SCR系統(tǒng)尿素計量裝置開發(fā)研究

王永富，孟再強，鄧海龍，王洪榮

（中國汽車工程研究院 汽車動力總成技術(shù)研究中心，重慶 400039）

柴油機熱效率高、功率覆蓋面廣，在目前能源日益緊張的形勢下車用發(fā)動機的柴油化已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向[1]。由于柴油機固有的非均相擴散燃燒方式，要達到國Ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，僅通過機內(nèi)燃燒凈化方式無法滿足要求，排氣后處理成為柴油發(fā)動機滿足嚴格排放法規(guī)的必備系統(tǒng)。

從2009年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，我國重型和中型商用貨車年銷量達到68.3萬輛，大、中型客車年銷量達到12.91萬輛，已全部柴油化，我國重型柴油汽車國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)已在2011年開始實施，將需要大量的柴油機后處理系統(tǒng)。

柴油機燃燒的特殊性決定著其排放控制需要燃燒系統(tǒng)與后處理系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化和集成。縱觀國外經(jīng)驗，國Ⅳ、國Ⅴ階段可采用兩種技術(shù)路線：一是通過發(fā)動機燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化降低微粒排放，采用選擇性催化還原（SCR）后處理降低NOx排放；二是運用發(fā)動機廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)降低NOx排放，機外采用微粒后處理器降低微粒排放。而要滿足更高的排放標(biāo)準(zhǔn)（如歐Ⅵ），機內(nèi)燃燒的優(yōu)化耦合SCR和顆粒捕集器（DPF）兩類后處理系統(tǒng)將成為可能[2]。

由于SCR系統(tǒng)與EGR+DPF相比， SCR系統(tǒng)具有成本低、節(jié)能等優(yōu)勢，而EGR+DPF對油品有較高的要求[3]。因此，我國國Ⅳ階段采用SCR后處理系統(tǒng)已成為業(yè)內(nèi)共識。

1 SCR系統(tǒng)的技術(shù)難點

1.1 SCR系統(tǒng)的工作原理

SCR系統(tǒng)由SCR催化劑、尿素計量裝置、電控制系統(tǒng)（DCU）、傳感器和尿素罐等組成（圖1和圖2）。SCR系統(tǒng)采用尿素（NH2CONH2）為還原劑，通過尿素噴射系統(tǒng)（DCU+尿素計量裝置）將一定劑量的尿素水溶液與壓縮空氣混合形成的尿素霧噴入排氣管（或直接將尿素水溶液噴射到安裝在排氣連接管上霧化器內(nèi)）。尿素水溶液在高溫下分解成氨氣(NH3)和CO2，在高溫環(huán)境中（溫度高于300 ℃），再加上催化劑的作用，排氣中的NOx迅速與NH3反應(yīng)，生成N2和H2O，以此降低排氣中的NOx排放[4-5]。

SCR電控系統(tǒng)（DCU）從柴油機電控系統(tǒng)（ECU）獲得轉(zhuǎn)速和噴油量信號，并檢測催化劑前后溫度作為修正量，確定柴油機的當(dāng)前運行工況。通過查詢已儲存在DCU里的不同運轉(zhuǎn)工況下所對應(yīng)的NOx排放量的MAP，確定尿素的基本噴射量，再加入催化劑當(dāng)前溫度下轉(zhuǎn)化效率的修正、尿素溫度變化引起密度變化的修正等一系列修正，計算出最終所需噴射量，并發(fā)出控制信號給計量單元噴射一定量的尿素水溶液[6-7]。

1.2 SCR系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)難點

根據(jù)SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，其系統(tǒng)開發(fā)主要分為：尿素計量裝置、SCR催化器、NOx傳感器和電控系統(tǒng)四大部分。本文就其中的尿素計量裝置展開研究，并進行了功能樣機的開發(fā)。

2 尿素計量裝置及其關(guān)鍵部件開發(fā)

尿素計量裝置作為SCR系統(tǒng)的核心部件，其主要目的是實施三大功能：尿素供給、精確計量噴射控制和防尿素結(jié)晶功能。其技術(shù)難點在于實現(xiàn)尿素供給的尿素泵、計量控制系統(tǒng)的開發(fā)，防止尿素腐蝕的材料選擇、材料表面處理，防尿素結(jié)晶的加熱和清掃系統(tǒng)的設(shè)計。因此在開展尿素計量裝置開發(fā)中首先制定了完整的開發(fā)方案，如圖3所示。

（1）尿素計量裝置開發(fā)采用空氣輔助噴射原理，實現(xiàn)不同發(fā)動機工況對尿素需求量的精確計量噴射控制。

（2）開發(fā)任務(wù)分三大模塊：尿素泵開發(fā)、空氣輔助系統(tǒng)開發(fā)和計量控制單元開發(fā)。尿素泵開發(fā)又分成電機的選型設(shè)計、穩(wěn)壓腔體設(shè)計、泵膜片設(shè)計、單向閥設(shè)計和連桿機構(gòu)設(shè)計等。

2.1 尿素泵開發(fā)

尿素泵的主要功能是將尿素箱內(nèi)的尿素吸出，形成一定的壓力和容積的尿素，并存儲起來，為尿素電磁閥的噴射做準(zhǔn)備。本系統(tǒng)采用膜片泵結(jié)構(gòu)，其主要部件包括電機、泵膜片、連桿機構(gòu)、單向閥、尿素存儲腔等。其工作原理是電機驅(qū)動連桿機構(gòu)，帶動膜片上下運動，通過單向閥完成尿素的進出控制，實現(xiàn)尿素的建壓和供給。為了提高膜片的建壓能力和減少驅(qū)動電機的功率，本裝置采用3∶1的電機驅(qū)動減速比。

尿素泵內(nèi)設(shè)計有系統(tǒng)加熱管道（發(fā)動機循環(huán)水加熱）和尿素泄壓和清掃功能，實現(xiàn)低溫下防尿素結(jié)晶功能。設(shè)計指標(biāo)要求尿素供給壓力達到700 kPa以上，尿素供給量滿足7 L/h的要求。尿素泵采用鋁合金材料試制，表面和流道經(jīng)陽極氧化處理，滿足耐尿素要求。

2.1.1 膜片設(shè)計

膜片是尿素泵的核心部件，要求具有一定柔性、耐尿素腐蝕和可靠性高的特點；膜片在泵壓為300 kPa、電機轉(zhuǎn)速為600 r/min時，實際流量大于7 L/h。因此，設(shè)計時，將泵的無壓力尿素供給能力按9 L/h設(shè)計。

根據(jù)膜片的設(shè)計目標(biāo)，膜片設(shè)計采用骨架芯體支撐和橡膠注塑成型，并對橡膠材料進行選型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用橡膠內(nèi)夾麻布以增大抗拉強度，以滿足膜片的剛度和柔性要求，其三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

膜片的直徑按尿素供給量要求進行設(shè)計。首先將膜片運動簡化為活塞的上下運動，按電機轉(zhuǎn)速600 r/min計算，膜片的有效理論直徑應(yīng)為24 mm。這樣膜片一個運動周期，理論供給量為0.814 ml，電機轉(zhuǎn)速600 r/min時，尿素供給量為9.77 L/h，滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

2.1.2 SCR電機選型設(shè)計

電機的驅(qū)動能力是尿素計量裝置實現(xiàn)尿素供給能力和可靠性運行的關(guān)鍵，因此電機選型尤其重要。電機選型的基本要求主要包括以下兩個方面：（1）電機的工作能力滿足最大尿素壓力700 kPa的供給。（2）尿素供給量大于7 L/h。

本設(shè)計采用電機驅(qū)動兩個同步帶輪，速比為3∶1，小帶輪驅(qū)動大帶輪，由大帶輪驅(qū)動偏心軸連桿機構(gòu)，實現(xiàn)尿素的泵給。偏心軸連桿機構(gòu)按偏心距0.9 mm設(shè)計，偏心軸繞軸心作圓周運動，連桿大頭固定在偏心軸上，從而帶動連桿機構(gòu)大頭端繞軸心作圓周運動，同時，連桿機構(gòu)小頭與泵膜片連接，帶動膜片上下運動。因此作用于偏心軸連桿機構(gòu)上的力矩有膜片上方的尿素壓力和連桿機構(gòu)的質(zhì)量和慣性力產(chǎn)生的力矩。作用在偏心軸連桿機構(gòu)受力分析如圖5所示。

偏心軸上受到的切向力T為

式中：Pg為膜片受到的尿素壓力，按700 kPa計算，膜片受力面積按z 32 mm計算；Pj為連桿小頭受到的往復(fù)慣性力；mj為連桿小頭和膜片總成往復(fù)運動質(zhì)量；R為偏心距（相關(guān)于發(fā)動機曲軸上的曲柄半徑）；~為偏心軸的角速度；m為偏心距與連桿長度比值。

按已知要求和設(shè)計參數(shù)，可計算出作用在偏心軸連桿機構(gòu)（大帶輪上）的最大力矩：

Mmax=TmaxR=0.509 N?m .

電機需要克服的最大力矩為M/3=0.17 N?m。

同時，偏心軸受到轉(zhuǎn)動慣性力作用，尤其在尿素計量裝置正常工作狀態(tài)下加速，需要額外增加負荷。按每秒加速1 000 r/min，電機要求額外增加驅(qū)動力矩為

式中：J為各轉(zhuǎn)動部件對偏心軸的軸心的轉(zhuǎn)動慣量；D~/t為單位時間內(nèi)的角速度變化。

因此滿足700 kPa壓力的尿素泵驅(qū)動電機為：電機轉(zhuǎn)矩大于 M電機+M慣性力矩=0.175 9 N?m。

根據(jù)計算結(jié)果選取電機。電機的選型除考慮電機的驅(qū)動能力、工作環(huán)境外，還需要考慮在計量裝置上的安裝結(jié)構(gòu)，通過比較國內(nèi)外兩家公司的產(chǎn)品，并試用，最終選取國外的電機作為本項的動力源。其特性參數(shù)為：600 r/min時電機最大保持轉(zhuǎn)矩為0.438 N?m，滿足尿素泵最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的需求。

2.1.3 單向閥設(shè)計

單向閥設(shè)計涉及到計量裝置的可靠性，要求結(jié)構(gòu)輕巧、開啟壓力少、落座穩(wěn)定，同時要求內(nèi)部容積（余隙容積）盡量小，滿足泵的泵吸能力要求。具體方案采用O型圈加球體密封，彈簧預(yù)緊安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖6），在結(jié)構(gòu)上考慮了球體的運動行程，并進行限制，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

對設(shè)計的單向閥進行核算，單向閥開啟壓力為22.6 kPa，尿素計量裝置啟動時的泵吸能力約為2.8 m水柱高度，滿足整車使用要求。

2.1.4 計量控制單元開發(fā)

SCR電控系統(tǒng)開發(fā)主要包括了計量控制單元硬件設(shè)計開發(fā)，尿素噴射控制策略及軟件開發(fā)、SCR監(jiān)控標(biāo)定系統(tǒng)開發(fā)3個方面。計量控制單元總體設(shè)計方案如圖7所示。

2.2 計量裝置集成及標(biāo)定

本系統(tǒng)開發(fā)還包括輔助空氣噴射系統(tǒng)開發(fā)、諸多傳感器選型設(shè)計、尿素噴嘴設(shè)計選取型等，由于篇幅的原因在此未進行闡述，集成的計量裝置如圖8所示。

針對SCR系統(tǒng)需要實現(xiàn)的精確計量尿素噴射量的要求，對開發(fā)的計量裝置的功能進行了詳細的標(biāo)定和驗證，結(jié)果如下：（1）計量裝置在無噴射壓力下，尿素供給量9.5 L/h；3 kg工作壓力時達到7.5 L/h，滿足設(shè)計指標(biāo)和使用要求。（2）尿素與空氣混合、霧化良好。（3）在輔助空氣噴射背壓下，200 mg/s以上噴射量誤差在3%以內(nèi)，其它工況在5%以內(nèi)，實現(xiàn)了尿素計量的精確控制。（4）經(jīng)500 h可靠性考核，設(shè)計試制的膜片、單向閥、空氣電磁閥及噴嘴等未有故障。

3 計量裝置的臺架試驗研究

3.1 SCR電控系統(tǒng)總體工作流程

利用自主開發(fā)的SCR尿素計量裝置和國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的SCR催化器，在一臺國產(chǎn)2.5 L柴油發(fā)動機上完成了匹配標(biāo)定，并按GB14761—2005標(biāo)準(zhǔn)進行了13工況排放（ESC）工況試驗。原機排放和加裝SCR系統(tǒng)后ESC循環(huán)排放對比如圖9所示，從中可以看出，加裝SCR系統(tǒng)之后，各個工況點的NOx都有所降低，原機ESC為6.81 g/kW·h，加裝SCR系統(tǒng)后ESC為2.64 g/kW·h。

4 結(jié)論

尿素計量裝置開發(fā)涉及機械、材料、電子及計算機控制等，其難點是可靠性和產(chǎn)品一致性。本文主要工作包括：

（1）分析了SCR系統(tǒng)降低柴油機NOx排放原理，制定了SCR系統(tǒng)尿素計量泵開發(fā)方案。

（2）完成了尿素計量裝置的功能樣機開發(fā)，包括膜片設(shè)計、電機選型及驅(qū)動設(shè)計、單向閥設(shè)計、電控系統(tǒng)方案設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。

（3）進行了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采用尿素壓力閉環(huán)控制策略，進行了尿素壓力、脈寬及噴射量的關(guān)系標(biāo)定，當(dāng)尿素噴射量大于200 mg/s時，尿素計量裝置計量噴射誤差小于3%，解決了產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)品一致性難題，滿足柴油機SCR后處理系統(tǒng)對尿素需求的精確計量要求。

（4）進行了發(fā)動機臺架應(yīng)用實踐，試驗標(biāo)定結(jié)果表明該系統(tǒng)可將樣機的ESCNOx排放由6.81 g/kW·h 降低到 2.64 g/kW·h，在降低 NOx排放方面具有很好的效果。

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