車用柴油機SCR噴射系統的設計及研究

吳君華

（南京林業大學，南京 210037）

車用柴油機SCR噴射系統的設計及研究

吳君華

（南京林業大學，南京 210037）

設計車用柴油機SCR噴射系統，其采用“壓差時間式”的計量原理，直接噴射的霧化型式。進行SCR噴射系統組成部件壓力控制單元、尿素噴嘴的功能試驗，并進行自主SCR系統匹配柴油機排放試驗和國Ⅳ法規測試。結果表明，SCR噴射系統壓力波動小，噴嘴流量特性線性度好，能滿足柴油機SCR系統的要求。匹配SCR系統的發動機NOx排放最多降低80%，低于國Ⅳ標準限值要求，發動機的燃油經濟性得到改善。

主題詞:柴油機 SCR 噴射系統

1 前言

SCR是降低柴油機NOx排放的主要技術手段，采用添藍（濃度32.5%的尿素水溶液）作為還原劑，在一定溫度及催化劑的作用下，將發動機尾氣中的NOx還原成氮氣。為使我國車用柴油機達到國Ⅳ及以上排放標準，采用排氣后處理技術已成為必不可少的措施[1～2]，而國內研究的SCR系統未能商業化，制約了排放法規的按時實施。

本文在分析國外多種SCR尿素噴射系統的優缺點及各大公司專利保護范圍的基礎上[3]，結合國內的實際情況，采用“壓差時間式”的計量原理，直接噴射的霧化型式，設計開發SCR噴射系統總成，研究噴射系統組成部件壓力控制系統、添藍噴嘴的性能，并進行SCR噴射系統匹配發動機的排放測試。

2 SCR噴射系統的設計

2.1 總體方案設計

SCR尿素噴射系統根據發動機的運轉工況噴入霧化良好、計量精確的尿素溶液[4～5]，其應具備泵、單向閥、傳感器等組件，應具有過濾、加熱、調壓、穩壓、換向等功能。對于無氣動輔助直接噴射SCR尿素噴射系統還應該具備噴嘴冷卻、隔熱等功能。由于尿素溶液有低溫結晶性能，因此SCR尿素噴射系統應該具備尿素加熱的功能。為防止尿素溶液在管路內結晶堵塞管路，在噴射結束后需要對管路內的尿素溶液進行清空處理。

SCR尿素噴射系統采用“壓差時間式”噴射系統的計量原理，由尿素供應單元、壓力控制單元和噴射計量單元組成，其中尿素供應單元由直流無刷隔膜泵組成；壓力控制單元為膜片彈簧系統，起到調壓和穩壓的作用；計量單元為高速電磁閥，由PWM控制噴射量；無氣動輔助直接噴射系統控制霧化型式；有4個孔徑為0.20 mm的噴孔；噴射壓力設定為500±15 kPa。

SCR噴射系統組成如圖1所示。該系統工作過程為：添藍儲存在添藍罐中，罐內安裝溫度傳感器和液面位置傳感器檢測尿素溶液狀態。添藍經過濾器后，直流無刷隔膜泵將添藍壓力提升到500 kPa以上，然后進入噴射容腔、添藍噴嘴，而后噴入排氣管混合器中，多余的添藍回流到尿素箱。回流管路上還安裝有控制系統壓力的溢流閥，添藍在噴射系統形成了一個完整的回路。為了保持系統壓力穩定，采用穩壓閥來減少系統的壓力波動，壓力傳感器和溫度則用來監控系統壓力和溫度。當添藍結束噴射后，換向電磁閥開啟，換向閥打開，殘留在管路和過濾器內的添藍在泵的作用下回流到添藍罐。

圖1 SCR尿素噴射系統示意

2.2 添藍噴射量的確定

SCR噴射計量策略設計的總體思路是根據發動機的排放和目標減少量計算出所需還原劑的基本量，通過高速電磁閥的脈寬與頻率調節，滿足發動機各工況下的計量要求。根據發動機的性能和排放數據，設計合適的噴射計量和霧化結構參數，提出方案，加工樣品，試驗確定噴射規律，然后進行優化設計，完成樣品的開發。

以額定功率213 kW（額定轉速2 300 r/min）的重型發動機為例，計算確定發動機滿足國Ⅳ排放所需要的最大添藍噴射量，該噴射需求量為SCR噴射系統的結構選型和基本參數設計提供依據。

SCR催化轉化反應方程式：

由式（1）～式（3）可知，添藍與NOx的理論完全轉化質量比為添藍∶NH3=1∶0.566 7、添藍∶NO=1∶1、添藍∶NO2=0.869 5∶1。

原發動機的NOx初始排放為9.4 g/（kW·h），目標排放國Ⅳ限值為3.5 g/（kW·h），考慮到工程余量，將目標定為3.2 g/（kW·h），最大轉化效率為66%。經計算，該發動機滿足國Ⅳ排放要求需要添藍噴射最大流量為0.14 L/min，即8.4 L/h。最大流量是設計添藍供應泵額定流量的依據，本系統采用大回流系統，用尿素溶液冷卻尿素噴嘴，添藍泵的額定流量設為尿素噴射量的5倍，則添藍泵的額定流量為0.7 L/min。

3 試驗設備和方法

3.1 試驗設備

添藍泵壓力控制單元和添藍噴嘴的性能測試是在自制的試驗臺上進行，通過壓力采樣系統測試系統的壓力，采用“稱量法”測試添藍的供給量和噴射量。

SCR系統匹配某增壓中冷直噴式電控柴油機的排放試驗在發動機試驗臺架上進行。所采用的設備有智能油耗儀、日本HORIBA公司排放分析儀、SENSYCON公司空氣流量計及電力測功機等。SCR催化轉換器則采用無錫凱龍公司封裝的優美科催化劑。

3.2 SCR系統匹配發動機排放試驗測試方法

根據發動機在各工況點下的排放值，改變添藍的噴射量，研究添藍噴射量對NOx轉化效率的影響。試驗過程中，每組試驗的每一工況下均事先不噴射添藍，待試驗工況充分穩定后，測取催化器進口處的NOx質量濃度，然后將NOx取樣探頭置于催化器出口的測點處，并向排氣管內噴入相應的添藍。最后在NOx質量濃度充分穩定后，記錄其排放值并停止添藍供應使NOx回升到催化器進口處NOx的濃度值。

根據試驗過程中對催化器進出口處NOx濃度、發動機進氣流量、燃油消耗量、添藍流量以及環境條件進行記錄，計算出添藍理論當量比。

4 試驗結果及分析

4.1 壓力控制單元壓力特性

圖2為SCR噴射系統壓力隨時間的變化圖。

圖2 SCR噴射系統壓力變化示意

系統壓力為10 ms采樣，前半段添藍噴嘴關閉，只有添藍泵工作；后半段添藍噴嘴按照最大流量噴射。從圖2可以看出，噴嘴不工作時，SCR噴射系統壓力很穩定，最高壓力為505 kPa，最低壓力為495 kPa，在設計壓力500 kPa附近波動。添藍以最大流量噴射時，壓力整體下降，最低壓力為480 kPa，最高壓力仍然為505 kPa，壓力在495±15 kPa附近波動，符合設計要求。

4.2 添藍噴嘴流量特性

對單孔旋流噴嘴進行試驗，孔徑為0.2 mm，設定噴射壓力為500 kPa，噴射頻率為10 Hz，驅動電壓為24 V。共進行3次試驗，表1為噴嘴流量特性數據。圖3為占空比對噴嘴流量特性的影響。由圖3可知，尿素噴嘴流量的一致性很好，3次試驗數據曲線幾乎重合。在占空比范圍內，噴嘴流量和占空比呈線性關系，表明占空比在10%～90%范圍內噴嘴流量是穩定可靠的。因此，在確定SCR尿素噴射量的控制脈譜時，可以根據需要在10%～90%范圍內選取合適的占空比。

表1 SCR添藍噴嘴流量特性

圖3 占空比對SCR噴嘴流量的影響

4.3 SCR添藍當量比對NOx轉化效率的影響

將SCR系統安裝在柴油機上進行試驗，以典型工況下1 750 r/min試驗結果為例進行分析。圖4為添藍當量比對NOx轉化效率的影響。可以看出，隨著添藍的增加，NOx的轉化效率幾乎呈線性升高；25%負荷下轉化效率明顯比其它負荷下低；而當量比增加到1.2以上時，轉化效率增加緩慢，25%負荷下轉化效率為68%，而其它負荷下的轉化效率達到80%以上。這是由于溫度是影響NOx轉化效率的主要因素，25%負荷時SCR催化轉化器入口溫度為270℃，溫度偏低導致轉化效率低。

4.4 SCR系統匹配發動機穩態排放測試

按照歐洲穩態（ESC）標準測試循環測試的結果如圖5所示。SCR系統匹配發動機后NOx排放為3.014 g/（kW·h），HC的排放為0.003 g/（kW·h），CO的排放為0.045 g/（kW·h），分別比國Ⅳ排放限值低14.2%，93.5%，97.0%。原柴油機的NOx排放為5.35 g/（kW·h），添藍注入后發動機ESC循環的NOx排放降低了43.6%。采取SCR模式優化后顆粒為0.018 g/（kW·h），比原機改善40.5%，也低于國Ⅳ限值。13工況加權比油耗為202.4 g/（kW·h），比原機加權比油耗216.8 g/（kW·h）下降6.6%。

圖4 1 750 r/min下添藍當量比對NOx轉化效率的影響

圖5 SCR系統匹配發動機穩態排放測試結果

5 結束語

a.設計了柴油機后處理SCR噴射系統，采用“壓差時間式”的計量原理、直接噴射霧化方式。噴射時系統壓力波動小于±15 kPa，能滿足柴油機SCR噴射系統要求。在10%～90%占空比范圍內添藍噴嘴的流量特性呈現良好的線性度，且流量的一致性很好。

b.進行了SCR噴射系統匹配發動機的排放測試，隨著添藍的增加，NOx的轉化效率幾乎呈線性升高，理論添藍當量比時，NOx轉化效率最高達到80%以上。

c.匹配該SCR噴射系統，發動機排放低于國Ⅳ標準限值要求，發動機的燃油經濟性也得到明顯改善。

1 覃軍.降低柴油機NOx排放的SCR系統控制策略研究：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2007.

2 劉甲偉,韓永強,韓訊,等.通用型SCR還原劑噴射系統的設計與控制策略研究.車用發動機，2014（1）:7～13.1

3 羅伯特.用于液態還原劑的計量裝置.中國專利, 200780048338.2009-10-28.

4 鄭清平，沈雅萱，張杰忠,等.柴油機Urea-SCR噴射系統結構參數對NOx轉化率的影響.內燃機工程，2013（6），31～35.

5 李兵.柴油機Urea-SCR供給系統的優化與設計：[學位論文].武漢：武漢理工大學，2012.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年4月1日。

Design and Study of SCR Injection System of Automobile Diesel Engine

Wu Junhua
（Nanjing Forestry University,Nanjing 210037）

SCR injection system of automobile diesel engine was designed,with the theory of“differential pressure measurement principle”and direct injection patterns.Functional test of pressure control unit and urea nozzle of the SCR system were carried out.Emissions tests of diesel engine with SCR system and ChinaⅣ regulatory tests were carried out too.The results showed that pressure fluctuations in SCR system were small,flow characteristics showed good linearity, which nicely satisfied the requirement of SCR system.NOxemission of diesel engine was reduced up to 80%with SCR system,lower than ChinaⅣlimit.Fuel economy of engine with SCR system was also improved.

Diesel engine,SCR,Injection system

464.134+4

A

1000-3703（2016）11-0048-03