尿素还原剂的四阀喷射方法.pdf

背景技术：

未来几年内，全球的汽车生产商，特别是美国和欧洲关于汽车氮氧化物NOx和微粒PM的排放达标方面将强制性地实施一些更严厉的规格，例如，欧5和欧6排放标准。

在排放法规的压力下，一方面国外的车用重负荷柴油机正不断进行技术升级和改进，另一方面，选择恰当的后处理技术策略和装备，例如，SCR (Selective Catalytic Reduction)催化转化还原技术，DPF（Diesel Particulate Filter）颗粒捕捉器，DOC（Diesel Oxidation Catalyst）氧化型催化器等。

SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出NH₃，作为还原剂的NH₃和发动机排气中的NO_x在催化剂和温度的综合作用下进行反应，理想工况下生成无毒的N₂和H₂O，从而达到净化的目的。SCR技术自70年代开始在国外作为发电厂等的固定源使用的脱硝技术而进行了开发和广泛应用。为应对新的环保法规的要求，国外从90年已开始把SCR技术成功移植到柴油汽车上，并相应进行了SCR催化剂工艺技术和尿素还原剂的开发验证，实现了工业化应用，例如，欧洲和日本。目前，欧洲的大多数制造商已经开始坚定不移的采用SCR技术来实现欧4和欧5标准。例如，在欧洲的7家主要商用汽车公司中，有5家（戴克、雷诺、依维柯、沃尔沃和达夫）选择SCR技术来达到欧4和欧5标准。另外两家（斯堪尼亚和曼）则倾向于EGR技术，但也不排斥SCR技术。以戴克集团为例，自2005年元月开始，就推出满足欧4和欧5标准的Actros牌重型载货车，并给一个时髦的名字‘BlueTec’。BlueTec的后处理方式均采用SCR技术。根据戴克的研究结果表明，SCR技术与欧3标准水平的汽车相比，能够节省燃油3～6%，NO_x的排放可低于欧4限值，如对SCR进行进一步的优化，达到欧6限值也毫无问题。

国外如此热衷于SCR技术的原因，主要是SCR具有很多优点，例如，可以在柴油车的排气温度250～550℃的范围内具有50～85%的NO_x去除效率，并能有效降低PM的排放水平；SCR能轻松满足欧4和欧5水平，也具有达到欧6水平的潜力；目前达到欧4采用的SCR技术，发动机的燃油耗可降低3～6％；SCR催化剂不含有贵金属，比成本相对较低；SCR对车用燃油的质量，特别是硫含量不敏感。基于以上分析，SCR后处理技术也最适合中国的车辆状况和车用燃油状况。

如果2008年在中国推广应用车载SCR后处理技术，必须解决好尿素还原剂供应、尿素还原剂的剂量、尿素还原剂的雾化喷射、SCR催化剂转换效率、氨气泄露量等至关重要的技术难点。上述各点都涉及到尿素还原剂的问题。在这些问题中，尿素还原剂的喷射雾化策略是一个关键点。它涉及到催化剂表面的堵塞问题、催化剂活性问题、还原剂效率、氨气逃逸以及二次污染控制等问题。

对于预计实现国4排放的车辆，其发动机已经完成机内的优化，NO_x去除率在35~40%即可满足国4排放标准，NO_x去除率在65~70%即可满足国5排放标准。想象中只需连接上SCR后处理装置就可以作为国4车辆销售，事实上面对的问题远不止此；采用整套进口的SCR后处理装置，成本高达12000~15000元/套，而尿素喷射和控制部分就占到2500~4000元，而且一旦损坏，不能保修，必须整体更换，费用用户难以承受；但是，可以仅仅采用进口尿素喷射和控制关键组建的部分，来配装国内的SCR后处理装置，此时，尿素喷射和控制部分就必须花费3500~5000元的成本才能买到。尿素喷射和控制部分绝对是SCR后处理成套装置的关键和核心部分。

对标国外的SCR后处理装置中的尿素喷射和控制部分，各家采用的技术方式不同，既有独立的尿素喷射和控制部分，然后输送尿素还原剂到喷嘴；也有把尿素喷射和控制部分集成到尿素还原剂喷嘴上的，其目的都是适时适量的提供尾气去除NO_x所需要的尿素还原剂。例如，按照理论喷量的曲线A进行，或者是按照低于理论值的曲线B进行。

尿素喷射和控制部分的适时适量的提供尾气所需要的尿素还原剂的技术，可以采用串联在尿素管路上的精密电磁质量流量计来实现，也可以采用精密的电磁流量控制阀来实现。

事实上，精度高的电磁流量控制阀完全可以实现精密电磁质量流量计的功能。

对小量程的精密电磁质量流量计进行试验，依靠排气温度或尾气中的NO_x水平作为模拟量来控制开启度，完全能满足要求，但是，目前小量程的精密电磁质量流量计几乎100%是进口品，其价格通常在20000~30000元/个左右，整车厂和整车用户无法承受，国产的小量程的精密电磁质量流量计还是空白点。将来也会有产品面世。

对小量程的精密的电磁流量控制阀进行试验，依靠排气温度或尾气中的NO_x水平作为模拟量来控制开启度，完全能满足要求，但是，目前小量程的精密的电磁流量控制阀几乎100%也是进口品，其价格通常在8000~15000元/个左右，整车厂和整车用户无法承受，国产的小量程的精密的电磁流量控制阀还是空白点。随着国内制造业整体水平的提高，这种国产的小量程的精密的电磁流量控制阀将会面世，预计其价格在1500元/个以下。

国产的小量程的精度不太高的电磁流量控制阀有大量的市场供应，而且，价格非常低廉，平均成本120元/个左右。国产的小量程的电磁流量控制阀精度不太高的主要原因是阀芯的关键运动部件的材料选择和加工精度同国外相差较大，实测结果表明，国产的小量程的电磁流量控制阀的流量的精度误差约±30%。

例如，在实际的尿素还原剂喷射和控制中，根据控制策略，尿素还原剂的流量从5~85g/min之间变化。如果选择一个国产的精度不太高的电磁流量控制阀来实现控制，理论设定的流量是5~85g/min，当某个工况需要60g/min的还原剂供应量，根据其误差，其真实的流量范围可能达到42~78g/min，对于42g/min的流量，可能的结果是尿素还原剂的供应量不足，无法除去规定量的NO_x；而对于78g/min的流量，可能的结果是尿素还原剂的供应量超标，虽然能除去规定量的NO_x，但是，一定会造成NH₃的过量逃逸，形成新的污染。

专利号为CN200510129691.6 的‘用于控制向SCR催化剂的尿素供给的系统’专利、专利号为CN200510136379.X的‘一种控制还原剂喷入来自内燃机的含NOx废气流中的方法’的专利、专利号为CN200810095099.2 ‘一种用于分布内燃机废气系统中流动性添加剂的装置’的专利、专利号为CN200920045181.4的‘一种SCR反应装置的引射喷氨混合机构’的专利、专利号为CN200810047114.6‘一种柴油机SCR系统中使用的控制添蓝投放量的控制方法及控制装置’的专利、专利号为CN98805246.6的‘一种减少和废气系统相关联的贫燃料燃烧发动机的NOx排放量的方法’的专利、专利号为CN200580030812.X的‘用于发动机后处理系统的控制系统’的专利、专利号为CN200480017220.X的‘控制还原剂添加的方法’的专利等专利，仅仅涉及到尿素还原剂剂量的信号获取和策略、尿素还原剂喷入的位置、喷口的形状、管线、混合方式等方面、并没有提出计量的实际控制办法和手段。