基于SCR技術的尿素供給系統設計*

俞 妍，卜建國，鄧成林，資新運，張英鋒

(1.軍事交通學院基礎部，天津 300161;2.軍事交通學院汽車工程系，天津 300161;3.清華大學航空發動機研究院，北京 100084)

前言

與EGR技術路線相比，SCR技術路線具有良好的經濟性、排放法規繼承性強和對燃料中硫的含量不敏感等諸多優點，比較適合我國的國情。

SCR后處理技術是通過向排氣管內噴入還原劑(通常是尿素水溶液)，使還原劑經過熱解、水解產生氨氣(NH3)，隨后存儲在催化器內，與廢氣中的NOx反應，生成無害的氮氣N2和水。實際上，發動機的工況不同，NOx排放量也不同。如果過量噴入還原劑會導致多余的NH3隨廢氣排入大氣，造成二次污染。相反，還原劑噴入量過少，則會導致SCR系統NOx轉化效率降低。為了實時地精確控制還原劑的噴入量，SCR后處理裝置的尿素供給系統起著至關重要的作用［1－2］。

1 國外SCR尿素供給系統研究現狀

目前，歐美大多數車用柴油機都采用了SCR后處理系統，而且供應尿素的基礎設施也比較完善。但整車和發動機廠商一般都不會自己設計和生產SCR催化劑和尿素供給系統，而是根據自己的需求選擇SCR催化劑和尿素供給系統的供應商［3］。世界上主要的尿素供給系統制造商有 BOSCH、GRUNDFOS、TENNECO、ALBONAIR 等公司，它們生產的尿素供給系統分為輔助空氣和無輔助空氣兩大類，如表1所示。

表1 現有SCR尿素供給系統的特點及應用現狀比較

BOSCH先后推出了DeNOxtronic第一代和第二代系統，其中第一代系統為輔助空氣供給方式，主要用于重型柴油車，第二代系統為無輔助空氣供給方式，主要用于輕型柴油車。

GRUNDFOS公司擁有精確供給一定范圍內流體的數字式計量供給技術。基于此技術，2006年1月該公司針對SCR系統開發了精確計量還原劑的供給系統——NoNOxUDS(Urea Dosing System)［4］。

TENNECO公司也設計了Urea-SCR后處理系統用于降低NOx排放，名為ELIM-NOxTM［1］。它集成了尿素箱、供給泵，過濾器、加熱裝置、噴嘴、控制器和各種傳感器，是目前唯一縱向集成并已交付使用的SCR系統，可降低NOx達95%。其尿素噴射無需空氣輔助，降低了整個系統的成本。

歸納起來可以發現，尿素供給系統顯現集成化、模塊化和智能化等特征，供給和噴射裝置的精度越來越高。但是也存在一些問題，如系統較復雜，加熱裝置的布置困難，系統成本較高以及耐久性和適應性較差等［1］。

2 一種基于壓縮空氣驅動源的尿素供給系統設計

針對目前國外存在的上述問題，提出了兩個設想:(1)將所有尿素管路盡量集成到尿素箱;(2)取消尿素泵，采用其它尿素驅動的動力源。依據這兩個設想，設計了一種以壓縮空氣為驅動源的尿素供給系統，由于整個系統集成在尿素箱里，本文中取名為智能尿素箱(intelligent urea tank，IUT)系統。

2.1 IUT系統硬件組成與工作原理

IUT系統如圖1所示，其工作原理是:系統以壓縮空氣為驅動源，以兩個壓力罐為載體，通過壓縮空氣擠壓罐內尿素水溶液，實現尿素水溶液的供給。通過穩壓閥將壓縮空氣以400kPa的穩定壓力為IUT系統供氣;系統采集了尿素噴射壓力和輔助空氣壓力，通過計量閥和霧化噴嘴實現尿素水溶液的精確計量和充分霧化［5］。裝置采用一體化設計，將所有部件集成在尿素箱內形成整體，整個系統通過控制器DCU實現智能控制，并可通過CAN通信從ECU獲得命令或者根據發動機工況實現實時、精確的尿素噴射控制。

2.2 IUT系統的控制策略

IUT系統要根據發動機變化的工況實現精確、快速噴射，須具備以下3個功能:(1)系統驅動控制;(2)尿素腔的切換控制;(3)基于壓力修正的尿素噴射量控制。

2.2.1 基于狀態機的IUT系統控制策略

IUT系統噴射前必須給尿素加壓，建立足夠的尿素驅動壓力;系統在停噴后必須進行管路清洗，以防止尿素結晶;同時系統工作過程中應該進行自診斷，并能自行處理相關故障等。基于這些考慮，本文中提出了基于狀態機的系統控制策略，如圖2所示。IUT系統工作狀態劃分為系統自檢、待機、清洗、尿素加壓、噴射和故障診斷6個狀態。各狀態之間的轉換條件如表2所示。

表2 IUT狀態轉換條件

2.2.2 尿素氣壓驅動腔切換控制策略

IUT系統是通過給尿素氣壓驅動腔加壓而實現尿素供給驅動的。本系統采用兩個尿素氣壓驅動腔，通過交替控制兩個腔室的加壓、泄壓而實現持續不斷的尿素供給。尿素氣壓驅動腔切換應滿足以下兩個原則:(1)腔室切換前，加壓腔不能空;(2)腔室切換頻率盡可能低。為此，系統必須能夠精確計算出每個腔室的實際尿素量［6］。

腔室尿素量按照以下公式計算:

式中:mCav為腔室尿素量;mIn為腔室尿素進入量;mInj為尿素噴射量;mLeak為尿素泄漏量。

尿素氣壓驅動腔切換控制策略如圖3所示。尿素腔切換動作在加壓腔耗空前打開另外一個尿素腔，在其建立壓力之后對前一加壓腔泄壓，實現尿素腔充液，這樣不斷循環。

2.2.3 基于壓力修正MAP的尿素精確噴射控制策略

本系統采用壓力-占空比計量的方式精確控制尿素噴射量。在壓力一定的情況下，計量閥占空比決定了尿素噴射速率。通過標定試驗，獲得一張關于壓力、尿素噴射速率和占空比的MAP圖，如圖4所示，其控制策略如圖5所示。

3 IUT系統試驗與分析

3.1 IUT系統功能驗證試驗

圖6為IUT樣機。為了驗證IUT系統功能，對樣機進行了相關功能驗證試驗，包括尿素噴射計量試驗、不同壓力下實際尿素噴射速率比較試驗和尿素壓力驅動腔的切換試驗。

表3為實際噴射與理論噴射值誤差分析，可以看出最大誤差不大于3%。圖7為尿素計量噴射試驗時實際噴射流量與設定噴射流量的關系圖，可以看出其相似度為0.997 7，一致性很好。

表3 噴射誤差表

圖8 為尿素噴射絕對偏差平均值與尿素壓力的關系曲線，可以看出，在尿素壓力為200kPa時，實際尿素噴射速率與目標尿素噴射速率偏差較大。隨著尿素壓力的升高，實際尿素噴射速率越來越趨近目標尿素噴射速率。當尿素壓力超過300kPa后，尿素噴射絕對偏差平均值趨向平穩且不大于2%，考慮到系統器件可靠性要求，一般選擇尿素壓力為350kPa左右。

圖9 為尿素壓力驅動腔切換時的壓力波動，可以看出壓力最大波動不超過10kPa。因此這種小幅度的壓力波動不會對尿素噴射量造成較大影響。

3.2 IUT系統ETC試驗

為了更好地驗證IUT系統功能，進行了發動機ETC試驗。試驗發動機為重型12L柴油機，最大功率為270kW，采用國產25L催化器。圖10為IUT系統裝配情況。

試驗結果見表4，NOx排放為3.292g/(kW·h)，達到了國Ⅳ水平，氨泄漏情況如圖11所示，最大不超過30×10－6。可以看出，設計的IUT系統工作穩定，噴射精度完全達到SCR系統要求。

表4 ETC測試結果 g/(kW·h)

4 結論

本文中設計了一種以壓縮空氣為驅動源的尿素供給系統。從試驗結果可以看出，該系統工作可靠，尿素噴射精度完全滿足SCR系統功能要求。后續工作將進一步提高噴射精度，并進行低溫和防結晶試驗，以提高系統的可靠性。

［1］ 張春潤，黃利平，龐海龍，等．柴油機Urea-SCR還原劑供給系統國外研究現狀［J］．內燃機，2010(5)．

［2］ 錢楓．歐Ⅳ柴油機SCR系統電子控制單元的研發［D］．武漢:武漢理工大學，2008．

［3］ GrundfosNONOx［EB/OL］．http://www．grundfos．com/noNOx/，2009，02．

［4］ 黃鵬．采用SCR技術降低車用柴油機的NOx排放［J］．交通環保，2004(12)．

［5］ 帥石金，張文娟，董紅義，等．柴油機尿素SCR催化器優化設計［J］．車用發動機，2007(2)．

［6］ 唐曉龍，郝吉明，徐文國，等．固定源低溫選擇性催化還原NOx技術研究進展［J］．環境科學學報，2005(10)．