国Ⅳ柴油机压缩空气辅助喷射SCR系统.pdf

埠O p e r a t i o n M a i n t e n a n c e国柴油机压缩空气辅助喷射S C R 系统殷晨光(威海职业学院，山东威海2 6 4 2 1 0)摘要：针对柴油机满足国排放标准需要，探讨柴油机尾气净化的2 种可选技术途径，得出S C R 技术适合我国市场发展结论并介绍国柴油机压缩空气辅助喷射S C R 系统的组成及工作原理。关键词：柴油机；国I V；S C R中图分类号：U 4 6 4 1 7 2文献标识码：B文章编号：1 0 0 3 8 6 3 9(2 0 1 0)0 4-0 0 3 8-0 5S C RS y s t e mw i t hC o m p r e s s e dA i rA s s i s t e dI n j e c t i o no nN a t i o n a lI VD i e s e lE n g i n eY I NC h e n g u a n g(W e i h a iV o c a t i o n a lC o U e g e，W e i h a i2 6 4 2 1 0。C h i n a)A b s t r a c t：T om e e tt h en a t i o n a lI Ve m i s s i o ns t a n d a r d sf o rd i e s e le n g i n e，t h et w oo p t i o n a le x h a u s tg a sp u r i f i c a t i o nt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d，l e a d i n gt ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h eS C Rt e c h n o l o g yi sm o r es u i t a b l ef o rt h em a r k e td e v e l o p m e n ti nC h i n a T h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eS C Rs y s t e mw i t l Ic o m p r e s s e da i ra s s i s t e di n j e e t i o no nn a t i o n a lI Vd i e s e le n g i R ea r ea l s oi n t r o d u c e dh e r e K e yw o r d s：d i e s e le n g i n e；n a t i o n a lI V；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)1实现国1 V 排放的技术路线我国车用柴油机自2 0 0 8 9 开始执行国m 排放标准。传统柴油机普遍加装了电控系统。随着2 0 1 0 年车用柴油机将执行国I V 排放标准(目前看，可能有所推迟)。国内柴油机厂纷纷推出国(甚至国V)柴油机。G B1 7 6 9 l 一2 0 0 5 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国、V 阶段)，对发动机排气污染物限值提出了明确要求。稳态循环试验E S C 和负荷烟度E L R 试验限值如表1 所示。表lE S C 和E L R 试验限值由表l 可以看出，国标准要求在国限值的基础上，氮氧化物(N O。)进一步降低3 0，颗粒(P M)降低8 0。C O、H C 及烟度也有一定程度的降低。国发动机向国过渡的难点是P M 和N O x(两者具有互逆性)排放同时降低。目前柴油机排放控制主要有3 种技术方案：机前处理、机内净化以及后处理。机前处理通过改进燃油品质。主要降低P M 的排放；机内净化有优化燃烧室、改进进气系统以及采用电控高压喷射技术等，目的是通过改善燃烧，减少N O x 以及P M 生成；后处理指利用各种过滤净化装置或催化转化器，对排气进行处理。为实现国I V 排放标准。常见的2 种后处理技术路线为：选择性还原催化器S C R(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)技术、废气再循环E G R+柴油颗粒过滤器D P F(D i e s e lP a r t i c u l a t eF i l t e r)技术。S C R 技术路线先通过机前处理、机内净化。降低P M，同时允许N O。有一定程度的升高。升高的N O x 用S C R 系统催化还原，达到同时降低N O。和P M 的目的。E G R+D P F 技术路线先通过废气再循环降低N o。的排放。同时允g q：P M 有一定程度的升高。升高的P M 用颗粒捕集器D P F 捕集，也可以实现同时降低N O。和P M 的效果。上述2 种后处理技术路线的使用情况对比如表2 所示。由表2 可以看出S C R 技术相对E G R+D P F 技术路线。具有油耗低、对发动机的结构及电控系统功能改变小、对燃油中的硫含量相对不敏感等优点。只要解决尿素水溶液(添蓝)加注问题，是适合国情的国解决方案。下面以玉柴Y C 6 L-4 0 系列国柴油机为例，介绍压缩空气辅助喷射S C R 的组成、工作原理、主要零部件、系统的化冰和O B D 功能以及电路图。2 压缩空气辅助喷射S C R 系统的组成及工作原理玉柴Y C 6 L D 系列发动机是在玉柴Y C 6 L 一3 0 国发动机的基础上通过优化燃烧系统、进气系统、燃油喷射系统(优化了D e l p h i 电控单体泵的凸轮轴收稿日期：2 0 0 9-0 8 1 2作者简介：殷晨光，工程师，工学学士。毕业于山东理丁二大学车辆工程专业，现就职于威海职业(技术)学院工业技术系汽车教研室。，3 8 汽车电器,)2 0 l o 年第4 期理想是黑暗中的一盏明灯指引着我们前进的方向 万方数据O p e r a t i o n oM a i n t e n a n c e表2S C R 与E G R+D P F 使用情况对比表轮廓曲线及供油提前角、提高喷油压力)以及精心优化活塞、活塞环、气缸套摩擦副，进一步降低机油消耗(机油消耗降低3 0。达到0 1g k W h)。通过上述机内净化技术实现了P M 排放满足国I V 排放要求(o 0 1 6g k W h)，同时加装了丹麦G R U N D F O S公司的压缩空气辅助喷射S C R 系统，有效降低N o x排放，实现同时降低N O，和P M 的目的。满足了国排放标准之要求。S C R 系统主要由添蓝罐、添蓝、计量喷射泵总成、催化消声器、添蓝喷嘴、后处理控制单元A C U、车辆储气罐、压缩空气滤清器、压缩空气电磁阎、添蓝液位及温度传感器、催化器入口温度传感器、催化器出口温度传感器、冷却水电磁阀以及相应管路和线束等组成。S C R 系统组成示意图如图l 所示，电器连接示意图如图2 所示。该S C R 系统采用的是压缩空气辅助喷射系统，计量喷射泵内置控制装置。可控制内部计量泵和压缩空气电磁阀按既定的程序工作。A C U 通过C A N 总线与发动机E C U 通信获得发动机的运行参数，再压缩空气滤清器压缩空气电磁阀翟计量喷射泵(U D S)储气罐添蓝液位、温度传感器r 面催化器入口温度传感器型冷却水电磁阀催化消声器图1S C R 系统组成示意图催化器出口温度传感器图2S C R 系统电器连接示意图加上2 个催化器温度信号，计算出添蓝喷射量，通过C A N 总线控制计量喷射泵喷射适量的添蓝到排气管内。压缩空气的作用是携带计量后的添蓝到喷嘴，使添蓝经喷嘴喷雾后尽可能雾化。S C R 系统采用的还原剂是添蓝(A d b u l e)标准化尿素(N H 2 C O N H 2)水溶液，其质量百分比为3 1 8-3 3 2，2 0 时的密度为l0 8 7-10 9 3k g m 3。尿素(N H 2 C O N H 2)在排气管混合区遇高温分解成氨气(N H，)和二氧化碳，与排气充分混合后进人S C R 催化消声器。N H：c。N H H：。l 淼2 N H，+c。：在S C R 催化器中N H，和排气中的N O 和N O：反应产生氮气和水(还原反应)N O+N 0 2+2 N H 3 一2 N 2+3 H 2 04 N O+0 2+4 N H 3+4 N 2+6 H 2 02 N 0 2+0 2+4 N H 3 _ 3 N=+6 H 2 0但下列反应必须避免，即N H 3 和O：直接反应4 N H 3+5 0 2 _ 4 N O+6 H：2 0如此，又生成了氮氧化合物，S C R 催化器必须抑制氨气的直接氧化过程，即催化作用必须有选择性。为防止发动机整个使用寿命过程中氨气的泄漏，S C R 催化器后设有氨催化器，在这个催化器中N H，与0 2 反应生成氮气和水4 N H 3+3 0 2+2 N 2+6 H 2 0总之，添蓝作为还原剂，催化器保证化学反应速度及还原反应的选择性。3S C R 系统主要零部件3 1添蓝罐添蓝罐用于盛装添蓝。整体材料为塑料。顶部装有传感器和加热器的集成体。添蓝罐的接口连接如图3 所示。添蓝罐液位、温度传感器可感应液面高度和温度。加热器可利用发动机冷却水的热量化冰。通气阀用于平衡罐内外气体压力。罐内装有添蓝粗滤器以防大于0 1m m 的大颗粒进入喷射系先使用后付款用后说不好可不付款l详见插3 广告汽车电器)2 0 1 0 年第4 期3 9 万方数据O p e r a t i o n M a i n t e n a n c e统。罐底设有残液放出螺塞孑L。添蓝罐加注口彳袷欧洲标7 l g D I N 7 0 0 7 0。与油箱口不同。可防止加错。添蓝罐一般和油箱同侧安装，距离油箱近一点，方便加液。但是两者又不能贴在一起因为电控燃油系统的回油造成油箱温度较高，1 t 1 3 霎萎票譬蓄口有可能加热添蓝。引起添蓝性质变化造成后处理系统不能正常工作。3-2 计量喷射泵总成计量喷射泵总成内部集成计量泵、压缩空气电磁阀、加热器、控制器。该单元有3 个液体(添蓝)接头、1 个压缩空气入口接头以及2个电器接头(2 针的压缩空气电磁阀插头和3 7 针的计量喷射泵控制器插头)。计量喷射泵图4 计量喷射泵总成外形总成的外形及接头及接头连接示意圈连接如图4 所示。计量喷射泵总成的内置控制器具有故障自诊断和O B D 功能。正常运行时，打开钥匙后能听到泵运转时发出的短促的声音，这是电动机回到“停车”位置；当发动机起动时，泵进入“起动排空”模式。泵将添蓝抽人，再通过回液口回到添蓝罐，这样持续进行O 5r a i n。然后内部控制器接通压缩空气电磁阀，如果压缩空气压力正常而且“起动排空”模式成功完成，计量喷射泵将进入计量喷射模式，根据A C U 发出的命令控制添蓝的喷射量，如果排气温度低于2 0 0，添蓝喷射量为零，压缩空气持续。喷射。当起动钥匙关闭后，泵自动开始吹扫，压缩空气继续喷射3 0s，以扫尽喷嘴管路中的残液，避免因添蓝结晶而造成管路堵塞。寒冷季节。计量喷射泵可控制内部加热器自动加热，以防添蓝结冰。压缩空气的压力为0 6-1M P a。消耗量2 0L r a i n。添蓝应符合D I N 7 0 0 7 0 标准。需经过1 0 0p m 滤心过滤。添蓝人口最大流量2 5L h，添蓝喷射能力0 7 5L h。安装计量喷射泵时，应使其Z 轴保持垂直。使用4 个M 8 螺栓固定，安装面平面度要求在0 5m m 以内。由于压缩空气电磁阀工作时发热量较大，所以：4 D：2 0 1 0 年第4 期应考虑通风散热不能靠近热源太近。计量喷射泵与喷嘴之间的接管应使用软管。以允许其和排气管之间的相对震动。计量喷射泵需靠近添蓝罐安装，为减少供液管路内部截流空气的可能性，供液管越短越好。管路越长越要仔细布置管路，使管路从添蓝罐出液口到计量喷射泵添蓝入口的管路一路上行。避免局部拱形。形成空气截留区。3 3 添蓝喷嘴添蓝喷嘴是一个不锈钢喷射器。安装在排气管上。作用是将计量喷射泵送来的添蓝与空气混合物顺流喷入排气管并使喷出的添蓝均匀雾化。为保证添蓝尽可能雾化并与排气均匀混合喷嘴到催化消声器人口的距离至少要3 0 0m m 距离越大混合效果越好。喷嘴垂直于排气管轴线安装。安装方法如图5 所示。于喷嘴安装位置选择一段直管，在上面开一个咖3 2m m 的孑L，将随整机供给的喷嘴座没有螺纹的一头插入孑L 内，直到台阶肩部和排气管外表靠紧，转动安装座。将有止口(半圆形缺口)朝向排气下游，圈焊。将图5 添蓝喷嘴喷嘴弯头一端插入安装座。使安装定位壳体上的圆筒形凸起落入安装座上的止口。上紧螺帽即可。按此方法可满足喷嘴的朝向和喷孔在排气上的位置要求，实现喷嘴的喷雾方向与排气流向保持一致。因为添蓝对普通钢材有一定的腐蚀性。所以喷嘴安装位置上游2 0 0m m 到催化消声器的管路要使用不锈钢材料。为防止氨气外泄。喷嘴与催化器之间不能存在有轻微漏气的管接头和金属软管。喷嘴和计量喷射泵出口用专门提供的软管连接。管路走向从喷射单元到喷嘴最好一路下行尽量避免U 型管路。3 4 催化消声器催化消声器的主要作用是催化氮氧化合物的还原反应和降低发动机的排气噪声。是S C R 催化器和发动机排气消声器的集成体。整体材料为不锈钢内装S C R 催化器心子和消声管路。表层不锈钢板下部装有绝热材料，运行过程中表面平均温度低于2 0 0。催化器前后分别装有温度传感器。包括催化器入口温度传感器和催化器出口温度传感器。为防止插错，催化器前后温度传感器插接件不同。玉柴提供箱式和桶式2 种外形的催化器以满足不同的车辆配套要求。箱式催化消声器支架和车辆大梁的连接不需要使用弹性减震装置，桶式需要弹性减震装置。好消息：免费提供防冻液技米l详见插3 广告 万方数据簪：O p e r a t i o n M a i n t e n a n c e催化消声器比传统的消声器重了很多。车辆制造商应检查当前消声器安装系统的强度，如有必要需更新设计。因为催化器内的化学反应依赖于温度(最低2 0 0)，所以催化消声器应尽可能靠近发动机。而且排气管尽可能包裹保温层。应在蜗轮增压器出口和催化消声器之间使用金属软管连接。目的是避免发动机的震动传到催化消声器，使催化消声器内的催化器免受振动。在全负载额定转速下在蜗轮排气出口处测得的最大总系统背压不应超过2 0k P a。3 5 冷却液电磁阀冷却液电磁阀(图6)为系统化冰服务。工作环境温度：枷一8 0。当电控单元通过添蓝罐温度传感器感应到添蓝温度低于一定程度。判断出系统结冰。通电接通电磁阀。热的发动机冷却液就会顺着管道流向添蓝罐和添蓝泵内图6 冷却液电磁阀置的换热器这些地方的冰就会迅速融化。由于冷却液管道和添蓝胶管扎在一起，外套保温管，所以添蓝管道内部的冰也会同时融化。冷却液电磁阀安装时需注意安装方向(冷却液入口与出口)，并要求电磁铁朝上。3 6 后处理控制单元(A C U)S C R 系统工作采用一个独立的电控单元控制。即A C U(A f t e r-t r e a t m e n tC o n t r o lU n i t)。工作环境温度：幻8 5。其外形示意如图7 所示。A C U 主要功能是计算添蓝喷射量、化冰控制、催化图7 后处理控制单元A C U器温度和添蓝液位、温度传感器信号处理和实现O B D 功能。添蓝控制过程为：通过C A N 总线和发动机E C U通信，获取发动机运行状态数据，同时采集催化器前、后温度信号。根据事先标定好的各种脉谱适时计算发动机实际工作情况下S C R 系统的添蓝喷射量，从而使发动机排气中的N 0 x 成分被精确还原。S C R 电控单元安装环境应低于8 5，要求无水淋，尘土少，震动小。3-7 压缩空气过滤器计量喷射泵压缩空气品质要求为：最大颗粒直径1 5“m，杂质小于8m g m 3，机油含量小于5m s m 3。如果车辆上的处理系统处理后的压缩空气能达到这样的品质，那就不需要使用额外的压缩空气过滤器，否则需安装特殊提供的过滤器。如图8 所示，压缩空气过滤器应垂直安装放水口朝下，并注意压缩空气的流动方向，不得接反。3 8 管路S C R 系统使用3 种管路，添蓝管、加热管和压缩空气管。S C R 系统管路图8 压缩空气过滤器连接如图9 所示。图9S C R 系统管路连接示意图添蓝管是连接添蓝罐、计量喷射泵、喷嘴以供添蓝在系统内部流动的管路。要求材质耐添蓝腐蚀，需要一定的强度，避免因为抽吸产生的真空而被吸扁。系统有3 条添蓝管：从添蓝罐到计量喷射泵的叫添蓝进液管(咖6m m)。从计量喷射泵到喷嘴的叫添蓝压力管(西6m m)。从计量喷射泵回到添蓝罐的叫添蓝回液管(4 5 4m m)。添蓝管两端安装的是S A E 标准的快速接头。加热管路是用发动机的冷却液来加热添蓝罐和添蓝管路，从而解决冬天添蓝结冰、寒冷季节添蓝温度低的问题。加热管内径1 4m m。为加热添蓝管路，加热管和添蓝进、回液管并行，扎在一起，外包隔热材料。压缩空气管道只需考虑强度和耐低温性能即可。4S C R 系统化冰功能添蓝在一1 1 就会结冰。为保证S C R 系统在寒冷天气也能正常工作。就需要有化冰和加热功能。当后处理控制单元A C U 通过安装在添蓝罐上的温度传感器判断出添蓝结冰发动机冷却水温度超过7 0。A C U 就会通电接通冷却水电磁阀，热的冷却水就会流到添蓝罐的热交换器解冻添蓝，同时由于冷却水管和添蓝罐并行而且扎在一起，添蓝管内部的结冰也会化掉。为了避免寒冷天气由于管路结冰或添蓝结晶带来的问题，S C R 系统在寒冷天气运行过程中也会进行加热，反复接通关闭冷却水电磁阀。使添蓝罐内的液温保持在7 1 5 之间。蓄电池用水不用愁接通，K 源自动流1详见插3 广告汽车电器2 0 1 0 年第4 期0 万方数据嚼O p e r a t i o n M a i n t e n a n c e?由于计量喷射泵总成内置自动加热装置计量喷射泵自动处理内部的结冰和低温问题。5S C R 系统o B D 功能根据国排放法规要求。S C R 系统电控单元内部必须集成0 B D(O n B o a r dD i a g n o s t i c s)功能其保证S C R 系统正常工作。当影响发动机排放的电控系统发生故障时进行报警和失效处理。o B D 系统时刻监视可能引起添蓝喷射量不准。从而导致发动机排放恶化的故障，一旦出现此类故障。S C R 电控单元马上报警，点亮S C R 故障灯，并名E C A N 总线上发布信息。系统诊断策略如下。1)S C R 电控单元实时监测各种传感器的工作状况被监视的传感器主要包括添蓝液面高度和温度传感器。计量喷射泵上的添蓝压力、添蓝温度、催化器温度传感器(人口及出口)，这些传感器工作状态一旦出现异常将会直接影响添蓝的喷射量。从而导致排放超标，系统将以点亮故障灯的方式提醒驾驶员。2)在各种传感器工作正常的情况下系统也会时刻判断各个子系统的工作是否合理监测内容包括：添蓝罐的添蓝溶液是否耗尽；添蓝泵的压力是否正常；S C R 系统是否存在泄漏；监测添蓝压力是否正常。3)通过模型来预测当前系统的T 作情况。并与实际的工作情况相比较从模型与实际的工作情况差异来判断各子系统的工作情况。这部分的监测内容包括：催化器是否存在；化冰电磁阀接通与否；添蓝使用量是否正常；催化器前后温度传感器工作情况。6S C R 系统电路图玉柴Y C 6 J 一4 0 系列国柴油机压缩空气辅助喷射S C R 系统电路如图l O 所示。该电路图并不复杂，仅做如下3 点说明。6 1C A N 通信H 一5 9H 一6 2H 5 7H 一6 0H 一1 1H 一】OH 一1 5H 一1 7信号、添蓝液位及温度信号等；A C U 的控制部件包括：冷却液电磁阀、S C R 故障指示灯、添蓝液位指示仪表以及添蓝计量泵、压缩空气电磁阀(后两者集成在U D S 中，电路图中无法表达)。6 3 添蓝喷嘴该S C R 系统添蓝喷嘴无电磁阀控制(无压缩空气辅助喷射S C R 系统如B O S C H 的第2 代D e N O x 2 系统采用带电磁阀控制的添蓝喷嘴)。添蓝量的精确控制过程为：A C U 通过C A N 总线和发动机E C U 通信，获取发动机运行状态数据，并采集催化器前、后温度信号，根据事先标定好的M A P 图，适时计算发动机实际工作情况下S C R 系统的添蓝喷射量同时A C U 通过C A N 总线控制计量喷射泵总成U D S 喷射适量的添蓝到排气管内，从而使发动机排气中的N O。成分被精确还原。压缩空气的作用是携带计量后的添蓝到喷嘴，使添蓝经喷嘴喷雾后尽可能雾化良好。A C U 搭铁!坠A C U 电源(主继电器后)C A N HC A N L催化器入口温度传感器催化器出口温度传感器冷却液 乜磁阀添蓝液位、温度传感器添蓝液位高度指示仪表S C R故障指示灯王Z舌一ZU电源搭铁控制搭铁控制电源压缩宅气电磁阀7c，)oo一镫躜1 碟口螫删2 0 A2 4 V1 5 A2 0 A主弦电器点垄开关I O A图1 0 玉柴Y C 6 J-4 0 系列国柴油机压缩空气辅助喷射S C R 系统电路后处理控制单元A C U、计量喷射泵总成(内部集成计量泵、压缩空气电磁阀、加热器、控制器)一U D S 与发动机E C U 之间采用了C A N 通信。6 2后处理控制单元A C UA C U 的输入信号包括：发动机的运行参数(通过C A N 通信从E C U 获得)、催化器人口及出口温度参考文献：1 吴小春柴油机达到国标准的技术方案研究 J 武汉理工大学学报2 0 0 9，(3)：1 1 0 1 1 3 2 李光耀国标准重卡的关键技术及发展方向 J 商用汽车，2 0 0 8，(6)：1 1 l-1 1 2 3 李孟良重型柴油机国技术路线及实施建议 J 现代零部件，2 0 0 8，(1 1)：钼4 7 4】玉柴S C R 系统培训教材 Z (编辑唐兴年)4 2 汽车电器 2 0 1 0 年第4 期专为个体设计的，-、I 小型、壁挂式蓄电池用7 K 设备详见插3 广告一卜0皿一举鲻擐搏=二二“，3跨硅涯罅一司刿2122 333=FL【铁源源制订源搭电电控吣电搭籼执控肌电flo罨臀越8560821O9125122552232 卜卜卜叭毗M聃舭眦耻mMmm 阻flu旧井磊-埘鄹茸嶂 万方数据