中國重汽空氣輔助式SCR系統(tǒng)簡介

王秋花，高發(fā)廷，劉永春，潘飛

（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東濟(jì)南　250002）

中國重汽空氣輔助式SCR系統(tǒng)簡介

王秋花，高發(fā)廷，劉永春，潘飛

（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東濟(jì)南250002）

介紹中國重汽自主研發(fā)的空氣輔助式SCR尿素噴射系統(tǒng)，闡述其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理及系統(tǒng)使用時的注意事項(xiàng)。

空氣輔助；SCR系統(tǒng)；國IV排放；尿素噴射

目前大氣污染日益嚴(yán)重，其中柴油動力的汽車是一個重要污染源。為了保護(hù)環(huán)境，世界各國相繼出臺了控制汽車尾氣排放的相關(guān)法規(guī)。越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)使得單純的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難滿足法規(guī)要求，必須依靠機(jī)外后處理技術(shù)予以輔助。目前主要技術(shù)路線就是選擇性催化還原（SCR），通過向廢氣內(nèi)噴射尿素溶液的方法，將廢氣中的NOx還原為無害的氮?dú)?、二氧化碳和水。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對SCR系統(tǒng)的需求也就越來越大。本文介紹中國重汽研發(fā)生產(chǎn)的一款空氣輔助式SCR系統(tǒng)。

1　實(shí)現(xiàn)國IV排放的技術(shù)路線

隨著發(fā)動機(jī)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，很多國家都在開發(fā)排放控制技術(shù)。這些技術(shù)基本上可分機(jī)內(nèi)優(yōu)化措施和排氣后處理兩類。表1列出了排放控制技術(shù)的基本工作原理以及各自的缺點(diǎn)。

從重型柴油機(jī)的發(fā)展來看，第I階段一般采用增壓技術(shù)來滿足排放要求，第Ⅱ階段進(jìn)行了增壓中冷，第Ⅲ階段引入了電控燃油噴射技術(shù)，第Ⅳ階段需要在上述基礎(chǔ)上對排氣進(jìn)行后處理。目前國內(nèi)均采用選擇性催化還原技術(shù)（SCR），技術(shù)路線如下：優(yōu)化柴油機(jī)的噴油MAP，把顆粒排放降低到某一適中水平，同時允許NOx排放升高，然后再通過選擇性催化還原技術(shù)把NOx的排放降低。采用這一路線可以同時達(dá)到減低顆粒排放、NOx排放以及優(yōu)化油耗的目的［5］。

2　空氣輔助SCR系統(tǒng)的組成及工作原理

中國重汽空氣輔助SCR后處理系統(tǒng)由中國重汽完全自主研發(fā)，采用選擇性催化還原裝置（SCR）。該系統(tǒng)可靠性好、成本低，完全符合國Ⅳ／歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，具備OBDⅡ功能。目前已標(biāo)配在MC11、MC07、MC05及D10B等發(fā)動機(jī)機(jī)型上。表2為目前中國重汽的主要車系及安裝后處理情況。

2.1系統(tǒng)工作原理

SCR系統(tǒng)由催化消聲器、尿素泵箱、尿素罐、尿素噴嘴、后處理控制單元（DCU）及相應(yīng)管路和線束構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　空氣輔助SCR系統(tǒng)原理圖

表1　排放控制技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

表2　中國重型汽車及安裝SCR系統(tǒng)情況

2.2SCR系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)上電后，車輛控制單元DCU檢測發(fā)動機(jī)和整車工作狀態(tài)，根據(jù)車輛和發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)提供的參數(shù)，以及氮氧化物傳感器提供的數(shù)據(jù)，判定是否需要SCR系統(tǒng)工作。如果需要SCR系統(tǒng)工作，DCU控制系統(tǒng)開關(guān)電磁閥打開，發(fā)動機(jī)儲氣筒的壓縮空氣經(jīng)減壓穩(wěn)壓閥將壓力降低并穩(wěn)定在0.2MPa，經(jīng)噴射器的外噴口噴入發(fā)動機(jī)排氣管；同時，DCU控制尿素泵抽取尿素溶液，當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅鳈z測到蓄能器壓力出現(xiàn)上升時，確認(rèn)尿素管路已充滿，可以進(jìn)入尿素噴射狀態(tài)。DCU計(jì)算當(dāng)前工況下的尿素需求量，控制尿素泵進(jìn)行精確計(jì)量，向排氣管內(nèi)噴入尿素溶液。工作過程中，后處理控制單元DCU根據(jù)排氣溫度傳感器檢測的排氣溫度和氮氧化物傳感器檢測的排氣中氮氧化物NOx濃度，調(diào)整噴射量。如果出現(xiàn)NOx濃度超標(biāo)的情況，則DCU進(jìn)行報警或限制發(fā)動機(jī)功率。發(fā)動機(jī)停止工作后，DCU停止尿素噴射，同時控制管路排空電磁閥打開，壓縮空氣進(jìn)入尿素泵入口的負(fù)壓管路，尿素泵繼續(xù)工作，將壓縮空氣泵入尿素泵至尿素噴嘴的壓力管路，將尿素泵、尿素壓力管、尿素噴嘴中的殘余尿素排出，同時在壓縮空氣的壓力作用下，尿素負(fù)壓管和尿素濾清器中的殘余尿素溶液也被壓回尿素儲存箱，避免尿素低溫結(jié)冰或結(jié)晶，堵塞尿素管路或損壞尿素泵和濾清器。

由于液體尿素在-11℃以下會結(jié)晶，因此行駛在寒區(qū)的車輛需要加熱裝置除霜解凍。需要加熱的部分分別是尿素箱、尿素管和尿素泵，其中尿素管采用電加熱，尿素箱及尿素泵采用發(fā)動機(jī)冷卻液加熱。目前加熱系統(tǒng)為選配。

2.3系統(tǒng)部件組成

中國重汽空氣輔助SCR系統(tǒng)主要由如下部件構(gòu)成，參照表3。

表3　中國重汽空氣輔助SCR系統(tǒng)構(gòu)成

2.3.1尿素液位溫度傳感器與尿素泵箱集成式系統(tǒng)

尿素液位溫度傳感器與尿素泵箱集成式系統(tǒng)包括：尿素溶液泵、尿素壓力傳感器、氣壓傳感器、減壓穩(wěn)壓電磁閥、尿素濾芯、尿素液位溫度傳感器、冷卻水單向閥等部件。SCR尿素噴射系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　SCR尿素噴射系統(tǒng)

2.3.2尿素液位測量及溫度探測

尿素液位傳感器將液位信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘?，高低不同的液位反饋出不同的電阻，加電后向控制單元傳輸不同的電流信號，控制單元依此判斷?shí)際尿素液位，并直觀地顯示到儀表上。當(dāng)尿素液位不高于10%時，儀表板上指示燈會長亮，提示用戶及時添加尿素溶液。尿素液位測量及顯示如圖3所示。

圖3　尿素液位測量及顯示

2.3.3尿素濾芯可更換設(shè)計(jì)

如果車輛工作環(huán)境惡劣，需要經(jīng)常更換濾芯。為方便拆裝濾芯以及節(jié)省成本，尿素泵設(shè)計(jì)為可從外部更換濾芯的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

2.3.4DCU的設(shè)計(jì)與開發(fā)

DCU主要功能是采集各傳感器的信號，并根據(jù)CAN總線上的發(fā)動機(jī)工況信息和各傳感器信號，控制尿素的噴射時刻和噴射量，控制策略的合理與否直接影響到NOx轉(zhuǎn)化率的高低與氨氣泄漏的水平。還可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時診斷，對系統(tǒng)出現(xiàn)的不同狀態(tài)做出及時反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)車載診斷（OBD）功能。

DCU硬件設(shè)計(jì)包括電源模塊、單片機(jī)接口模塊、輸出驅(qū)動模塊、輸入信號處理模塊、CAN總線通信模塊，其系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4　從外部更換濾芯的設(shè)計(jì)

圖5　DCU硬件系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)安裝要求

3.1DCU安裝要求

DCU外形尺寸為181mm×123mm×57 mm，工作環(huán)境溫度為-40～85℃，防護(hù)等級為IP67，其外觀如圖6所示。

3.1.1散熱要求

DCU在正常工作過程中會產(chǎn)生一定的熱量，必須通過傳導(dǎo)、對流以及輻射等方式將熱量散發(fā)出去，以保證DCU的工作溫度處于合理的范圍內(nèi)。因此，DCU的布置必須合理，保證散熱良好，注意事項(xiàng)如下。

圖6　后處理控制單元DCU及缺口示意圖

1）DCU布置應(yīng)通風(fēng)良好，且附近有一定的空間（建議有100mm以上的距離），以利于DCU散熱。

2）嚴(yán)禁DCU被隔熱材料包裹，或布置在密閉空間內(nèi)。

3）DCU一定要避免布置在排氣管與增壓器等高熱源直接輻射范圍內(nèi)。

4）嚴(yán)禁DCU的外殼被灰塵、泥土等污垢覆蓋。

3.1.2振動要求

由于發(fā)動機(jī)周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、變速箱振動以及車身振動等因素，DCU會受到各種頻率振動的影響，因此在布置DCU時，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

1）通過4個固定螺栓固定在尿素箱支架上。

2）應(yīng)遠(yuǎn)離振動源，如發(fā)動機(jī)、起動機(jī)以及氣泵等。

3）DCU線束在接入前應(yīng)捆扎和固定牢靠，避免將振動傳遞到DCU上。

4）正常工作時，DCU的振動頻率應(yīng)小于500Hz。

3.1.3外部環(huán)境要求

DCU的布置位置應(yīng)盡量高而且干燥，注意事項(xiàng)如下。

1）該控制系統(tǒng)滿足車載使用要求，使用環(huán)境溫度為-25～85℃，耐震、耐油、防水。

2）避免接觸油、水以及腐蝕性液體，特別是DCU插接件的防護(hù)，避免被油、水浸泡。

3）避免油、水等液體在DCU表面，特別是線束插接件表面的附著與殘留。

4）DCU的布置位置應(yīng)遠(yuǎn)離地面、車輪等容易出現(xiàn)濺水、濺泥、濺石與水霧等地方。

3.1.4安裝方向

1）豎直安裝，避免油、水等在DCU表面滯留。

2）DCU殼體上“缺口”朝上布置，保證線束插接件的出線位置朝下（圖6）。

3）線束接入DCU前應(yīng)捆扎牢靠。

3.1.5EMC和EMI要求

1）應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場或大功率電器，如起動機(jī)、發(fā)電機(jī)等。

2）與起動機(jī)等大功率電器的最小距離為50cm。

3）避免線束中未使用的導(dǎo)線接入DCU，從而導(dǎo)致天線效應(yīng)。

3.2氮氧傳感器

NOx傳感器用于測量催化器反應(yīng)后NOx的濃度，其信號用于添藍(lán)噴射的閉環(huán)控制和OBD功能。由感應(yīng)器和控制單元兩部分組成，之間的電纜長908mm。感應(yīng)器安裝在催化消聲器上設(shè)制的安裝孔內(nèi)，扭緊力矩50±10Nm，控制單元安裝在附近的車架上。

調(diào)整催化消聲器的軸向安裝角度，盡量使NOx傳感器安裝孔位于催化消聲器的上半圓位置（圖7），NOx傳感器不能位于催化消聲器的最低位置，因?yàn)榕艢庵械乃魵饫淠纬傻囊簯B(tài)水濺到傳感器上或者積液浸泡，都會造成該傳感器的損壞。

圖7　NOx傳感器及安裝方向示意

NOx傳感器電纜感應(yīng)器端的最后一個固定點(diǎn)到感應(yīng)器之間的電纜，要留出安全彎，此部分留長的電纜是為了補(bǔ)償車輛行走時催化消聲器的振動，以免拉斷電纜，如圖8所示。

圖8　NOx傳感器電纜留長示意

3.3SCR尿素噴射系統(tǒng)

尿素噴射系統(tǒng)的作用是將尿素溶液按照需求量送到噴嘴，然后噴入排氣管。其內(nèi)部集成尿素溶液泵、集成式空氣電磁閥、冷卻水電磁閥等功能。外形尺寸為170mm×158mm×192mm（含液位溫度傳感器為170 mm×158 mm×609 mm），重約2.9 kg，其外觀及接口功能如圖9所示。其安裝要求如下。

1）為空氣管、加熱管、噴射管和尿素濾芯預(yù)留足夠的拆裝空間。

2）泵外輪廓以外100 mm范圍內(nèi)，不能布置阻止拆裝的部件，如圖10a所示。

3）尿素濾芯一側(cè)需要留150mm的空間，如圖10b所示。

4）為便于泵及傳感器在底盤上拆裝，需給予泵上方一個拆裝空間，如圖10c所示。

5）預(yù)留空間最小Hmin=225mm。

6）將泵及傳感器總成全部拆出，需預(yù)留空間H= 525mm。

圖9　SCR尿素噴射系統(tǒng)外觀及接口功能

圖10　尿素濾芯安裝要求

3.4尿素噴嘴

尿素噴嘴是一個不銹鋼噴射器，安裝在排氣管的噴嘴底座上，其安裝位置及要求如圖11所示。

為避免尾氣管的熱流上升，導(dǎo)致噴射模塊額外的熱傳遞，應(yīng)避免在排氣管上旋轉(zhuǎn)角度315°～45°之間（圖11d橙色）的范圍內(nèi)安裝尿素噴嘴。推薦安裝位置在45°～85°之間及275°～315°之間（圖11d綠色）的角度范圍內(nèi)。噴嘴定位銷要求朝向氣流的方向。

3.5排溫傳感器

排溫傳感器應(yīng)布置在SCR催化轉(zhuǎn)化器的上游，將溫度傳感器固定在排氣管的排溫傳感器座上，具體安裝位置及安裝示意圖見圖12。

圖11　尿素噴嘴安裝位置及要求

圖12　排溫傳感器

4　結(jié)束語

中國重汽柴油機(jī)性能優(yōu)異、耐久性好、性價比高，已經(jīng)在國內(nèi)柴油機(jī)市場形成了品牌優(yōu)勢。目前中國重汽電控高壓共軌+空氣輔助SCR后處理系統(tǒng)的國Ⅳ柴油機(jī)，已開始為整車廠配套。

［1］張永棟.柴油機(jī)Urea-SCR尾氣處理系統(tǒng)的技術(shù)研究［D］.華南理工大學(xué)，2011.

［2］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005. 253-266.

［3］王賢.改善機(jī)車柴油機(jī)排放的試驗(yàn)研究［M］.內(nèi)燃機(jī)車，2006（386）：1-5.

［4］N.Hakim，J.Hoelzer，Y.Liu.NOx Absorbers for Heavy Duty Truck Engines Testing and Simulation.Daimler-Chrysler.1-28.

［5］劉丙善.Urea-SCR排氣后處理系統(tǒng)在重型柴油機(jī)中的應(yīng)用［D］.武漢理工大學(xué)，2010.

（編輯心翔）

Introduction of CNHTC Air-assisted SCR System

WANG Qiu-hua，GAO Fa-ting，LIU Yong-chun，PAN Fei
（China National Heavy Duty Truck Group R&D Centre，Jinan 250002，China）

This paper introduces an air-assisted SCR urea injection system that is independently developed by CNHTC，demonstrates its system structure components，working principals and using instruction.

air-assisted；SCR system；national standard level IV emission；urea injection

U463.6

B

1003-8639（2016）07-0011-05

2015-11-30；

2015-12-14

王秋花（1984-），女，碩士，主要從事柴油機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)研究。