吳君華

（南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037）

車用柴油機(jī)SCR噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究

吳君華

（南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037）

設(shè)計(jì)車用柴油機(jī)SCR噴射系統(tǒng)，其采用“壓差時(shí)間式”的計(jì)量原理，直接噴射的霧化型式。進(jìn)行SCR噴射系統(tǒng)組成部件壓力控制單元、尿素噴嘴的功能試驗(yàn)，并進(jìn)行自主SCR系統(tǒng)匹配柴油機(jī)排放試驗(yàn)和國(guó)Ⅳ法規(guī)測(cè)試。結(jié)果表明，SCR噴射系統(tǒng)壓力波動(dòng)小，噴嘴流量特性線性度好，能滿足柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的要求。匹配SCR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放最多降低80%，低于國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)限值要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善。

主題詞:柴油機(jī) SCR 噴射系統(tǒng)

1 前言

SCR是降低柴油機(jī)NOx排放的主要技術(shù)手段，采用添藍(lán)（濃度32.5%的尿素水溶液）作為還原劑，在一定溫度及催化劑的作用下，將發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOx還原成氮?dú)狻槭刮覈?guó)車用柴油機(jī)達(dá)到國(guó)Ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，采用排氣后處理技術(shù)已成為必不可少的措施[1～2]，而國(guó)內(nèi)研究的SCR系統(tǒng)未能商業(yè)化，制約了排放法規(guī)的按時(shí)實(shí)施。

本文在分析國(guó)外多種SCR尿素噴射系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及各大公司專利保護(hù)范圍的基礎(chǔ)上[3]，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，采用“壓差時(shí)間式”的計(jì)量原理，直接噴射的霧化型式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)SCR噴射系統(tǒng)總成，研究噴射系統(tǒng)組成部件壓力控制系統(tǒng)、添藍(lán)噴嘴的性能，并進(jìn)行SCR噴射系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的排放測(cè)試。

2 SCR噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

SCR尿素噴射系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況噴入霧化良好、計(jì)量精確的尿素溶液[4～5]，其應(yīng)具備泵、單向閥、傳感器等組件，應(yīng)具有過(guò)濾、加熱、調(diào)壓、穩(wěn)壓、換向等功能。對(duì)于無(wú)氣動(dòng)輔助直接噴射SCR尿素噴射系統(tǒng)還應(yīng)該具備噴嘴冷卻、隔熱等功能。由于尿素溶液有低溫結(jié)晶性能，因此SCR尿素噴射系統(tǒng)應(yīng)該具備尿素加熱的功能。為防止尿素溶液在管路內(nèi)結(jié)晶堵塞管路，在噴射結(jié)束后需要對(duì)管路內(nèi)的尿素溶液進(jìn)行清空處理。

SCR尿素噴射系統(tǒng)采用“壓差時(shí)間式”噴射系統(tǒng)的計(jì)量原理，由尿素供應(yīng)單元、壓力控制單元和噴射計(jì)量單元組成，其中尿素供應(yīng)單元由直流無(wú)刷隔膜泵組成；壓力控制單元為膜片彈簧系統(tǒng)，起到調(diào)壓和穩(wěn)壓的作用；計(jì)量單元為高速電磁閥，由PWM控制噴射量；無(wú)氣動(dòng)輔助直接噴射系統(tǒng)控制霧化型式；有4個(gè)孔徑為0.20 mm的噴孔；噴射壓力設(shè)定為500±15 kPa。

SCR噴射系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)工作過(guò)程為：添藍(lán)儲(chǔ)存在添藍(lán)罐中，罐內(nèi)安裝溫度傳感器和液面位置傳感器檢測(cè)尿素溶液狀態(tài)。添藍(lán)經(jīng)過(guò)濾器后，直流無(wú)刷隔膜泵將添藍(lán)壓力提升到500 kPa以上，然后進(jìn)入噴射容腔、添藍(lán)噴嘴，而后噴入排氣管混合器中，多余的添藍(lán)回流到尿素箱?；亓鞴苈飞线€安裝有控制系統(tǒng)壓力的溢流閥，添藍(lán)在噴射系統(tǒng)形成了一個(gè)完整的回路。為了保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，采用穩(wěn)壓閥來(lái)減少系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，壓力傳感器和溫度則用來(lái)監(jiān)控系統(tǒng)壓力和溫度。當(dāng)添藍(lán)結(jié)束噴射后，換向電磁閥開(kāi)啟，換向閥打開(kāi)，殘留在管路和過(guò)濾器內(nèi)的添藍(lán)在泵的作用下回流到添藍(lán)罐。

圖1 SCR尿素噴射系統(tǒng)示意

2.2 添藍(lán)噴射量的確定

SCR噴射計(jì)量策略設(shè)計(jì)的總體思路是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和目標(biāo)減少量計(jì)算出所需還原劑的基本量，通過(guò)高速電磁閥的脈寬與頻率調(diào)節(jié)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各工況下的計(jì)量要求。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合適的噴射計(jì)量和霧化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出方案，加工樣品，試驗(yàn)確定噴射規(guī)律，然后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成樣品的開(kāi)發(fā)。

以額定功率213 kW（額定轉(zhuǎn)速2 300 r/min）的重型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)Ⅳ排放所需要的最大添藍(lán)噴射量，該噴射需求量為SCR噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型和基本參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

SCR催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)方程式：

由式（1）～式（3）可知，添藍(lán)與NOx的理論完全轉(zhuǎn)化質(zhì)量比為添藍(lán)∶NH3=1∶0.566 7、添藍(lán)∶NO=1∶1、添藍(lán)∶NO2=0.869 5∶1。

原發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx初始排放為9.4 g/（kW·h），目標(biāo)排放國(guó)Ⅳ限值為3.5 g/（kW·h），考慮到工程余量，將目標(biāo)定為3.2 g/（kW·h），最大轉(zhuǎn)化效率為66%。經(jīng)計(jì)算，該發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)Ⅳ排放要求需要添藍(lán)噴射最大流量為0.14 L/min，即8.4 L/h。最大流量是設(shè)計(jì)添藍(lán)供應(yīng)泵額定流量的依據(jù)，本系統(tǒng)采用大回流系統(tǒng)，用尿素溶液冷卻尿素噴嘴，添藍(lán)泵的額定流量設(shè)為尿素噴射量的5倍，則添藍(lán)泵的額定流量為0.7 L/min。

3 試驗(yàn)設(shè)備和方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

添藍(lán)泵壓力控制單元和添藍(lán)噴嘴的性能測(cè)試是在自制的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，通過(guò)壓力采樣系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的壓力，采用“稱量法”測(cè)試添藍(lán)的供給量和噴射量。

SCR系統(tǒng)匹配某增壓中冷直噴式電控柴油機(jī)的排放試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。所采用的設(shè)備有智能油耗儀、日本HORIBA公司排放分析儀、SENSYCON公司空氣流量計(jì)及電力測(cè)功機(jī)等。SCR催化轉(zhuǎn)換器則采用無(wú)錫凱龍公司封裝的優(yōu)美科催化劑。

3.2 SCR系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)測(cè)試方法

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況點(diǎn)下的排放值，改變添藍(lán)的噴射量，研究添藍(lán)噴射量對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)的每一工況下均事先不噴射添藍(lán)，待試驗(yàn)工況充分穩(wěn)定后，測(cè)取催化器進(jìn)口處的NOx質(zhì)量濃度，然后將NOx取樣探頭置于催化器出口的測(cè)點(diǎn)處，并向排氣管內(nèi)噴入相應(yīng)的添藍(lán)。最后在NOx質(zhì)量濃度充分穩(wěn)定后，記錄其排放值并停止添藍(lán)供應(yīng)使NOx回升到催化器進(jìn)口處NOx的濃度值。

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)催化器進(jìn)出口處NOx濃度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量、燃油消耗量、添藍(lán)流量以及環(huán)境條件進(jìn)行記錄，計(jì)算出添藍(lán)理論當(dāng)量比。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 壓力控制單元壓力特性

圖2為SCR噴射系統(tǒng)壓力隨時(shí)間的變化圖。

圖2 SCR噴射系統(tǒng)壓力變化示意

系統(tǒng)壓力為10 ms采樣，前半段添藍(lán)噴嘴關(guān)閉，只有添藍(lán)泵工作；后半段添藍(lán)噴嘴按照最大流量噴射。從圖2可以看出，噴嘴不工作時(shí)，SCR噴射系統(tǒng)壓力很穩(wěn)定，最高壓力為505 kPa，最低壓力為495 kPa，在設(shè)計(jì)壓力500 kPa附近波動(dòng)。添藍(lán)以最大流量噴射時(shí)，壓力整體下降，最低壓力為480 kPa，最高壓力仍然為505 kPa，壓力在495±15 kPa附近波動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 添藍(lán)噴嘴流量特性

對(duì)單孔旋流噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，孔徑為0.2 mm，設(shè)定噴射壓力為500 kPa，噴射頻率為10 Hz，驅(qū)動(dòng)電壓為24 V。共進(jìn)行3次試驗(yàn)，表1為噴嘴流量特性數(shù)據(jù)。圖3為占空比對(duì)噴嘴流量特性的影響。由圖3可知，尿素噴嘴流量的一致性很好，3次試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線幾乎重合。在占空比范圍內(nèi)，噴嘴流量和占空比呈線性關(guān)系，表明占空比在10%～90%范圍內(nèi)噴嘴流量是穩(wěn)定可靠的。因此，在確定SCR尿素噴射量的控制脈譜時(shí)，可以根據(jù)需要在10%～90%范圍內(nèi)選取合適的占空比。

表1 SCR添藍(lán)噴嘴流量特性

圖3 占空比對(duì)SCR噴嘴流量的影響

4.3 SCR添藍(lán)當(dāng)量比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

將SCR系統(tǒng)安裝在柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以典型工況下1 750 r/min試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析。圖4為添藍(lán)當(dāng)量比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。可以看出，隨著添藍(lán)的增加，NOx的轉(zhuǎn)化效率幾乎呈線性升高；25%負(fù)荷下轉(zhuǎn)化效率明顯比其它負(fù)荷下低；而當(dāng)量比增加到1.2以上時(shí)，轉(zhuǎn)化效率增加緩慢，25%負(fù)荷下轉(zhuǎn)化效率為68%，而其它負(fù)荷下的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80%以上。這是由于溫度是影響NOx轉(zhuǎn)化效率的主要因素，25%負(fù)荷時(shí)SCR催化轉(zhuǎn)化器入口溫度為270℃，溫度偏低導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低。

4.4 SCR系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)排放測(cè)試

按照歐洲穩(wěn)態(tài)（ESC）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)測(cè)試的結(jié)果如圖5所示。SCR系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)后NOx排放為3.014 g/（kW·h），HC的排放為0.003 g/（kW·h），CO的排放為0.045 g/（kW·h），分別比國(guó)Ⅳ排放限值低14.2%，93.5%，97.0%。原柴油機(jī)的NOx排放為5.35 g/（kW·h），添藍(lán)注入后發(fā)動(dòng)機(jī)ESC循環(huán)的NOx排放降低了43.6%。采取SCR模式優(yōu)化后顆粒為0.018 g/（kW·h），比原機(jī)改善40.5%，也低于國(guó)Ⅳ限值。13工況加權(quán)比油耗為202.4 g/（kW·h），比原機(jī)加權(quán)比油耗216.8 g/（kW·h）下降6.6%。

圖4 1 750 r/min下添藍(lán)當(dāng)量比對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

圖5 SCR系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)排放測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

a.設(shè)計(jì)了柴油機(jī)后處理SCR噴射系統(tǒng)，采用“壓差時(shí)間式”的計(jì)量原理、直接噴射霧化方式。噴射時(shí)系統(tǒng)壓力波動(dòng)小于±15 kPa，能滿足柴油機(jī)SCR噴射系統(tǒng)要求。在10%～90%占空比范圍內(nèi)添藍(lán)噴嘴的流量特性呈現(xiàn)良好的線性度，且流量的一致性很好。

b.進(jìn)行了SCR噴射系統(tǒng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的排放測(cè)試，隨著添藍(lán)的增加，NOx的轉(zhuǎn)化效率幾乎呈線性升高，理論添藍(lán)當(dāng)量比時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到80%以上。

c.匹配該SCR噴射系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放低于國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)限值要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也得到明顯改善。

1 覃軍.降低柴油機(jī)NOx排放的SCR系統(tǒng)控制策略研究：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

2 劉甲偉,韓永強(qiáng),韓訊,等.通用型SCR還原劑噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制策略研究.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014（1）:7～13.1

3 羅伯特.用于液態(tài)還原劑的計(jì)量裝置.中國(guó)專利, 200780048338.2009-10-28.

4 鄭清平，沈雅萱，張杰忠,等.柴油機(jī)Urea-SCR噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)NOx轉(zhuǎn)化率的影響.內(nèi)燃機(jī)工程，2013（6），31～35.

5 李兵.柴油機(jī)Urea-SCR供給系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

Design and Study of SCR Injection System of Automobile Diesel Engine

Wu Junhua
（Nanjing Forestry University,Nanjing 210037）

SCR injection system of automobile diesel engine was designed,with the theory of“differential pressure measurement principle”and direct injection patterns.Functional test of pressure control unit and urea nozzle of the SCR system were carried out.Emissions tests of diesel engine with SCR system and ChinaⅣ regulatory tests were carried out too.The results showed that pressure fluctuations in SCR system were small,flow characteristics showed good linearity, which nicely satisfied the requirement of SCR system.NOxemission of diesel engine was reduced up to 80%with SCR system,lower than ChinaⅣlimit.Fuel economy of engine with SCR system was also improved.

Diesel engine,SCR,Injection system

464.134+4

A

1000-3703（2016）11-0048-03