柴油国四发动机后处理系统【行业研究】.ppt

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1、国四,柴油发动机排放概述,*,国排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准，汽车提排放污染物主要有HC（碳氢化合物、MPX（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）、PM（微粒）等，,NO,x,Emissions g/kWh,PM Emissions g/kWh,Fuel consumption,Euro,Euro,Euro,Euro,3DPF,2 POC,Trade of f between PM,，,NO,x,，,BSFC,1.SCR,标准,*,通过更好的催化转化器的活性层、二次空气喷射以及带有冷却装置的排气再循环系统等 技术的应用，控制和减少汽车排放污染物到规定标准数值以下。 对已经通过电控达到欧

2、III排放的发动机来说，达到欧IV排放主要有两条技术路线： 1、SCR技术：SCR喷射+SCR后处理器 2、EGR技术：EGR+微粒捕捉器,技术路线,*,技术路线,先给大家简单介绍一下两者的原理吧。由于NOX和PM是可以产生互逆反应，在一定的条件下可以相互转换，EGR和SCR两者之间也可以从它们处理这两种物质的方法上看出区别来。,EGR的工作原理是让一少部分废气经EGR阀进入进气系统，将一部分废气与进管中的新鲜空气混合后进入汽缸燃烧，废气的CO2可以增加混合气的热容量，降低燃烧时的最高温度，抑制NOX的生成，从而降低了废气中的NOX的含量，同时，对于产生的PM（固体微粒）则通过PCO（微粒蒱集

3、器）过滤掉。,1、SCR与EGR原理不同,*,SCR相比EGR采用废气减少NOX产生的环境，SCR则更多的把功夫做在后头首先通过调整喷射软件及其它措施，在发动机汽缸内让其充分燃烧，使本机PM排放达到国四。 对于产生的 NOX，在车辆 的排气系统中 加上一套电控 尿素喷射系统， 通过“选择性 催化还原”过程， 将废气中的 NOX转化成氮 气和水排出车 外。,技术路线,1、SCR与EGR原理不同,*,2、SCR与EGR结构不同,SCR技术结构相对更加简单，只需在发动机的基础上建立，一套尿素还原剂的系统，并且需要定期添加尿素水溶液。 相比之下，EGR发动机则少了这方面的麻烦，不需要添加任何东西,不过

4、，EGR发动机的温度对于燃烧的排放物影响较大，为了保证正常的EGR温度，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，也是个严重的考验。,技术路线,*,2.2 DPF（Diesel Particulate Filter ）壁流式颗粒捕集器降低微粒排放,19147-2009柴油标准,微粒效率高：90%，美国、日本使用广泛 DPF技术对燃油中硫含量、润滑油中的添加剂成份敏感，需要应用符合标准的燃油和润滑油； DPF需要定期维护，清理灰分，OEM需要建立相应能力； GB19147-2009自2010年1月1日开始执行，过渡期到2011年6月30日。在国阶段

5、发动机及后处理系统须适应硫含量350ppm柴油。,基于现有燃油标准、润滑油条件和DPF缺少维护经验，目前不适合使用DPF技术,技术路线,3、后处理系统构成,*,2.5 后处理系统构成,+,=,陶瓷载体+涂层（SCR）,封装,总成,金属载体+涂层（POC）,封装材料必须用不锈钢以防止尿素或硫酸腐蚀,技术路线,3、后处理系统构成,*,2.8 POC（Particle Oxidation Catalyst）部分捕集颗粒过滤器降低微粒排放,不会堵塞 效率：40-50% 在排气温度适合（240以上）时发生被动再生 起车和加速时有黑烟冒出,技术路线,3、后处理系统构成,*,在SCR系统中，最重要的就是还原

6、剂尿素溶液了。有人问这个尿素溶液液是不是可以用常见的尿素化肥兑水就可以用呢，这是决对不可以的，SCR用的尿素溶液是在尿素化肥这种原料基础上提纯后形成的，呈淡蓝色液态，在加用这种溶液时也叫添蓝，其实这和溶液叫柴油机排放处理液。溶液浓度为32.5%，不可加水或其它液体，否则会改变比重和性能。 尿素的消耗量比较低，满足欧四标准的消耗量大约是燃油消耗量的3.5%，满意足欧五标准大约是燃油消耗量的5%当尿素罐内没有尿素后，发动机的排放就不会达标，车辆的自动诊断系统也会报警，提西醒司机及时添加。,技术路线,4、柴油发动机处理液,*,SCR喷射系统是将尿素溶液喷射到尾管中，在尾管高温气体作用下，把尿素与水分

7、解为NH3,然后NH3与NO在催化器中的催化剂作用下，发生反就生成N2和H2O。 尿素水解：(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2 NOX还原：NO+NO2+2NH32N2+3H2O NH3氧化：4NH3+3022N2+6H2O 将氮氧化物转成氮分子的过程需要对氨喷射量和喷射位置进行控制，因为氨的数量取决于当前氮氧化物的数量以及发动机的运行工况。如果喷射的氨的数量过多，将穿过催化器直接进入大气中。因此需要安装一个反馈装置监控（NOX传感器）氨不要多，控制尿素的喷入量。同时进、出口温度传出有辅助作用。,定量喷射控制SCR控制器根据发动机工况变化和转速、转矩，NOX传感器、催化器进口温度及出口温

8、度的变化按照添蓝喷射策略(催化器温度窗口，稳态喷射量，添蓝密度修正，催化器储氨修正）以精确控制喷量向排气管喷射。,技术路线,5、减少NOX方法,*,*,2.4 尿素系统构成,尿素液箱,控制信号,排气温度信号 NOx信号,尿素液喷嘴,尿素液温度信号 尿素液位信号,后处理器,控制信号,尿素液供给及加热管路,尿素液供给及加热管路,尿素液回流及加热管路,ECU,尿素液泵,喷嘴冷却管路,SCR系统组成及作用,*,作用：是用SCR系统降低NOX和PM值排放的方法来满足国四排放法规对碳烟和NOX的限制。,组成：空气供部分、尿素液箱、尿素液供给、后处理器、管理模块,*,SCR喷射系统,一、空气供部分,空气供给

9、部分的作用是：在SCR喷射系统喷射时，为了使喷入尾管中的尿素溶液更好的雾化及达到更远的喷射距离。 组成：车辆储气罐、压缩空气滤清器、压缩空气电磁阀、 主要参数 供给电压24V 气体压力为610bar 最低压力不能小于4bar,*,加料口,大气,压缩空气,空气电磁阀工作原理,*,1、尿素液位和温度传感器等集成组合件。 2、空气换气阀。 3、罐体 4、放液螺栓。 5、密封垫。 6、加尿素口。 7、密封垫。 8、加尿素口罩。 9、尿素箱盖。,*,*,在尿素箱的顶部有一个集成组件有： 1、尿素液位传感器、2温度传感器：3加热进水管接口：4加热出水管接口：5尿素出液管接口：6尿素回液管接口。用来检测尿素

10、的液位和温度。 液位传感器作用： 用来检没尿素的液面高度。 液位传感器参数： 输入电压：5V 上拉电阻：2.1K 液位变化：0%100% 电压变化：0.5V4.5V,*,在低温（-11）的情况下，尿素水溶液会结冰，为了保在较低环境温度条件下SCR系统的正常工作，防止尿素溶液冻结，因此需要通过加热措施来解决。当车辆在低温环境运行时，若尿素箱温度传感器测得温度低于规定值（一般设定为0），发动机电控单元就会发出指令开启发动机通往尿素箱的冷却液管路控制电磁阀，利用发动机冷却液给尿素箱加热，防止尿素溶液 冻结或解冻已冻结的尿素溶液保证后处理系统正常工作。当尿素溶液温度上升到规定值 （一般设定为7左右）时

11、则断开控制电 磁阀，防止尿素溶液过热，尿素箱温度 传感器的作用就是实时反尿素溶液温度， 以确认加热器是否在正常工作，保SCR系 统的正常运转及车辆行驶安全。,量程：-40125 工作温度范围：-40125 工作精度：1 电压：5V,*,进气口,上游温度传感器安装支座,NOx传感器安装支座,下游温度传感器安装支座,出气口,*,SCR喷射系统是将尿素溶液喷射到尾管中，在尾管高温气体作用下，把尿素与水分解为NH3,然后NH3与NO在在俯化器中在催化剂作用下，发生反就生成N2和H2O。 将氮氧化物转成氮分子的过程需要对氨喷射量和喷射位置进行控制，因为氨的数量取决于当前氮氧化物的数量以及发动机的运行工况

12、。如果喷射的氨的数量过多，将穿过催化器直接进入大气中。因此需要安装一个反馈装置监控（NOX传感器）氨不要多，控制尿素的喷入量。同时进、出口温度传出有辅助作用。,*,1、4NOx传感器 NOx传感器总成包括传感器及NOx传感器控制器两部分，见如下示意图，线缆长度越700mm。传感器部分使用螺柱直接安装在排气管支座上。NOx传感器控制器部分需要使用2个8的螺栓将其固定在整车上。,*,NOx传感器控制器的安装要求：NOx传感器控制器要求防水防尘，且应避开整车电瓶，以防止干扰！NOx传感器控制器不能带电焊接，不要用手触摸其插接器端子，防止有静电，防止其内部元件的损坏。,*,输入：一个陶瓷NOX传感器

13、工作温度：800 最高工作排气温度：900 100h 量程：NOX 03000PPm 精度：300PPm 响应时间：小于700秒 CAN：高速CAN通讯 配置：通过CAN总线和组态软件 模块工作温度-55125 电源：输入1128V电压,NOX工作参数,*,1、5排温传感器 排温传感器的测温部分是铠装的PT200的薄膜铂热电阻元件。排温传感器检测进入催化器的排气温度。,*,1、1DCU DCU控制整个后处理系统的工作，包括传感器信号的处理，尿素喷射量的计算和各种执行器的控制。DCU通过CAN总线与发动机ECU通讯，获得发动机的运行参数，再加上催化器温度信号，计算出尿素喷射量，控制喷嘴喷射适量的

14、尿素到排气管内。喷嘴安装在排气管上，喷嘴的作用是按照DCU的命令，计量并喷射尿素到发动机排气管内。,*,后处理控制器(DCU) 工作温度：-4085 工作电压：24VDC（电压范围：1832VDC) 防护等级：IP67 静电功耗：0.6W 正常功耗：0.8W（冷却液电磁阀未动作时） 1.8W （冷支液电磁阀动人时）,*,尿素泵是尿素喷射系统的动力元件。柴油机正常工作时，尿素泵把尿素从尿素箱中吸出，持续稳定的尿素压力。当柴油机停止，不需使用尿素时，尿素泵可以把尿素管以及喷嘴中的尿素回抽至尿素箱中，清空尿素管，防止尿素在喷嘴和尿素管中结冰。,为了利于在柴油机停机后的尿素回流并防止因虹吸而造成尿素滞

15、留于喷嘴处，尿素液力系统部件最佳布置方案是由高到低分别为尿素喷嘴、尿素泵、尿素箱。尿素管路及所有的尿素管、加热型尿素管路都必须每隔20cm有个固定绑扎点，牢固绑扎在整车车架上进行支撑，否则管路的振动与自重会导致喷嘴或泵的接头断裂的情况，后果比较严重！,*,*,尿素泵是尿素喷射系统的动力元件。柴油机正常工作时，尿素泵把尿素从尿素箱中吸出，持续稳定的尿素压力 。当柴油机停止，不需使用尿素时，尿素泵可以把尿素管以及喷嘴中的尿素回抽至尿素箱中，清空尿素管，防止尿素在喷嘴和尿素管中结冰。,1、6尿素泵,*,加料装置本质上是一个智能泵，在发动机ECM的控制将尿素加料到喷射器喷嘴上进行喷射。 1、尿素加料泵

16、按照发动机ECM发出的CAN指令输送尿素溶液 。 2、尿素加料系统利用系统提供的压缩空气传送一定剂量的尿素到喷嘴上。 3、尿素加料泵具有一个内置加热装置。充许系统在外部温度为-40以下工作（尿素在-11结冻） 4、尿素加料泵集成了自诊断程序，通过J1939CAN通信接口发关OBO信息，向系统报告自身的运行状况。 5、尿素泵使用24V电压。,尿素加料装置（尿素泵）,*,1、4尿素喷嘴（Dosing Module） 尿素喷嘴安装在柴油机排气总管上，尿素喷嘴靠一路柴油机冷却水循环冷却。,*,尿素喷嘴,尿素喷嘴由不锈钢制成，喷射器管焊接在喷射器喷嘴体上。,*,喷嘴在排气弯管处布置较好，并尽量靠近排气管

17、，但必须保证喷嘴的使用温度限制。喷嘴的工作环境温度最大为120。 尿素以管路轴线方向喷入排气管，或与轴线存在一个很小的倾角。推荐喷射方向与排气管轴线成35夹角。以补偿废气流向引起的喷射反弹作用。,*,尿素喷嘴,尿素喷嘴按装位置,*,水加热方式的管路,*,加热尿素管的取水口在机油冷却器，水路走向一般是：机油冷却器水加热电磁阀尿素箱尿素进流管尿素回流管尿素压力管节温器座。对于尿素进流管、尿素回流管、尿素压力管的先后顺序没有特殊要求，一般怎么布置方便怎么走。 冷却尿素喷嘴的取水口在机油冷却器，回流口在节温器座。,*,水加热电磁阀 水加热电磁阀安装位置没有特别讲究，可布在冷却液管路中易于安装的位置。阀

18、体上标有流动方向，请注意安装方向。要求电磁阀朝上。,*,*,电加热只是将尿素进流管、尿素回流管、尿素压力管采用电加热方式，其余的管路走向与水加热一样。加热继电器由一个主继电器和四个控制继电器组成。当环境温度低于0，系统进行加热，继电器按一定周期开-合工作，加热周期最长为60S 。,*,SCR工作原理,SR是由ECM控制加料泵非常精确地喷射液体尿素到催化器上游的排气系统中，将发动机排气产生的氮氧化物NOX转化成氮所和水。SCR 工作原理如图。 在正常工作情况下，系统工作过程序为： 系统自检系统预注等待加料系统加料系统排控 系统自检：钥匙开关转到 ON位置。加料器加电自检， 驱动电机转一下，使驱动

19、 轮上的一个金属考点与电 路板上监测点对正后，驱 动电机停止转动，这时尿 素输送泵驱动杆处于释放 状态,*,系统注,1、每次发动机起动成功，开始运行时，系统都会开始预注阶段。加料器内隔膜泵开始全速度运转，尿素溶液通过隔膜泵循环并流加到尿素罐中。以便排空系统中的空气，该过和持续30s. 2、如果预注阶段成功：1）空气电磁阀在预注阶段末期通电打开，压缩空气进入加料器。2）检查尿素压力。3）隔膜泵停止工作。 3、如果预注阶段第一次不成功： 1）空气电磁阀即断电，切断空 气，隔膜泵电机将再次全速运转 30S。2）这一过程可重复20次， 如果20次后仍不能成功，SCR泵 状态控制加料器错误。,*,等待加

20、料,1、在预注阶段末期，空气电磁阀打开，加料器电机停止。 2、压缩空气一直进入喷嘴，隔膜泵不转，不喷尿素。 3、加料器现在准备好进行加料，加料阶段由发动机ECM根据发动机产生的氮氧化物和排气温度进行控制。 4、操作系统非满意足喷入尿素 的条件，加料器不会开始加入 尿素，但是发动机运转时，空 气通过加料器，喷嘴尿素供就 管和喷嘴待续加入，以避免喷 嘴堵塞。,*,系统排空,1、当钥匙开关转到OFF（断开）位置，系统进入清除阶段。压缩空气从喷嘴和加料器中流过。 2空气将任何残留的尿素从私法统中排出，否则这些液滴可能堵塞加料器单位向阀或喷液器喷嘴。此阶段将延续30S，然后系统关闭。 3、每次钥匙开关关

21、闭循环， 都会进行排空工作。 4、如果在发机正常运行期 待间，SCR 系统工作变为 现行故障，SCR系统将关闭,*,满足喷料条件,1、在催化器进口和出口排气温度都达到200以上时。 2、没有与SCR系统相关的OBD故障代码。 3、尿素罐头液位高于6%。 4、空气压力处于0.4MPa, 而尿素压力为0.3MPa. 5、尿素罐内尿素温度超过 -5 6、ECM根据车辆氮氧化物 算法，发出喷射命令。,*,后处理系统故障,目前已实现的故障诊断功能包括两部分，一是计量泵故障由计量泵自行诊断，通过CAN总线上的状态信息帧发送出来，另一部分是由DCU检测的SCR系统部件故障： 计量泵故障： 1、计量泵电磁线圈

22、短路或开路故障。 2、计量泵回流管堵塞故障。 3、计量泵内部加热故障。 4、压缩空气压力过低故障。 5、计量泵驱动单元故障。 6、计量泵EEPRKM故障。 SCR系统部件故障： 1、CAN通讯故障 2、所有传感器超限故障，开路故障短路故障，采样值固定输出故障等等; 3、尿素罐液位过低或过高故障。 4、冷却加热电磁阀工作故障。 5、催化剂是否脱故障。,*,电器原件参数,*,*,3、对燃油要求,*,*,使用成本变化,使用成本变化：由于要达到更为严格的排入水平，发动机采用了更精密的控制，对燃油的质量要求也更高。广州地区将用国四标准用油来代替国三标准用油。国四油肯定会比国三油贵，此前有媒体预测价格会上涨0.340.46元/升，涨幅约5%6%。另一项增加的开销就是需要定期添加尿素溶液的价格。 缺少尿素后车辆将无法正常运转所以就要跟加油站一样，建设有足够多尿素站，但国内几乎没有这样的尿素站及相关的配套设施。,*,选择性催化还原方法（SCR ）是对下游工质的一项处理工艺。其原理就是在售有NOX的尾气中喷入氨，尿素或者其它售氮化合物，使其中的NOX还原成N2和，还原反应在较高的温度范围（8501100）进行，不需要催化剂，称为选择性非催化来原（SNCR)。还原反应在男主角低的温度范围（315400）内进行，需要催化剂，称之为选择择性催化还原（SCR).,*,