗和排放,而在低转速大负荷,呈现出与高转速工况相反的变化趋势,Soot和BSFC随着喷油压力提高同时上升;采用适当的主后喷间隔能达到改善排放的效果。试验结果表明,NOx加权排放为1.311 g/(k W·h),Soot加权排放为0.011 g/(k W·h),均满足国V排放标准,且加权油耗为211.6 g/(k W·h)。所优化的燃烧系统具有在降低对后处理系统要求的情况下满足国Ⅴ排放标准的能力。     

轻型柴油机国Ⅳ升国Ⅴ策略研究

为了满足国家标准中对轻型柴油机排放物的要求,文章对加装不同组合尾气后处理器的轻型柴油机进行了台架试验,并针对不同工况下氮氧化物(NOx)和碳烟等常规排放物的比排放量进行了分析研究。阐述了原机排气装置氮NOx和碳烟的排放问题,并对降低轻型柴油机尾气排放物的方法进行了研究;提出了加装柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)和颗粒物氧化催化器(particulate oxidation catalyst,POC)的改进方法,并分析了该后处理器组合对发动机各种常规排放物的影响规律;提出了通过提高轨压、关闭废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)阀使回流率降低,并安装DOC和选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理器的改进方法。研究结果表明,改进后的轻型柴油车排放物标定值满足国Ⅴ标准,因此所设计的优化方法可行。     

欧Ⅵ柴油机SCR混合器数值模拟与优化

为了提升发动机选择性催化还原(SCR)系统的低温性能,本文采用计算流体动力学(CFD)方法对某欧Ⅵ柴油机SCR混合器进行仿真模拟及结构优化,并借助台架试验进行了发动机排放测试。结果表明,混合器经最佳方案优化后,SCR系统的NO_x转化率明显提升,冷态WHTC工况下NO_x排放量和NH_3平均泄漏量分别为0.191 g/(kW·h)、0.8 ppm, WHSC工况下NO_x排放量和NH_3平均泄漏量分别为0.175 g/(kW·h)、0.1 ppm,满足欧Ⅵ排放标准,且在低温低空速下运转时,混合器中未出现明显沉积物。     

小型非道路柴油机稳态和瞬态排放特性分析

为了使非道路用柴油机达到GB 20891—2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》中第四阶段排放限值的要求,按照稳态循环(NRSC)和瞬态循环(NRTC)规定的工况,对一台非道路用自然吸气柴油机进行测试研究。引入分担率的概念,分析NRSC试验时柴油机各工况下CO、NO_x、HC排放对整机排放的影响;研究NRTC试验时冷启动循环和热启动循环排放特性的差异和CO、NO_x、HC的瞬时排放曲线。结果表明:NRSC试验下,污染物在2 400 r/min下100%负荷时排放分担率均超过18%,是控制污染物的关键工况;NRTC试验下,相对于NRTC试验热启动循环,冷启动循环的颗粒物(PM)、CO比排放量分别为0.25 g/(kW·h)和3.36 g/(kW·h),高于热启动循环的0.23 g/(kW·h)和2.28 g/(kW·h),而NO_x+HC的比排放量为6.67 g/(kW·h),略低于热启动循环的6.88 g/(kW·h)。CO瞬时排放峰值基本对应转矩峰值、转矩谷值及转速峰值;NO_x瞬时排放峰值基本对应转矩峰值;HC的瞬时排放相对CO、NO_x变化更平稳。该研究可为降低非道路用柴油机稳态和瞬态排放提供参考。     

DOC对柴油机排放特性影响的研究

在柴油发动机台架上,通过HT350动态测功机、AM4000等仪器测量了柴油机氧化催化转换器(DOC)前后2个固定转速5个工况点的排放特性,分析了DOC对HC,CO,NOx,PM等影响,并用DRI碳分析仪分析了PM的碳质组分.结果表明,DOC能大幅降低HC,CO的排放,DOC前后NOx总量变化不大;DOC对颗粒物数量浓度降幅为25%～40%,其中核膜态降幅为16%～36%;随负荷增加DOC对颗粒物总数量浓度、核模态数量浓度降幅逐渐减小,积聚模态降幅逐渐增加;DOC通过降低HC促进SOF氧化从而达到催化氧化有机碳OC,OC对占PM总降幅贡献率在67%以上,EC最高仅为9%.     

缸内后喷对CDPF温度特性及再生效率的影响

随着排放法规的日益严格,氧化催化转化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+催化型柴油颗粒捕集器(catalyzed diesel particulate filter,CDPF)已经成为降低柴油机排放CO、THC和颗粒物的主流技术,而CDPF再生是目前技术发展的主要阻碍之一,文章研究了再生过程中缸内后喷对DOC、CDPF的影响,得出缸内后喷可以使尾气达到DOC的起始工作温度,而次后喷可以使DOC出口温度达到CDPF的再生温度;试验过程中通过良好地控制CDPF入口再生温度,得到了再生效率的变化规律,在500℃、20min工况下再生效率达到98%,满足再生要求,并且总结了一种标定的试验方法,为后续研究的进行积累了一定的经验。     

应用SCR后处理实现车用柴油机国IV排放

 选择性催化还原（SCR）技术是实现柴油机超低NOx排放最有效的后处理方法之一。本研究采用一台电喷单体泵柴油机,通过燃烧优化使PM排放满足国IV排放要求。为降低原机较高的NOx排放,采用开环控制策略开发一套电控单元控制尿素溶液喷射,通过将32.5%的尿素溶液定量喷射到排气管,提供还原剂,与柴油机排气中的NOx发生选择性还原反应,生成N2和H2O,实现降低NOx排放的目的。由于选择催化还原方法的NOx转化效率高,通常采用开环控制即能实现国IV排放。本研究通过标定实验获得发动机的原机NOx排放、排气温度、排气流量、单位尿素溶液流量的NOx降低量等脉谱,并将其写入电控单元。通过这些脉谱和当前的发动机转速、负荷信号及催化器进出口的温度信号,电控单元可计算出当前工况需要的尿素喷射量。采用该方法,在稳态和瞬态循环工况,研究了SCR后处理的NOx转化效率、氨泄漏及尿素溶液消耗量特性。结果表明,稳态循环ESC、瞬态循环ETC中,NOx平均转化效率分别达到65.2%、65.3%,氨排放小于5ppm;可溶性有机成分（SOF）,实验表明,PM减少主要是由于SOF在氧化单元中发生氧化反应;对ETC循环中尿素消耗量的分析表明,采用本研究开发的尿素溶液计量单元及配套本实验使用的发动机的柴油车,运行100km大约消耗32.5%尿素溶液2L。     

来流参数对DOC性能的影响试验

基于柴油机台架,通过改变来流温度或者空速,探索来流参数对DOC性能的影响规律.试验结果表明:升高来流温度,压降呈线性增长,且空速越高,增长率越大;发动机正常运行时,DOC温升特性不明显,出口温度变化受到空速和来流温度的影响;排气管喷油时,DOC燃油起燃特性受来流温度的影响,要达到相同DOC出口温度,来流温度越高,THC泄漏量越少; DOC能够显著降低CO和THC的排放,且转化效率都随着来流温度升高而先增加再趋于平缓; DOC将NO氧化为NO_2能力较强,NOx中NO_2的体积分数随着来流温度升高先增加后减小,的最大值在DOC中出现在350℃附近.     

重型柴油机双SCR系统转化效率影响因素研究

为了研究国六重型柴油机选择性催化还原(slective catalytic reduction, SCR)系统NO_x转化效率的影响因素,文章运用AVL BOOST仿真软件对催化器内的化学反应过程进行了数值仿真和试验验证。结果表明:SCR催化器最佳反应温度范围在180～550℃,催化器转化效率达到95%以上;通过前置氧化型催化转化器(diesel oxidation catalyst, DOC)可以在排气中增加NO_2的质量分数,可以提高催化器转化效率且使NO_x转化效率保持在较高水平,也可以除去尾气中大部分的CO和HC,达到排放标准;安装混合器后各个工况下NO_x转化效率均有10%左右的提高,尤其在低温180℃时SCR催化器的转化效率有13%左右的提高。     

后处理系统在生物柴油发动机上的耐久性研究

使用B20生物柴油(20%体积比生物柴油+80%体积比普通柴油)在发动机上进行500h整机耐久性试验,整机ESC(欧洲稳态循环)试验和催化剂小样试验,研究了DOC(氧化催化转化器)和SCR(选择性催化还原)系统的耐久性能和劣化机理.实验结果表明,耐久性试验后,在ESC试验下测得DOC后CO平均体积分数上升7.3%,且高转速时上升幅度明显高于低转速时;DOC后HC(碳氢化合物)平均体积分数上升8.0%,各转速下升幅没有明显差异;SCR后NOx(氮氧化物)平均体积分数上升50.8%,且上升幅度随着转速的增大而增大.DOC和SCR催化剂比表面积减小,且减小程度与取样处的排气流量相关.     

DOC入口条件对气态物转化效率影响

为了探究柴油机氧化型催化转换器(diesel oxidation catalyst, DOC)废气量和温度对气态污染物转化效率的影响,文章测量了柴油机在不同废气量、不同入口温度下氧化催化转化前、后HC、CO、NO_x的体积分数,并计算了气态污染物的转化效率。试验结果表明:低温时CO转化效率随废气量的增加而降低;温度大于200℃时CO转化效率达到99%以上;HC在300～350℃时转化效率达到92%,相同温度下HC的转化效率随着废气量的增加而降低;NO的转化效率在300～350℃时达到55%以上。     

实现柴油机欧Ⅳ排放标准的试验

以某一四缸、增压直喷柴油机为样机,利用专业试验台架,首先对样机的喷油提前角和EGR率进行了不同工况下的标定,从而使柴油机排放物中NOx的排放量达到了欧Ⅳ排放标准;随后联合利用柴油氧化催化器(DOC)及微粒氧化催化转化器(POC)技术对柴油机尾气排放进行了试验研究,从而使柴油机废气排放物指标完全达到了欧Ⅳ排放标准.通过本试验研究,总结出了实现柴油机欧Ⅳ排放标准一种方法,并总结了此种方法的特点及规律.     

通用小型汽油机控制单元设计与研究

为实现通用小型汽油机电控化,进一步提高其动力性、经济性和排放性,开发了一套完整的控制单元。控制单元采用美国Freescale公司16位单片机MC9S12XEP100为主控芯片,结合MC33812控制芯片,完成微控制单元(MCU)模块、电源模块、输入调理模块、输出驱动模块、控制器局域网总线(CAN)通讯模块等硬件电路设计。并编写底层驱动程序,对喷油与点火信号进行测试并分析,以168F型汽油机为样机完成发动机性能试验。试验结果表明:通用小型汽油机采用电子控制单元后,标定功率较原机提高了7.6%,最低有效燃油消耗率较原机降低了7.9%,最大扭矩可高达11.15 N·m,较原机提高了2.3%。按美国环境保护署(EPA)小型非道路火花点火发动机排放法规进行排放性能试验,CO排放下降至259.18 g/(k W·h),HC+NOx下降至8.05 g/(k W·h)。电控样机排放满足EPA第Ⅲ阶段排放限值,控制单元满足设计要求。     

柴油/甲醇双燃料发动机耦合后处理系统的排放性能研究

为了实现压燃式发动机污染物的超低排放,在一台高压共轨柴油机上进行柴油/甲醇双燃料燃烧模式耦合后处理系统的排放特性研究。通过调节不同负荷下进气预混甲醇比例,分析了氧化催化转化器(DOC)、催化型颗粒物捕集器(CDPF)和选择性催化还原催化器(SCR)对柴油/甲醇双燃料发动机污染物排放的影响规律。结果表明：双燃料模式的排气温度降低,有效热效率在中低负荷时降低,在高负荷时增加;随着甲醇比例的增加,排气中CO、HC、NO₂和HCHO的体积分数增加,n(NO₂)/n(NO_x)显著提高,NO_x和碳烟的排放量明显降低。后处理系统工作特性受发动机负荷影响较大：在中低负荷时排气温度低,后处理系统对CO、HC和HCHO转换效率较低;在高负荷时排气温度高,系统催化活性增强,各种排放物转换效率也大幅提高。双燃料模式下,DOC后端氧化升温明显,n(NO₂)/n(NO_x)经DOC后显著降低,而纯柴油模式下则呈相反趋势。在不同负荷下：CDPF对碳烟的平均捕集效率超过90%;SCR催化反...     

两种技术路线的重型车整车载荷对排放的影响

为了探究柴油颗粒过滤器(DPF)+选择性催化还原(SCR)+废气再循环(EGR)和DPF+SCR这两种技术路线的我国Ⅵ阶段排放重型车在不同整车载荷下的排放差异,从整车测试的角度出发,以对重型车整车排放量的测试为主要研究手段。利用重型底盘测功机分别对两辆不同技术路线车辆加置0%、25%、50%和100%的载荷,运行重型商用车瞬态循环(C-WTVC),利用全流稀释定容采样系统(CVS)测量车辆排放结果。结果表明,采用EGR技术的车辆NO_x的排放在半载及满载的工况下,NO_x的排放量基本不受载荷变化的影响,其值稳定在450 mg/(kW·h)左右;未采用EGR技术的车辆NO_x排放受载荷变化影响较大,在全载荷工况下均受其影响,且NO_x排放量与载荷的变化呈反比趋势,随着载荷的增大由最高点524 mg/(kW·h)向最低点226 mg/(kW·h)依次递减。为即将实行的国Ⅵ标准中重型车整车部分的新车排放认证提供了工况数据,对于提高国家测试水平具有一定的指导意义。     

基于国Ⅵ标准柴油机SCR排放标定试验研究分析

文章为了检验选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)系统在尾气排放中的各方面性能,对柴油机进行AVL后处理台架搭建测试,在集成式后处理系统柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)+柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)+SCR+氨氧化催化器(ammonia slip catalyst, ASC)的技术路线下,完成系统裸排、背压、WHTC排放、尿素结晶、传感器校对、开闭环标定等一系列测试;研究后处理系统对柴油机造成的排放阻力和温度损失,讨论氮氧化物(NO_x)的转化率与氨(NH₃)存储量之间的关系以及两者关系在不同排气流量和不同温度下的变化规律,并研究SCR系统对比柴油机原排所起的功效。结果表明：NO_x的转化效率随着NH₃存储量增大而逐渐变大,随着排气流量增大呈负指数增长,在一定温度下随温度呈正指数增长,超过一定温度后受催化剂材料约束;SCR系统造成的温损和压阻均在可接受范围内,...     

氧化型催化器载体长度对柴油机排放性能的影响

基于轻型柴油机台架试验平台,研究柴油机氧化型催化转化器(DOC)载体长度变化对后处理系统减排性能的影响.结果表明:适当增大DOC载体长度可提高对一氧化碳(CO)、总碳氢化合物(THC)和一氧化氮(NO)的氧化率,过量增大对氧化性能的提升有限,同时影响DOC在低温低负荷下减排效果;DOC耦合催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)对颗粒物数量(PN)的减排效果受DOC载体长度影响较小.从兼顾成本与性能的角度出发,适当增大DOC载体长度能有效提高减排效果,但过量增大对减排效果提升影响不大.