汪 暉

（東風(fēng)汽車(chē)有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

我國(guó)目前已成為世界上汽車(chē)發(fā)展?jié)摿薮蟮膰?guó)家，汽車(chē)需求不斷增長(zhǎng)，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)也在不斷提高，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)也提出了越來(lái)越高的要求。國(guó)家相繼頒布了GB 18352.3—2005《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法 （國(guó)III、 IV階段）》、GB 17691—2005 《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法 （國(guó)III、IV、V階段）》和GB 14762—2008《重型車(chē)用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法 （國(guó)III、IV階段）》。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝有汽油、柴油、CNG（Compressed Natural Gas，壓縮天然氣）、 LNG （Liquefied Natural Gas，液化天然氣）氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)輕型、重型汽車(chē)的排放污染物進(jìn)行了有效的控制，降低了汽車(chē)排放污染，改善了環(huán)境空氣品質(zhì)。

柴油機(jī)的排放污染物成分很多，但根據(jù)技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)需要控制的污染物有:顆粒 （PM）、氮氧化物NOx、一氧化碳CO和碳?xì)浠颒C 4種。一般柴油機(jī)的CO和HC排放容易控制，但PM和NOx排放比較難控制，而且PM排放與NOx排放、NOx排放與燃油經(jīng)濟(jì)性之間又相互矛盾，因此降低NOx和PM的排放、降低燃料消耗是柴油機(jī)開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)。

減少柴油機(jī)排放的技術(shù)方法有機(jī)內(nèi)凈化控制方法和機(jī)外后處理方法。機(jī)內(nèi)凈化方法指采用先進(jìn)的燃燒控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)清潔燃燒，降低排放量。在國(guó)III排放階段主要采用機(jī)內(nèi)凈化方法，一般不需要采用機(jī)外后處理方法；對(duì)國(guó)IV排放，通?？紤]采用后處理方式。

由于NOx主要在高溫富氧情況下產(chǎn)生，影響其的關(guān)鍵因素是燃燒溫度?？刂迫紵郎囟鹊姆椒ㄓ性鰤褐欣浼夹g(shù)，降低進(jìn)氣溫度，降低壓縮比，推遲噴油時(shí)間；采用廢氣再循環(huán)EGR來(lái)控制燃燒速度和溫度，降低氧濃度等。減少NOx排放的后處理裝置主要由采用尿素溶液作為還原劑的SCR（尿素選擇性催化還原反應(yīng)）系統(tǒng)、被動(dòng)型的De NOx（去氮氧化物）氧化催化器等。

PM排放物是一種復(fù)合物，主要有機(jī)油消耗產(chǎn)生的可溶揮發(fā)性有機(jī)顆粒物、燃油消耗產(chǎn)生的可溶有機(jī)顆粒物、硫酸鹽、水及不可溶的有機(jī)顆粒物等成分。因此，控制PM排放的有效措施是采用高壓噴射、控制機(jī)油消耗、選擇好的油品等。

自2003年歐洲主要商用車(chē)制造商，如VOLVO、MAN、DAF等都選擇SCR技術(shù)減少NOx排放，并且達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際使用中，長(zhǎng)途載貨車(chē)一般采用SCR技術(shù)，短途運(yùn)輸或公交車(chē)一般采用EGR（廢氣再循環(huán)反應(yīng)）和DPF（柴油顆粒捕捉器）技術(shù)。對(duì)長(zhǎng)途載貨車(chē)來(lái)說(shuō)，燃油經(jīng)濟(jì)性是最關(guān)健的因素。用戶(hù)在考慮燃油成本后，一般選擇添加尿素的SCR技術(shù)柴油車(chē)，同時(shí)，柴油顆粒捕捉器必須經(jīng)常清潔，對(duì)長(zhǎng)途使用者來(lái)說(shuō)這種維護(hù)困難并且無(wú)法保證。對(duì)于短途運(yùn)輸或公交車(chē)，燃油成本不再是關(guān)鍵因素，并且顆粒捕捉器也容易維護(hù)，所以使用者考慮EGRDPF技術(shù)的柴油車(chē)。

1 SCR技術(shù)

1.1 SCR工作原理

圖1為SCR噴射系統(tǒng)電氣原理圖。SCR的工作原理是利用還原尿素在尾氣管道中經(jīng)過(guò)加熱和水解成氨氣NH3，氨氣和NOx在催化劑的作用下，反應(yīng)生成無(wú)毒的氮?dú)釴2和水。

SCR系統(tǒng)由催化劑系統(tǒng)、尿素供應(yīng)系統(tǒng)、尿素噴射及控制系統(tǒng)3部分組成，見(jiàn)圖2。

催化劑系統(tǒng)安裝在排氣管上，是將一種化學(xué)物質(zhì)涂敷在載體表面，當(dāng)有氨氣的情況下，可以將NOx轉(zhuǎn)化成無(wú)毒的物質(zhì)。

尿素供應(yīng)系統(tǒng)是將32.5%水溶液的尿素存儲(chǔ)在尿素罐內(nèi)，但在-20℃時(shí)，該尿素溶液會(huì)凍結(jié)。

尿素噴射及控制系統(tǒng)要對(duì)尿素噴射量進(jìn)行精確控制，以保證NH3和NOx有適當(dāng)?shù)谋壤?。尿素噴射條件如下:①空氣壓力:0.2～0.5MPa；②尿素罐液位:≥5%；③EGP（尿素噴射泵）溫度:200℃；④發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度:≥70℃；⑤尿素液溶液溫度:-7～40℃；⑥海拔高度:＜1600m；⑦發(fā)動(dòng)機(jī)工作在排放區(qū)。

1.2 SCR后處理的電控單元DCU（后處理單元）

圖3為SCR后處理電控單元原理。DCU通過(guò)CAN總線(xiàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通信，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)采集催化器前后溫度信號(hào)，根據(jù)事先標(biāo)定好的各種脈譜，適時(shí)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作情況下SCR系統(tǒng)的噴射量，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx成分被精確還原。

2 EGR技術(shù)

EGRDPF的工作原理是通過(guò)EGR系統(tǒng)，將NOx排放值盡可能降低，而通過(guò)顆粒捕捉器將顆粒的排放值減小到低于標(biāo)準(zhǔn)值。

EGR系統(tǒng)也叫廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由EGR閥、控制器、EGR冷卻器和EGR連接管路組成。工作原理是:將柴油機(jī)的一部分排氣冷卻后，再返回發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，參與燃燒過(guò)程。廢氣中有CO2、H2O、N2等，其中CO2、H2O的比熱容較高，這樣可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣的比熱容，降低可燃混合氣點(diǎn)火的缸內(nèi)溫度，使燃燒過(guò)程溫度降低。同時(shí)，引入EGR后，缸內(nèi)混合氣氧的濃度降低，燃燒速度和放熱速度減慢，以有效降低NOx排放物的生成。

金屬顆粒捕捉器收集顆粒的工作原理是:直接捕捉無(wú)法通過(guò)載體通道的較大顆粒物；顆粒沿載體通道流動(dòng)過(guò)程中，由于溫度梯度，使小顆粒在低溫表面被捕捉；載體通道表面的金屬氈具有吸附能力，可以將表面的小顆粒捕捉，如圖4所示。

3 SCR技術(shù)與EGR技術(shù)的比較

SCR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:燃油經(jīng)濟(jì)性好；燃燒策略為提前噴油，減少了機(jī)油中含碳的比例；燃油噴射壓力相對(duì)較低；對(duì)燃油中的含硫量敏感性較低。其缺點(diǎn)是:需要有尿素供應(yīng)設(shè)施；需要防止氨氣排泄的技術(shù)手段；需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的消耗；整個(gè)系統(tǒng)的布置空間較大。

EGR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)體積較小，布置空間要求不高，但其劣勢(shì)是燃燒壓力較高；燃油噴射壓力較高；燃油中硫的敏感性強(qiáng)，超過(guò)50ppm的硫含量不可接受；燃油滯后噴射，產(chǎn)生機(jī)油含碳問(wèn)題等。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)的整個(gè)電氣系統(tǒng)要求

后處理技術(shù)中的電氣系統(tǒng)應(yīng)首先對(duì)OBD故障性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其次再針對(duì)車(chē)輛的使用工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，如模擬在沿海地區(qū)試驗(yàn)所進(jìn)行的鹽霧試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)；模擬在道路崎嶇不平的道路上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)；模擬在北方寒冷的冬季氣候下進(jìn)行的低溫試驗(yàn)等。然后還要考慮在高樓林立、電信擁擠的城市中面臨的各種干擾信號(hào)的應(yīng)對(duì)能力和自身的輻射能力，進(jìn)行抗擾度及輻射發(fā)射性能試驗(yàn)，考核PCB（印刷電路板）的設(shè)計(jì)是否合理。同時(shí)，要模擬假設(shè)各電器件同時(shí)中斷的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU及后處理DCU的應(yīng)對(duì)能力，最后還要考慮搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證各發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)的電器件是否安裝可靠，性能是否仍然滿(mǎn)足要求。

綜合上述的考慮因素，后處理技術(shù)的電氣系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定如下。

4.1 基本性能試驗(yàn)

1）標(biāo)準(zhǔn)符合性試驗(yàn) 滿(mǎn)足我國(guó)環(huán)保部頒發(fā)的HJ437-2008《車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)車(chē)載診斷 （OBD）系統(tǒng)技術(shù)要求》。

2）故障性試驗(yàn) 對(duì)其故障現(xiàn)象進(jìn)行重現(xiàn)，以檢查電控單元的控制策略是否合理。

4.2 環(huán)境試驗(yàn)

1）高溫試驗(yàn) 在高溫狀態(tài)下，帶電檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足故障性試驗(yàn)。

2）低溫試驗(yàn) 在低溫狀態(tài)下，帶電檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足故障性試驗(yàn)。

3）振動(dòng)試驗(yàn) 在定頻和掃頻狀態(tài)下，帶電檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足故障性試驗(yàn)。

4）沖擊試驗(yàn) 在沖擊試驗(yàn)臺(tái)上，帶電檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足故障性試驗(yàn)。

5）鹽霧試驗(yàn) 在鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)，帶電檢查發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)是否滿(mǎn)足故障性試驗(yàn)。

6）抗擾度及輻射發(fā)射性能試驗(yàn) 檢查發(fā)動(dòng)機(jī)后處理電控單元DCU抗擾性及其PCB板設(shè)計(jì)是否合理。

7）拋負(fù)載試驗(yàn) 將全部負(fù)載斷開(kāi)，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)后處理電控單元DCU在斷開(kāi)負(fù)載時(shí)的性能指標(biāo)。

4.3 可靠性試驗(yàn)

可靠性試驗(yàn)是指在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)上各電器件是否安裝可靠，性能是否仍然滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)。

5 后處理系統(tǒng)中計(jì)量泵總成的電氣系統(tǒng)試驗(yàn)

由于計(jì)量泵總成是后處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，該總成內(nèi)包含有尿素液位溫度傳感器、溫度傳感器、加熱電磁閥等電器件，因此，針對(duì)計(jì)量泵總成這個(gè)電氣系統(tǒng)也必須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，具體項(xiàng)目及要求如下。

5.1 電氣負(fù)荷試驗(yàn)

1）一般規(guī)定 頻率和時(shí)間±5%，電壓±0.2 V，電阻±10%。

2）直流供電電壓 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1《道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)》定義的A級(jí)。

3）過(guò)電壓 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的B級(jí)。

4）疊加交流電壓 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的A級(jí)。

5）供電電壓緩降和緩升 在供電電壓范圍內(nèi)，功能狀態(tài)達(dá)到ISO 16750-1定義的A級(jí)，在供電電壓范圍外，達(dá)到定義的D級(jí)。

6）供電電壓中斷 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1:2006定義的B級(jí)。

7）反向電壓 恢復(fù)正常的熔斷器連接后，功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1:2006定義的C級(jí)。

8）參考 （模擬）搭鐵和供電補(bǔ)償 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的A級(jí)，即被測(cè)試DUT沒(méi)有故障也無(wú)閉鎖效應(yīng)。

9）開(kāi)路試驗(yàn) 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的C級(jí)。

10）短路保護(hù) 信號(hào)電路的功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的C級(jí)。負(fù)載電路中，所有電子保護(hù)輸出端應(yīng)能承受短路電流且在切斷短路電流后能恢復(fù)正常工作，功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的C級(jí)。

11）（絕緣）耐電壓 功能狀態(tài)應(yīng)達(dá)到ISO 16750-1定義的C級(jí)，試驗(yàn)時(shí)不得出現(xiàn)擊穿和電弧。

12）絕緣電阻 應(yīng)大于10MΩ。

5.2 環(huán)境試驗(yàn)

高溫性能試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)、溫度變化試驗(yàn)、溫度／濕度組合循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)都應(yīng)按ISO 16750-1《道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

5.3 EMC試驗(yàn)

1）電源傳導(dǎo)線(xiàn)干擾試驗(yàn) 按ISO 7637-2《道路車(chē)輛.傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾.第2部分:僅沿電源線(xiàn)瞬間電傳導(dǎo)》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

2）信號(hào)線(xiàn)干擾試驗(yàn) 按ISO 7637-3《道路車(chē)輛.傳導(dǎo)和耦合引起的電干擾.第3部分:通過(guò)電容耦合和電感耦合經(jīng)由非電源線(xiàn)線(xiàn)路的瞬間電傳輸》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

3）射頻抗擾試驗(yàn) 按以下規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn):ISO 11452-1《道路車(chē)輛.窄帶輻射的電磁能量產(chǎn)生的電干擾的部件試驗(yàn)方法.第1部分:總則和術(shù)語(yǔ)》，ISO 11452-2第2部分 “吸波屏蔽外殼”，ISO 11452-3第3部分 “橫向電磁模式 （TEM）元件”，ISO 11452-4第4部分 “大容量電流注入 （BCI）”，ISO 11452-5第5部分 “微波帶狀線(xiàn)”。

4）靜電放電的抗騷擾性試驗(yàn) 按ISO 10605《道路車(chē)輛 靜電放電產(chǎn)生的電干擾的測(cè)試方法》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

5）射頻騷擾試驗(yàn) 按GB 18655《用于保護(hù)車(chē)載接收機(jī)的無(wú)線(xiàn)電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法規(guī)定進(jìn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理技術(shù)目前是單一的SCR技術(shù)、EGR技術(shù)，未來(lái)隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)提出的更高尾氣排放指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將可能是二者的結(jié)合，或者是產(chǎn)生新型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的控制策略及標(biāo)定策略將更加嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)的要求也會(huì)不斷加強(qiáng)和提高，其驗(yàn)證項(xiàng)目和指標(biāo)將會(huì)變得更加重要。

［1］李建秋，趙六奇，韓曉東，等.汽車(chē)電子學(xué)教程 （第2版）［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［2］朱玉龍.汽車(chē)電子硬件設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］ISO 16750-1，道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)［S］.