柴油重型载货汽车京V电控及后处理技术

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柴油重型载货汽车京V电控及后处理技术

 

摘要:根据《北京市2013-2017年清洁空气行动计划》要求,即京V(北京机动车第五阶段排放标准)要求,阐述柴油重型载货汽车京、电控及后处理技术的电控系统及工作原理,通过电控和化学反应的方式达到净化尾气的效果。

    根据《北京市201-3-2017年清洁空气行动计划》1119 2014年底,新增重型柴油车全部实施第五阶段机动车排放标准,其中市域内使用的重型柴油车必须安装颗粒捕集器,即京V要求。京V是北京地区率先实施的排放要求,是由国V排放向国VI排放要求的过渡阶段,其排放法规要求高于国V。

    1 京V后处理系统及化学反应原理
    京V后处理系统包含DOC、DPF及SCR等3个模块,如图1所示。

    1.1  DOC-DPF系统组成与化学反应原理
    DOC-DPF系统由DOC、 DPF及DPF主动再生系统(DPM)组成。
    DOC (Diesel Oxidation Catalysis,即颗粒物的氧化催化器)是在蜂窝陶瓷载体上涂覆贵金属催化剂(如Pt/Pb等),其目的:一是为了降低柴油机尾气中的HC、CO和SOF的化学反应活化能,使这些物质能与尾气中的氧气在较低的温度下进行氧化反应,并最终转化为CO2和H2O;二是将排气中的NO氧化成NO2,为DPF被动再生提供足够的反应物,以实现较高DPF被动再生效率。
    DPF (Diesel Particulate Filter,即颗粒物的捕集器)主要是通过扩散、沉积和撞击机理来过滤捕集柴油机排气中微粒。排气流经捕集器时,其中微粒被捕集在过滤体的滤芯内,剩下较清洁的排气排入大气中。
    DPF主动再生系统即DPM (Departronic Module)、用于将柴油喷入发动机排气管中。柴油在DOC中燃烧,以提高废气的温度,促使DPF内捕集的炭颗粒的氧化(约400~600℃) 。
    DOC-DPF系统基本化学反应原理是:当柴油机排气流过氧化型催化剂DOC时,在200~600℃温度条件下,首先CO和HC几乎全部被氧化成CO2和H2O,同时NO被转化成NO2;排气从DOC出来进入颗粒捕集器DPF后,其中微粒被捕集在过滤体的滤芯内,剩下较清洁的排气排入大气中,DPF的捕集效率可达95%以上。
    N02对被捕集的颗粒有很强的氧化能力,利用产生的N02作为氧化剂除去微粒捕集器中的微粒并生成CO2,而NO2又被还原为NO,从而达到去除微粒的目的。
    1.2  SCR系统组成与化学反应原理
    SCR (Selecti V e Catalytic Reduction,即选择性催化还原)是消除柴油机排气中氮氧化物的主要后处理技术之一,利用还原剂NH3降低污染物NOX排放,以满足京V排放法规对于NOX的限值要求。根据功能主要分为控制单元、尿素剂量单元和催化反应单元3部分,系统组成及布局如图2所示。

    SCR系统基本化学反应原理:排气从增压器涡轮流出后进入排气管中,同时由安装在DPF后的排气管上的尿素喷射单元将适量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中,尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应,生成所需要的还原剂NH3,NH3在催化剂的作用下将NOX有选择性地还原为N2,反应示意如图3所示。

 

    2 后处理相关传感器及参数
    1)压差传感器压差传感器用于测量DPF两端的压差,提供给ECU以计算出此时DPF内部的碳载量。DPF上游的引气管连接在压差传感器的高压端P2,DPF下游的引气管连接在压差传感器的低压端P1。参数范围:工作电压5V;压力范围0~100 kPa;温度范围-40~130℃。
    2)排气温度传感器后处理温度传感器一共有4个:分别测量DOC前温度、DPF前温度、SCR前温度和 SCR后温度,提供给ECU进行温度控制。测量温度范围:-40~1000℃;测量精度:-40~200℃ 、±3℃;200~1000℃,±1.5%;环境温度:-40~180℃。
    3)环境温度传感器环境温度传感器的主要作用是为后处理系统提供外界温度条件,以对后处理系统是否需要加热进行判断。环境温度传感器的电气参数:温度测量范围-40~140℃;相对大气温度的最大偏差为±2.5℃,在-10~25℃最大偏差不应超过1℃。
    4)氮氧传感器氧传感器的作用是测量尾气的氮氧浓度,用于SCR闭环控制和OBD检测。氮氧传感器ECU电压为24 V 、最小电压为16V,最大电压为36 V;正常电流为0.6 A,峰值电流为12 A ; CAN传输速率为250 kb/s;测量范围0~1500 ppm。
    5)尿素箱传感器尿素箱传感器总成为无源控制方式,由发动机ECU供电。尿素箱传感器电气总成要求:工作电压5V,最大允许电压48V,温度测量范围-40~85℃,相对真实温度的最大偏差为±2.5 0C,在-10~25℃最大偏差不应超过1℃。

 3 系统内相关器件要求
    1)指示灯OBD指示灯:电流限值<49.9 mA ;DPF指示灯:电流限值<1 A。
    2)开关主制动开关、副制动开关的电流限值≥6.3 mA;电压限值中的高电平>4.35 V,低电平<2.2 V。空档开关的电流限值≥0.4 mA;电压限值中的高电平>4.35 V,低电平<2.2 V。离合开关和诊断请求开关的电流限值≥6.3 mA;电压限值中的高电平>5.04 V,低电平<<1.4V。
    3)继电器尿素泵加热继电器所能承受的负载电流不小于10A。
    4)电磁阀冷却液开关电磁阀工作压力0.07~1.6 MPa,电流最大值为10A。
    5)传感器车速传感器的电流限值≥1.7 mA ;电压限值高电平>4.98 V,低电平<4.13 V。
    4 电控系统组成及工作原理
    电控系统由DPF主动再生系统和SCR系统组成,工作原理如图4所示。

    4.1  DPF主动再生系统
    DPF主动再生系统即DPM,由燃油计量单元MU和燃油喷射单元IU两部分组成。燃油计量单元主要作用是从发动机低压油路取油,把具有一定压力的燃油供给燃油喷射单元,同时实现对燃油供给量的控制功能;燃油喷射单元是一个机械部件,当压力满足条件时,打开IU喷射阀,喷入柴油进行主动再生。柴油在颗粒捕集器前方的催化器中燃烧,以增加尾气的温度促使炭烟的氧化(从400℃到600℃) 。
    MU包括1个壳体,内含1个切断阀,2个压力传感器(上游压力温度传感器、下游压力传感器),1个温度传感器和1个喷射阀。
    IU包括喷射阀(IV)和冷却水流道(CA)。喷射阀使柴油雾化,并把雾化的柴油喷入尾气管中。
    DPM应用整体要求如下。
    1) DPM系统可应用于4.0~18 L发动机。
    2)供给电压:24 V直流电压,压力和温度传感器为4.75~5.25 V。
    3)油压范围:相对于废气压力4~8 bar。
    4)燃油温度:-25~90℃。
    5)最大喷射量(压力均为相对压力):低压管路为176 g/min@4 bar,371 g/min@ 8 bar;高压管路为248 g/min@4 bar,518 g/min@8 bar;超高压管路为306 g/min@4 bar,681 g/min@4 bar
    6)喷雾直径:约为100μM
    7)雾化角度:约为50°。
    8)冷却液要求:20~70 L/h(取决于废气流量,喷嘴的最大承受温度为230℃)。
    9)计量单元和喷射单元的油管要求为硬管,长度为1~2.5 m,直径为4 mm。

    4.2 SCR系统
    SCR系统的控制单元与发动机的控制单元ECU集成在一起,主要是用来执行SCR控制策略,并根据环境温度、排气温度、尿素液位、尿素温度、尿素压力、NOX浓度等传感器信号控制尿素剂量单元,根据需求定时定量地将尿素溶液喷射到排气气流中;尿素剂量单元主要包括尿素箱、尿素供给单元、尿素喷射单元、加热组件及连接管路和线路,保证尿素溶液的充分雾化和分解;催化反应单元主要包括SCR催化剂及其封装,用来将柴油机排气中的主要有害成分NOX还原为氮气和水。
    在尿素箱顶部安装有传感器总成,底部安装有残液释放螺塞孔。尿素管路系统包含3条尿素液力管路:吸液管路(从尿素箱至尿素泵)、回流管路(从尿素泵至尿素箱)、压力管路(从尿素泵至尿素喷嘴)。
    对尿素喷嘴进行冷却的发动机冷却液经发动机流出后,通过尿素喷嘴顶部的其中一个冷却水管接头流入尿素喷嘴内部,完成冷却循环后从另一个冷却水管接头流出。系统的冷却水管路布置如图5所示。尿素系统对尿素泵和尿素管路采用电加热方式。尿素泵内置电加热装置,尿素管路由加热电阻元件包裹。

    5 总结
    综上所述:柴油重型载货汽车京V电控及后处理技术工作原理,是发动机排气经过进气口进入DOC-DPF-SCR总成内部后,在进气口多孔板的作用下使气体均匀性达到一定要求后进入DOC部件内部,经过DOC处理的气体HC、CO和SOF会得到有效减少;然后气体进入DPF部件内部,经过DPF的过滤作用,气体中的PM含量和PN数会达到要求以下;然后气体进入尿素混合管中,与尿素喷嘴喷射的尿素充分混合,使其分解出氨气,废气与氨气混合均匀的气体进入SCR部件,在催化剂的作用下将NOX反应掉,达到降低NOX的目的,最终经过DOC-DPF-SCR总成处理的发动机排气再排到大气中。各系统之间通过电控系统进行控制,达到较好的化学反应效果,同时电控系统检测尾气的相关气体参数的含量,修正相关控制数据,从而达到较好净化尾气的作用。