装载机后处理尿素结晶故障原因与分析.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()装载机后处理尿素结晶故障原因与分析梁昌水,(内燃机可靠性国家重点实验室,山东潍坊 ;潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 )摘要:针对非道路四阶段装载机存在后处理尿素结晶的问题,结合尿素产生的机理和装载机特殊的作业工况,分析装载机后处理尿素结晶产生的原因并制定了相应的预防措施,在满足法规排放要求的同时提升了装载机的可靠性.关键词:后处理系统;尿素结晶;装载机中图分类号:U 文献标识码:B收稿日期:;修订日期:作者简介:梁昌水(),男,山东枣庄人,高级工程师,硕士,从事整车电控测试与分析工作.引言为了达到国家的“非四”排放标准,非道路用柴油机后处理采用“D O CD P FS C R”技术路线.但车辆在使用过程中经常出现后处理系统有结晶现象,结晶超过一定程度会影响整个后处理的功能,造成排放超标,同时影响经济性和动力性,是亟需解决的重要问题.本文根据市场走访过程中遇到的四阶段装载机尿素结晶故障并对其进行分析,制定降低结晶风险的措施,同时设计便携式排放测试系统(P o r t a b l eE m i s s i o n sM e a s u r e m e n tS y s t e m,P EM S)进行对比试验,研究防结晶措施对其排放结果的影响,并制定了相应的预防措施.装载机后处理系统装载机用柴油机的“非四”标准与“非三”标准相比,主要增加了后处理系统,包含D O C(氧化型催化器)、D P F(壁流式颗粒捕集器)、S C R(选择性催化还原)和后处理的温度及压力传感器等部件,如图所示.图装载机用后处理系统装载机后处理尿素结晶原因分析 后处理尿素结晶机理在后处理系统中的尿素罐、尿素泵、尿素喷嘴、尿素管路、选择性催化还原(S e l e c t i v eC a t a l y t i cR e d u c t i o n,S C R)混合腔等处都会出现尿素结晶现象,经过试验验证和分析,尿素结晶成分主要为尿素结晶混合物、异氰酸NHC O、缩 二 脲NH(C O)(NH)和 三 聚 氰 酸(HN C O)等.尿素结晶是一种粘性物质,容易沉积在后处理管路中,如图所示.图装载机尿素结晶实物一般情况下,在尿素罐、尿素泵、尿素喷嘴及尿素管路处产生的结晶是由环境温度低于 或尿素水溶液的水分过早蒸发这两个原因导致,其问题点的排查和故障解决相对容易.在后处理排气管路及部件中尿素结晶形成原因较为复杂,主要是由于尿素溶液在高温环境中未完全参与反应且分解不彻底,产生了其他的化合物.反应过程为:尿素水溶液在 下生成缩二脲;在 下会进一步反应生成三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺等化合物;在 下尿素会生成三聚氰胺.整个化学反应过程中所产生的固态物质均呈白色且难溶于水,难于去除.通过对尿素结晶物质分析可知,其在 之间会快速分解;在 以上残余的少量结晶物分解缓慢,到 时才能基本完全分解.后处理结晶的原因分析对市场上正在使用的非道路四阶段装载机进行走访,用户驾驶车辆主要运行于矿区、瓷砖厂和砂石厂之间,进行碎石/砂石搬运及装车等工作,工况较为恶劣.随机挑选 台装载机的后处理系统进行检查,通过拆检发现其中辆车的后处理箱体内存在结晶现象,结晶位置在S C R混合腔和柴油机颗粒捕集器(D i e s e lP a r t i c u l a t eF i l e r,D P F)后部,如图所示.图尿素结晶位置对装载机工作路谱进行采集分析发现较长时间的低负荷作业是产生结晶的原因之一.另外分析发现:S C R前的排气温度在 以下的占比为 ,结晶风险高;发动机的排气温度长期维持在 以下,结晶不易分解,造成结晶物逐渐累积.此外,司机在正常装载和运料过程中经常会急加速和急减速,造成其整机瞬态工况多,稳态工况少.在瞬态工况下,由低负荷提升至高负荷时,尿素喷射量响应速度大于排气流量提升速度,导致尿素在低流量下大量喷射,受重力影响在喷出后落到D P F后腔形成结晶;瞬态工况下负荷降低时,需求的喷射量立即降低,但实际喷射有s的延迟,导致尿素喷射量仍维持较高水平,但废气量降低导致尿素水溶液不易被水解,存在较高结晶风险.解决装载机后处理尿素结晶的方法尿素结晶与排气温度、废气流量和尿素喷射直接相关.由于装载机后处理系统安装在机舱内,导致排气管较短,故排气管长度和包裹情况对排气温度的影响较小.排气温度和废气流量主要受装载机实际作业情况即发动机运行工况的影响,而市场上装载机的实际作业工况无法控制,因此调整尿素喷射策略是比较可行的防结晶措施.延迟尿素喷射装载机瞬态工况较多,导致实际上后处理系统的尿素喷射有s的延迟,造成发生尿素过喷现象.而目前尿素喷嘴控制周期是s,所以延迟时间会是s内的随机值,改成s内两次喷射,这个延迟会变成 s,可降低结晶风险;另外,通过设定氨储率与实际氨储率(模型计算)进行P I控制得到需求氨氮比;将闭环反馈调节的P I值减小,减小反馈控制值的响应,实现尿素喷射的柔性控制,减少尿素的过喷响应,以适应温度变化剧烈的工况.减少尿素喷射减少尿素喷射量有两种方式:按照比例减少相应的尿素喷射量;后处理热管理控制阈值的提升,即提高尿素的起喷温度.装载机正常连续作业的排气温度如图所示.装载机在作业过程中排气温度始终处于较高区间,基本都在尿素的起喷温度以上,故提高起喷温度在装载机怠速和小负荷作业时能够起到减少尿素结晶的作用.但减少尿素喷射对装载机污染物排放的影响需要进行测试验证.图装载机正常连续作业的排气温度曲线 防结晶措施对装载机排放的影响选取台满足非道路四阶段排放标准的装载机进行试验,装载机主要技术参数见表.根据法规要求,测试装载机实际作业的P EM S排放,结合台架开发数据分析上述解决尿素结晶措施对整机排放的影响.表装载机主要技术参数额定载荷(k g)总质量(k g)发动机排量(L)标定功率(k W)最大扭矩(Nm)按法规要求开展车载排放试验,铲装物料为沙土,司机尽量保持操作习惯的一致性.试验模拟装载机在实际工作过程中的大负荷不连续作业(满载间歇)、满载定效率、满载最大效率和非满载低负荷这几种作业工况(非满载和低速工况都为模拟司机“磨洋工”的实际工况),结合尿素的几种喷射条件,共设计 组对比试验.试验情况及测试结果见表.试验为定效率对比试验,分别是尿素喷射温度提高 ,尿素喷射温度提高 同时低排气流量时的尿素停喷,尿素喷射温度提高 同时低排气流量时的尿素停喷,原车的起喷温度并且尿素喷射量减少;试验为满载最大效率工况,采用尿素延迟喷射策略;试验为装载机模拟实际工作的大负荷铲装作业工况,定义为间歇大负荷作业工况;试验和 为装载机原数据状态模拟实际工作的两种低负荷铲装作业工况.表装载机P EM S试验工况及测试结果试验 尿素喷射条件起喷 起喷/低排流停喷起喷/低排流停喷原起喷温度/减喷 原起喷温度/延喷起喷 起喷 原起喷温度原起喷温度/延喷原起喷温度工况满载定效率满载最大效率满载间歇/低速低负荷低负荷/低速N Ox(gk W h)合格不合格 合格不合格合格 合格不合格C O(gk W h)合格满载定效率和满载最大效率是标准的装载机作业工况,从表看出,适度提升尿素的起喷温度,同时配合发动机在低排气流量时不喷尿素策略,能够满足排 年第期梁昌水:装载机后处理尿素结晶故障原因与分析放要求,延迟尿素喷射使整机排放效果较好;但是对于司机的“磨洋工”这种非正常情况(如试验、),整机的NOx排放会变差,存在较大的超标风险,若按照 比例减少相应的尿素喷射量,会造成NOx排放超标.结合上述试验结果,对市场上几台装载机采用延迟尿素喷射和减少尿素喷射的措施,在跟踪一段时间后拆检发现与原状态车辆相比,后处理的尿素结晶量明显减少,有的车辆甚至无结晶现象.结论本文针对市场上的非道路四阶段装载机的尿素结晶故障进行分析,并结合防结晶措施进行部分验证,得出以下结论:()通过对后处理氨储率实行闭环控制,可使尿素喷射更加精确,能够有效降低尿素结晶风险.()针对装载机瞬态工况多而制定的延迟尿素喷射策略,可降低尿素结晶风险,其精确的延迟时间还需要结合发动机台架数据进行验证.()提高尿素起喷温度同时结合低废气流量停喷策略,可降低尿素结晶风险,但温度提高到什么区间最合理,还需要结合发动机台架数据进行验证.()非道路四阶段装载机P EM S测试的NOx污染物排放情况会因装载机作业工况变化而不同,且差值较大,与装载机负荷率呈一定的正相关关系.此外,增加尿素喷嘴的喷孔数量,优化S C R混合腔的结构都可以增强尿素雾化效果,提升S C R的转化效率,降低尿素结晶风险.参考文献:江涛,范皖元,宋长青后处理结构对柴油车尿素结晶的影响J汽车工程学报,():苏长春商用车后处理系统尿素结晶问题研究J汽车实用技术,():陈曦,马江柴油机尾气后处理主要的失效模式、成因及预防J汽车实用技术,():朱明健,胡振奇,夏少华,等 S C R尿素结晶风险的评估与预测J内燃机学报,():史留庆,张翠平柴油机S C R系统尿素结晶的适用性研究J科技创新与应用,():C a u s e sa n dA n a l y s i so fU r e aC r y s t a l l i z a t i o nF a i l u r e i nP o s t T r e a t m e n t o fL o a d e rL I A N GC h a n g s h u i,(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE n g i n eR e l i a b i l i t y,W e i f a n g ,C h i n a;W e i c h a iP o w e rC o,L t d,W e i f a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h ep r o b l e mo fp o s t t r e a t m e n tu r e ac r y s t a l l i z a t i o n i nn o n r o a d f o u r s t a g e l o a d e r s,c o m b i n e dw i t ht h em e c h a n i s mo fp r o d u c t i o no fu r e aa n dt h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n so f l o a d e r s,t h ec a u s e so fp o s t t r e a t m e n tu r e ac r y s t a l l i z a t i o no f l o a d e r sa r ea n a l y z e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i v e m e a s u r e sa r ew o r k e do u t I tn o to n l y m e e t st h ee m i s s i o nr e q u i r e m e n t so fl a w sa n dr e g u l a t i o n s,b u t a l s o i m p r o v e s t h er e l i a b i l i t yo f t h e l o a d e r K e y w o r d s:p o s t t r e a t m e n t s y s t e m;u r e ac r y s t a l l i z a t i o n;l o a d e r(上接第 页)结束语总体而言,采用变频电控装置和自动控制方式的乳化液泵站系统具有多重优点:系统供液压力稳定,缓和液力冲击,压力响应快;同时能够节约电能 以上,提高功率因数到 以上;实现恒压控制后卸压阀动作频率大大降低,降低噪声,使工作环境显著改善;同时液压管路中的压力大部分时间维持在平均工作压力中线以下,减小了液压管路的工作负荷,延长了胶管的使用寿命,降低了密封件损耗;变频电控装置降低了系统维护次数和维修工作量,提高了系统的可靠性和保护性;最后,自动配液系统使得系统操作更智能化、更精确、更简单方便.参考文献:高兴利综采高端智能化乳化液泵站集中供液系统研究与应用J机械管理开发,():,郝建伟变频器在综采工作面乳化液泵站的应用J江西煤炭科技,():,曹哲哲综采工作面泵站变频控制系统设计J陕西煤炭,():R e s e a r c ho nV a r i a b l eF r e q u e n c yC o n t r o lT e c h n o l o g yf o rE m u l s i o nP u m p i n gS t a t i o nL I UY i(S h a n x iL i n f e nX i s h a nE n e r g yC o,L t d,L i n f e n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r i n t r o d u c e sam i n ee m u l s i o ns u p p l ys y s t e mb a s e do nv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l t e c h n o l o g y T h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fv a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e dc o n t r o l t e c h n o l o g y,t h e a u t o m a t i c c o n t r o l o f p r e s s u r e a n d f l o wo f t h e e m u l s i o ns u p p l ys y s t e mi sr e a l i z e d T h ec l o s e d l o o pa u t o m a t i c l i q u i dd i s t r i b u t i o nc o n t r o l o f t h es y s t e me n s u r e st h es t a b i l i t yo f t h ee m u l s i o ns u p p l yp r e s s u r ea n df l o w,w h i l e a l s oh a s t h e a d v a n t a g e s o f e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n T h ed o r m a n c y f u n c t i o n,p o w e r f r e q u e n c ya n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ns w i t c h i n gf u n c t i o no f t h es y s t e mf u r t h e r i m p r o v et h ei n t e l l i g e n c e,s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m,a n dp r o v i d ea ne f f e c t i v es o l u t i o nf o r t h e 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