路青青，胡英華，張林振

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

2020 年12 月，中國(guó)生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》的公告，明確了非道路柴油移動(dòng)設(shè)備“國(guó)四”排放將在2022 年12 月1 日全面實(shí)施。為滿(mǎn)足排放法規(guī)，各主機(jī)廠提前布局產(chǎn)品規(guī)劃，在滿(mǎn)足排放法規(guī)前提下，合理設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化整機(jī)性能結(jié)構(gòu)，保證客戶(hù)良好駕乘體驗(yàn)，成為主機(jī)廠“國(guó)三”升“國(guó)四”的重心工作。本文將以推土機(jī)為例，介紹低排放發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)附件選型設(shè)計(jì)原則。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)本體部件設(shè)計(jì)原則

發(fā)動(dòng)機(jī)作為推土機(jī)的核心部件，在整機(jī)開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)階段就必須充分考慮結(jié)構(gòu)緊湊性、可靠性、維保性能及整機(jī)匹配性能，合理布置發(fā)動(dòng)機(jī)部件的相對(duì)位置，利用發(fā)動(dòng)機(jī)艙有限空間，可以提升駕駛室視野，改善操作舒適性。

1.1 尺寸、便利性要求

目前滿(mǎn)足低排放法規(guī)要求的技術(shù)路線大致有SCR 技術(shù)路線和EGR 兩種，無(wú)論哪種技術(shù)路線，都使發(fā)動(dòng)機(jī)的本體更加，發(fā)動(dòng)機(jī)附件選型更加的單一，這就要求整機(jī)設(shè)計(jì)避免因發(fā)動(dòng)機(jī)部件如油尺位置機(jī)油加注口高度、增壓器位置等在后續(xù)整改設(shè)計(jì)中調(diào)整困難或調(diào)整時(shí)產(chǎn)生的高昂費(fèi)用。

為減少輔助工作時(shí)間，提高作業(yè)生產(chǎn)率，發(fā)動(dòng)機(jī)各維護(hù)保養(yǎng)部件如空濾、燃油濾、機(jī)油濾及日常檢查部件如油尺、機(jī)油加注口、皮帶漲緊裝置等在選型時(shí)，布置位置應(yīng)易于接近，更換濾芯簡(jiǎn)單方便，周?chē)鞒鲎銐蚓S修保養(yǎng)空間；在主機(jī)架寬度較小時(shí)，盡量將保養(yǎng)部件布置在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)。山推某低排放推土機(jī)采用FPT N67 發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1），采用高位機(jī)油尺，機(jī)油加注及相關(guān)濾芯靠近機(jī)罩，在維護(hù)檢查時(shí)，直接站在履帶上打開(kāi)左側(cè)罩門(mén)鎖即可進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖1 推某低排放推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2 視野要求

由于推土機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣部件如進(jìn)氣預(yù)濾器、排氣尾管必須位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙上罩上平面。無(wú)論采用何種布置方式，預(yù)濾器、排氣尾管均位于駕駛室正前方。為使駕駛室視野最大化，盡量將排氣尾管、空氣預(yù)濾器的安裝位置偏置（圖2）。

圖2 排氣尾管等安裝位置偏置

排氣尾管可根據(jù)后處理模塊如DOC、SCR的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，盡量布置在單側(cè)，排氣尾管與SCR廢氣出口端直接連接。從駕駛室里看，尾管被駕駛室門(mén)左（右）立柱遮擋是最理想的位置?？諝鉃V清器在200 馬力以下的推土機(jī)中盡量布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，不影響駕駛員視野的情況下也可以根據(jù)實(shí)際工況要求，再添加一級(jí)空氣預(yù)濾器，該預(yù)濾器盡量布置在上罩單側(cè)，遠(yuǎn)離排氣尾管。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)后處理部件設(shè)計(jì)原則

推土機(jī)產(chǎn)品“國(guó)三”升“國(guó)四”，主要是排放物處理技術(shù)的升級(jí)，相對(duì)EGR 技術(shù)路線，SCR催化劑以釩基、鐵基等材料為主，抗硫性好且性能穩(wěn)定。日本通過(guò)對(duì)3 種不同S 含量目標(biāo)值燃料（S0，S10 和S50）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，尿素SCR 系統(tǒng)基本不受燃料中S 含量的影響，且采用SCR 路線要比EGR 路線節(jié)油近10%，且動(dòng)力更強(qiáng)勁。

2.1 SCR及DOC選型設(shè)計(jì)原則

山推某低排放推土機(jī)采用高效SCR 技術(shù)，配合DOC，可有效處理廢氣，保證發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿(mǎn)足法規(guī)要求。為滿(mǎn)足不同車(chē)輛安裝要求，SCR 及DOC 一般可選擇縱置結(jié)構(gòu)或橫置結(jié)構(gòu)，根據(jù)推土機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)要求，一般選用橫置式SCR 及橫置式DOC 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為滿(mǎn)足后處理部件使用壽命及工作精度，選型的SCR 及DOC 使用設(shè)計(jì)需符合發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求：首先，SCR 罐體與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋的最短距離不得低于1 英寸，SCR 與排氣尾管連接管需預(yù)留傳感器安裝座，并保證傳感器安裝方便，且SCR出口處不得進(jìn)水，如圖3 所示。DOC 的安裝與SCR 要求大致相同，其至發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓出口的管路需保證密封及壓降，且波紋管長(zhǎng)度不可超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)要求；同時(shí)，DOC 與SCR 罐體不得私自更改或調(diào)整，保證使用壽命及精度。

圖3 SCR及DOC安裝示意圖

2.2 后處理系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)原則

后處理系統(tǒng)排放滿(mǎn)足法規(guī)的PM及NOx要求，需要采用相應(yīng)的傳感器控制后處理工作，以山推某推土機(jī)為例，主要的后處理系統(tǒng)傳感器有NH3控制器、NH3 傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器、NOX傳感器等。

傳感器安裝需要保證振動(dòng)性要求及相關(guān)角度、尺寸要求。DOC 上游NOx傳感器盡量布置遠(yuǎn)離增壓器位置，盡量靠近DOC 進(jìn)口位置，不能布置在易被水沖洗的位置。NOx傳感器最小線纜彎曲半徑為35mm，固定點(diǎn)彎曲半徑應(yīng)大于20mm，固定點(diǎn)個(gè)數(shù)至少2 個(gè)，固定點(diǎn)間距在150～200mm 之間，NOx控制器線纜固定點(diǎn)距離控制器90～110mm。

NH3 傳感器要求安裝在水平角16°～30°，安裝力矩一般要求40～60Nm；線束要延伸大于20mm，柔性段圓角要大于10mm；溫度變化范圍一般為-40～900℃。溫濕度傳感器一般安裝在空氣濾清器之后的高空氣密度區(qū)域，不得布置在空氣死角處；其相應(yīng)的角度需滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且不得反裝。

2.3 尿素噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

后處理尿素系統(tǒng)的作用是為SCR 提供適量的尿素溶液，以降低有毒氣體的排放。尿素系統(tǒng)一般由尿素箱（DEF Tank）、尿素泵（DM）、冷卻水電磁閥、噴射模塊（SM）、尿素管路、尿素系統(tǒng)控制模塊及相關(guān)傳感器等部件組成。首先，ECU 檢查各傳感器、尿素泵、噴嘴、冷卻水電磁閥等系統(tǒng)部件相關(guān)電特性，同時(shí)監(jiān)測(cè)尿素箱內(nèi)尿素溫度，尿素溶液溫度過(guò)低，ECU 打開(kāi)斷水電磁閥，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水對(duì)尿素溶液進(jìn)行加熱；其次，尿素泵抽取尿素溶液至尿素泵，同時(shí)將尿素送至噴嘴模塊，并在尿素泵中建立一定的壓力，將多余的尿素溶液通過(guò)尿素回流管送回尿素箱。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況以及排氣溫度、尿素溫度、環(huán)境溫度等條件判斷是否噴射尿素及尿素的噴射量。

DM 的噴嘴冷卻水沒(méi)有流向之分，只要求保持有一定的壓力差，且在整機(jī)運(yùn)行期間保持水路暢通；尿素噴嘴接插件的拆裝順序：尿素噴嘴在整車(chē)上的安裝位置要便于尿素液力管路和電器件的安裝與拆卸，目前主流廠家一般將DM 直接安裝至DOC 以節(jié)省安裝空間。為防止尿素管路拆裝時(shí)對(duì)電器接口造成污染，尿素管路接頭和電氣接插件的拆裝順序如下：①安裝時(shí)，首先安裝電器接插件，然后安裝尿素管路；②拆卸時(shí)，先拆卸掉尿素管路，再拆卸電器接插件。

SM 是尿素噴射系統(tǒng)的重要組成部件，其主要作用是將尿素箱的尿素輸送至尿素噴射裝置，SM的安裝必須滿(mǎn)足一定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載要求，在任何運(yùn)行條件下，該裝置上的最高溫度均不得超過(guò)85℃；且該部件的所有外表面必須距鄰近相關(guān)部件最短距離不得低于1 英寸。

尿素箱為后處理系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的尿素溶液，其形狀及安裝位置的設(shè)計(jì)，應(yīng)兼顧整機(jī)運(yùn)行角度及使用容量；如，推土機(jī)的爬坡角度一般為30°，尿素箱一般布置與推土機(jī)翼板一側(cè)，在最大爬坡時(shí)，需保證尿素供應(yīng)要求。另外，在寒冷天氣運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要對(duì)尿素箱進(jìn)行加熱，要求主機(jī)廠使用發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)計(jì)合理的冷卻回路，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻液流量，保證尿素溶液合理溫度，以滿(mǎn)足噴射系統(tǒng)要求。

總之，低排放發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)主機(jī)廠的設(shè)計(jì)要求更高，各主機(jī)廠應(yīng)合理規(guī)劃，提前做好產(chǎn)品布局，為“國(guó)四”的到來(lái)做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)語(yǔ)

自非道路“國(guó)四”標(biāo)準(zhǔn)公告提出后，行業(yè)正式進(jìn)入“國(guó)三”至“國(guó)四”的過(guò)渡期，加快“國(guó)四”主機(jī)的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的市場(chǎng)導(dǎo)入至關(guān)重要，各主機(jī)廠需從整機(jī)角度出發(fā)，兼顧后處理相關(guān)部件要求，統(tǒng)籌規(guī)劃，在產(chǎn)品的不斷升級(jí)過(guò)程中，總結(jié)低排放發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使產(chǎn)品不斷完善。