1 当前欧洲排放法规简介欧4排放标准在欧洲市场从2006年1月1日对所有新注册的乘用车强制实施,满足欧4排放标准的车型认证从2005年1月1日开始有效,满足欧5排放标准的车型认证从2009年9月1日开始有效,欧5排放标准从2011年1月1日正式对所有新注册车辆强制实施,欧6排放标准从2 015年9月1日开始对所有新注册的车型强制实施。
欧6排放标准致力于减少废气中NOx的排放,和欧5排放标准相比,NOx排放要减少55.56%。
欧4、欧5和欧6排放标准规定的柴油机尾气排放值见表1所列。
采用1个氧催化还原转换器(CAT)和1个炭微粒转换器(DPF)足以满足欧4排放标准,然而要满足欧5排放标准则需要更多的元件,对于欧6排放标准而言,则需要在技术上进行更多的革新。
2 AdB lue欧洲柴油机尾气处理液称为AdB lue。
柴油机尾气处理液(国内俗称为汽车尿素、车用尿素、汽车环保尿素,在美洲称为DEF,在巴西称为ARLA32),是SCR(选择性催化还原器)技术中必须要用到的消耗品,其组成成分为32.5%的高纯尿素和67.5%的去离子水。
尿素(AdB lue)被分类为非危险品。
AdB lue是一种透明液体,有淡淡的氨水气味,如果溅出,水分蒸发,形成结晶。
车用SCR是通过尿素反应产生的氨气再与汽车尾气进行反应的一种技术,是被认证为满足欧5排放标准的综合排放控制系统,是一项控制柴油发动机排气中NOx的技术。
该系统的结构和工作原理如图1所示,AdB lue存储在一个安装在底盘上的AdB lue溶液箱中。
AdB lue溶液箱向安装在底盘上的AdB lue流量控制阀供应溶液。
AdB lue流量控制阀由发动机控制单元控制,AdB lue流量控制阀使用来自车辆系统的压缩空气来产生AdB lue喷雾,通过非常精确的计量和泵送系统输送到发动机排气系统内的AdB lue喷嘴处。
喷入排气中的AdB lue数量由发动机控制单元控制,在任意转速和负载状况下都能与发动机的NOx排放相匹配。
当与高温排气接触时,水迅速蒸发,尿素变成氨。
氨与NOx在催化器内反应,这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的N2和H2O。
3 奔驰蓝色科技奔驰的蓝色科技是一个模块化排放控制系统。
2008年1月,奔驰汽车公司首先在欧洲推出带蓝色科技的E300CDI Blue TEC, 2009年9月,奔驰汽车公司在欧洲对奔驰E级车、M级车、GL 级车和R级车推出新型6缸的蓝色科技发动机,这些车型能满足欧6标准。
从2009年9月起,3.0 L排量和155 kW的642发动机开始装配于奔驰E350、ML350和R350 Blue TEC车型上,奔驰GL350 Blue TEC车型上则装配了输出动力为160 kW的642.8发动机。
奔驰蓝色科技包含Blue TEC (NSK)和带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)两个版本。
3.1 Blue TEC(NSK)Blue TEC(NSK)为第一代奔驰蓝色技术,在装配BlueTEC(NSK)的车型上,采用1个氧催化还原转换器(CAT)+1个炭微粒转换器(DPF)+1个长效NSK(氮氧化合物储存还原转换器)+附加SCR(选择性催化还原器)构成的排放控制系统(图2)。
其工作原理如图3所示。
一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)在氧催化还原转换器(CAT)中转换成二氧化碳(CO2)和水(H2O);在过稀燃烧阶段,NSK储存在燃烧过程中产生的氮氧化合物(NOx),在再生阶段转换成氮气(N2)和水(H2O);在过浓燃烧阶段,化学反应产生氨气(NH3),然后储存在附加SC R(选择性催化还原器)中,并在过稀燃烧阶段消耗掉。
NSK下游的炭微粒转换器(DPF)储存废气中的炭微粒,之后在DPF再生阶段燃烧形成二氧化碳(CO2)。
在过稀燃烧阶段,不能储存至NSK 的氨气反应生成氮气和水。
特别提醒:装配NSK的车辆必须使用硫含量要小于10×10 -6的柴油,如果硫含量高于10×10 -6,NSK会被二氧化硫(SO2)污染并损坏。
3.2带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)为第二代奔驰蓝色技术,从2009年9月用于奔驰E350,ML350,GL350和R350 Blue TEC车型上,如图4所示,NSK被取消,废气通过1个氧催化还原转换器(CAT), 1个炭微粒转换器(DPF)和1个SCR(选择性催化还原器)被清洁过滤,排放系统中增加了1个AdB lue流量控制阀。
带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)的工作原理如图5所示。
SCR排放系统需要AdB lue雾状尿素水溶液,AdB lue雾状尿素水溶液是无毒、高纯度、无色的,由一个单独的溶液箱储放。
燃烧产生的NOx在SCR中减少,AdB lue雾状尿素水溶液通过AdB lue流量控制阀(Y129)喷入DPF下游的排气管中,AdB lue雾状尿素水溶液在AdB lue 流量控制阀和SCR之间与废气进行混合,通过SCR上游的混合元件使AdB lue雾状尿素水溶液在废气中有效混合,AdB lue雾状尿素水溶液释放出氨气(NH3),在SCR中,NOx在氨气和氧气的作用下转换成氮气(N2)和水(H2O)。
不被立即利用的多余的氨气储存在SCR中,在AdB lue雾状尿素水溶液不喷射时使用,这也意味着AdB lue雾状尿素水溶液仅喷射一段时间,并确保AdB lue雾状尿素水溶液使用更经济。
特别提醒:装配SCR选择性催化还原器的车型,必须使用低硫柴油(硫含量要小于50×10 -6),如果硫含量高于50×10 -6,DPF会被二氧化硫(SO2)污染并损坏。
柴油机在燃烧过程中被设计为满足最大效能和低炭微粒排放,然而NOx是在燃烧温度和压力下产生的,如果发动机要较少NOx排放,则炭微粒和燃油消耗必然要增加;要满足发动机最佳效能和高燃烧温度则不可避免地会生成大量的NOx。
带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)则是通过往排气管中注入AdB lue雾状尿素水溶液来减少不希望产生的NOx。
通过带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)这一技术可满足柴油机的最大效能、低炭微粒排放、低NOx排放和低燃油消耗。
带AdB lue雾状尿素水溶液的Blue TEC(SCR)技术在一定程度上是免维护的。
4 Blue TEC(SCR)的结构相比符合欧5排放标准的车型,带AdB lue雾状尿素水溶液的排放控制系统需要增加AdB lue 控制单元、AdB lue尿素水溶液箱、带AdB lue压力传感器的AdB lue运输模块(A103/2)、AdB lu e箱温度传感器、AdB lue箱加热元件、Ad-Blue压力管路加热元件、AdB lue箱液位传感器(满)、Ad-Blue箱液位传感器(空)、AdB lue流量控制阀,AdB lue混合元件、SCR催化还原器、SCR上游温度传感器、AdB lue供电继电器、SCR下游NOx控制单元、pPF下游NOx控制单元、DPF下游NOx 传感器、SCR下游NOx传感器和压力管路等元件。
带AdB lue雾状尿素水溶液的排放控制系统的构成如图6所示。
AdB lue控制单元安装在后备箱下面靠近AdB lue尿素箱处,AdB lue控制单元通过通过发动机传感器CAN从共轨柴油喷射(CDI)控制单元接收需要喷射的AdB lue尿素量的信息,计算AdB lue 喷射量。
AdB lue供给泵产生500 kPa的压力(如果系统压力不能达到500 kPa,CDI控制单元中便会记录故障代码并显示在仪表盘上)输送AdB lue尿素,AdB lue尿素通过AdB lue流量控制阀喷入SCR催化还原器上游,在系统压力建立阶段和运行阶段,AdB lue控制单元通过PWM信号控制AdB l ue流量控制阀动作以释放系统中的空气,防止AdB lue压力管路中在压力建立或回流时有空气。
A dB lue流动过程中可以带走热量,以防止AdB lue流量控制阀过热。
AdB lue控制单元通过控制AdB lue尿素箱加热元件、AdB lue运输模块加热元件和AdB lue压力管路加热元件以防止AdB lue尿素被冻结。
每次发动机熄火后,AdB lue尿素通过AdB lue供给泵回流至AdB lue尿素箱里,以防止其在管路中冻结。
AdB lue尿素箱由塑料制成,安装在后备箱底部,主要由AdB lue缓冲箱、AdB lue尿素箱温度传感器、AdB lue尿素箱加热元件和AdB lue尿素箱液位传感器组成。
当Ad-Blue尿素箱第一次加注AdB lue溶液时,AdB lue尿素箱必须完全加满,以确保AdB lue缓冲箱被溶液填充,否则,当AdB l ue溶液被吸出时,空气也会随着被吸出,不能保证系统压力为500 kPa,当AdB lue溶液被吸出时,部分吸出的AdB lue溶液通过运输模块上的旁通管路流至AdB lue缓冲箱中。
CA T用来将柴油燃烧过程中产生的CO和HC转换成CO2和H2O。
DPF用于过滤和储存燃烧过程中产生的炭颗粒,并确保DPF再生过程中炭颗粒被燃烧。
DPF的结构原理如图9所示。
对于装配NSK的车辆,DPF安装在车辆地板下方,对于装配SCR的车辆,DPF安装在发动机室的防火墙处。
对于SCR车型,DPF与CA T使用同一个壳体,而NSK车型是分开的。
炭颗粒负荷状态由DPF上、下游废气压力决定,CDI控制单元通过DPF上、下游压差传感器来测量其负荷状态。
NOx传感器安装在NOx控制单元上,NOx控制单元固定在车辆地板下面,对于带AdB lue的SCR车辆,废气中NOx浓度可通过SCR上、下游NOx传感器分别测量,NOx传感器的测量范围为0×10 -6~500×10 -6,但最大可输出1 650×10 -6。
为了让NOx传感器尽快达到工作状态,NOx 传感器中装配有一个加热器。
NOx传感器信号经NOx控制单元处理后,再通过发动机传感器CAN 传输至CDI控制单元。
如图10所示,NOx传感器的陶瓷探头中包含两个反应室(双反应室传感器),第一个反应室的工作原理与宽频型氧传感器工作原理相同,用于测量废气中的氧浓度,通过对第一反应室的电极上施加泵电压,使氧离子分离成两个氧离子,这些氧离子被泵出或泵入反应室直到电极上的电压保持在450 mV,泵电流的强度间接反应了废气中氧的浓度。
在第二个反应室,NOx在电极上被分解成氮气和氧气,氧气被泵出反应室,泵电流2的强度就间接地反应了废气中NOx的浓度。