某種輕型客車SCR后處理系統耐硫性研究

段佳委，余仕俠

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某種輕型客車SCR后處理系統耐硫性研究

段佳委，余仕俠

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

高壓共軌+SCR技術是發動機實現國Ⅴ排放兩種典型路線的一種，而低硫燃油的供應是柴油車實現國Ⅴ排放標準的重要支撐。高硫含量燃油的長期使用勢必會導致發動機及后處理系統產生故障，影響顧客的正常使用。以某種輕型客車(GVW>3.5t)匹配SCR后處理為例，著重探究SCR后處理在整車實際應用中的耐硫性。

SCR；國Ⅴ排放標準；耐硫性

0 引言

近年來，隨著環保形勢的日趨嚴峻，車輛的排放升級已勢在必行。在2005年5月30日，環保部就頒布了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691-2005)。最初，2011年1月1日是3.5 t以上重型柴油車國Ⅳ排放標準的實施時間，但之后由于柴油油品不達標，國Ⅳ標準三度推遲。目前，國外已普遍實施國V排放，而國內部分地區已計劃在2014年底實施國Ⅴ排放。從國內形勢來看，國Ⅳ、國Ⅴ柴油的供應明顯滯后于國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的實施時間。高硫燃油的使用必然會導致車輛后處理出現“硫中毒”現象，嚴重時影響顧客的正常使用。因此如何應對此種情況(一方面要研發生產滿足排放標準的車輛，另一方面還要適應國內市場上的油品問題)，成為決定各大主機廠能否贏得市場的關鍵問題之一。文中主要是驗證車輛在使用不滿足燃油標準(高硫含量)的燃油時，SCR系統運行多少里程或多長時間會報出相關OBD故障，以及如何消除故障，為后續車輛終端用戶提供相關數據支持及指導。

1 SCR后處理介紹

1.1 SCR系統構成

SCR是Selective(選擇性)、Catalytic(催化)、Reduction(還原)的英文縮寫。SCR系統由催化轉換器、尿素給料單元、尿素噴射單元、尿素噴射控制單元(DCU)、尿素罐、尿素輸送管路、加熱電磁閥及附件構成。詳見圖1。

1.2 SCR系統工作原理

尿素罐向尿素給料單元供應尿素溶液，噴射單元使用極精確的計量和泵送系統向發動機排氣系統中的噴嘴供液，這些都由DCU利用電子方式控制。在任何指定轉速和負載條件下，尿素溶液通過高壓噴射霧化后與熾熱的廢氣一接觸，水迅速蒸發，尿素變成氨氣(NH3)，在SCR催化轉換器中NH3將廢氣中的NOx還原成氮氣(N2)和水(H2O)，具體的反應如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

4NH3+6NO→5N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

車輛在使用硫含量較高的燃油時，在選擇性催化還原反應中SO2能與NH3發生反應生成硫酸銨((NH4)2SO4)以及硫酸氫銨(NH4HSO4)類物質。此類硫酸鹽在300 ℃下容易沉積覆蓋在催化劑表面使得催化劑失活，進而抑制NOx轉化效率，此過程俗稱“硫中毒”[1]。

1.3 SCR系統與DPF系統對比

目前，國內外應用較為成熟的實現國Ⅴ排放技術路線有SCR路線和EGR+DPF路線，綜合考慮車輛成本和使用成本，3.5 t以下輕型車主要使用EGR+DPF路線，3.5 t以上車型主要使用SCR路線，兩種技術路線各有優缺點，對比見表1。

表1 兩種技術路線對比

2 耐硫性研究

2.1 發動機臺架試驗

通過發動機臺架試驗(在不同工作溫度下，發動機使用不同硫含量的燃油時，后處理NOx轉化效率及再生效率隨時間的變化圖2—3)可以看出，高硫柴油使用會對SCR后處理系統NOx轉化效率造成影響。具體如下:

(1)高硫柴油會使SCR系統中毒，導致NOx轉化效率下降;

(2)NOx轉化效率下降的速度取決于硫含量、排氣溫度和運行工況;

(3)NOx化效率下降最終會觸發兩級OBD故障(第一級：NOx排放超過5 g/(kW·h)，不限扭；第二級：NOx排放超過7 g/(kW·h)，限扭)[2]；

(4)高溫脫硫后，NOx轉化效率會恢復到原有水平。

說明：發動機臺架試驗是在恒定的工況下(排氣溫度、轉速等)，而整車在實際使用中，排氣溫度和轉速等是實時變化的，因此硫中毒和再生的時間是不一樣。

2.2 整車耐硫性試驗

2.2.1 試驗概況

試驗地點：某試驗場高環試驗跑道。

車輛狀態：滿載(4 050 kg)。

試驗用油：某試驗場內加油站(硫含量為697×10-6)。

試驗工況：

(1)工況一，后處理噴射系統開始工作(后處理進氣溫度200 ℃以上)；

(2)工況二，OBD診斷系統開始工作(后處理進氣溫度240 ℃以上)；

(3)工況三，故障消除，轉化效率恢復(硫化物分解)(后處理進氣溫度340 ℃以上)。

備注：不同的數據標定，工作溫度略有不同。

車輛主要參數見表2。

表2 車輛主要參數

2.2.2 試驗過程

(1)數據收集

收集的數據見表3，各擋位不同轉速對應的后處理進氣溫度、環境溫度20 ℃。

表3 試驗數據

(2)方案制定

根據收集的數據并結合試驗工況，制定表4所示試驗方案[3]。

表4 試驗方案

2.3 試驗結果

車輛按照試驗方案，在行駛 70 h(約5 000 km，不同的車型和發動機報警和消除故障的時間可能不同，但控制原理基本相同)出現了故障；然后按照工況三高溫工況運行1 h左右，再按工況二運行40 min左右，故障可消除。

2.4 工況模擬

城市工況模擬結果見圖4，城郊工況模擬結果見圖5。

由圖4可知：SCR后處理進氣最高溫度224 ℃，按此行駛不會觸發OBD診斷系統即不會報故障；由圖5可知：SCR后處理進氣溫度最高為251 ℃，可達到OBD診斷系統的工作溫度。

通過對實際工況(城市和城郊)的模擬，國內城市工況基本不會出現故障，城郊工況可達到OBD診斷系統工作溫度，因此需要提醒顧客適時進行轉化效率恢復工況。

3 結論

(1)SCR系統車輛在使用高硫含量燃油時(350×10-6

(2)在使用過程中，建議顧客在行駛約5 000 km時，運行工況三(高負荷工況)使后處理硫化物分解，避免出現“硫中毒”現象。

(3)顧客在使用高硫燃油時，如果觸發了第一級OBD故障，可按表4中的故障消除方案進行故障消除；如果故障還未消除或觸發了第二級OBD故障，建議到相關的維修站刷寫ECU數據。

【1】 沈伯雄，劉亭，楊婷婷，等.低溫SCR脫硝催化劑過渡金屬氧化物改性及硫中毒失活機制研究[J].環境科學，2009，30(8)：2-3.

【2】 中國國家標準化管理委員會.HJ 437-2008 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷(OBD)系統技術要求[S].2008.

【3】 GB 17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].2005.

ResearchonFuelSulfurResistanceofSCRSysteminSomeVan

DUAN Jiawei,YU Shixia

(JAC Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

SCR & high pressure common rail is one of the typical ways to realize the Euro Ⅴ emission standard.In the mean time,the supply of low-sulfur fuel is an important support to achieve Euro Ⅴ emission of diesel vehicle.A long time usage of high sulfur fuel will lead to OBD alarm.Seriously it will affect the use of custom.The fuel sulfur resistance of SCR system in the practical application of the vehicle(GVW>3.5 t)was researched.

SCR;EuroⅤemission standard ;Sulfur resistance

2014-10-11

段佳委(1989—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向為汽車總布置研究。E-mail：d814897366@126.com。