低排放發動機在推土機上的應用研究

路青青，胡英華，張林振

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

2020 年12 月，中國生態環境部正式發布《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》的公告，明確了非道路柴油移動設備“國四”排放將在2022 年12 月1 日全面實施。為滿足排放法規，各主機廠提前布局產品規劃，在滿足排放法規前提下，合理設計動力系統，優化整機性能結構，保證客戶良好駕乘體驗，成為主機廠“國三”升“國四”的重心工作。本文將以推土機為例，介紹低排放發動機及相關附件選型設計原則。

1 發動機本體部件設計原則

發動機作為推土機的核心部件，在整機開發方案設計階段就必須充分考慮結構緊湊性、可靠性、維保性能及整機匹配性能，合理布置發動機部件的相對位置，利用發動機艙有限空間，可以提升駕駛室視野，改善操作舒適性。

1.1 尺寸、便利性要求

目前滿足低排放法規要求的技術路線大致有SCR 技術路線和EGR 兩種，無論哪種技術路線，都使發動機的本體更加，發動機附件選型更加的單一，這就要求整機設計避免因發動機部件如油尺位置機油加注口高度、增壓器位置等在后續整改設計中調整困難或調整時產生的高昂費用。

為減少輔助工作時間，提高作業生產率，發動機各維護保養部件如空濾、燃油濾、機油濾及日常檢查部件如油尺、機油加注口、皮帶漲緊裝置等在選型時，布置位置應易于接近，更換濾芯簡單方便，周圍流出足夠維修保養空間；在主機架寬度較小時，盡量將保養部件布置在發動機一側。山推某低排放推土機采用FPT N67 發動機（圖1），采用高位機油尺，機油加注及相關濾芯靠近機罩，在維護檢查時，直接站在履帶上打開左側罩門鎖即可進行相應操作。

圖1 推某低排放推土機發動機

1.2 視野要求

由于推土機特殊的結構特點，發動機進排氣部件如進氣預濾器、排氣尾管必須位于發動機艙上罩上平面。無論采用何種布置方式，預濾器、排氣尾管均位于駕駛室正前方。為使駕駛室視野最大化，盡量將排氣尾管、空氣預濾器的安裝位置偏置（圖2）。

圖2 排氣尾管等安裝位置偏置

排氣尾管可根據后處理模塊如DOC、SCR的結構特點，盡量布置在單側，排氣尾管與SCR廢氣出口端直接連接。從駕駛室里看，尾管被駕駛室門左（右）立柱遮擋是最理想的位置。空氣濾清器在200 馬力以下的推土機中盡量布置在發動機艙內部，不影響駕駛員視野的情況下也可以根據實際工況要求，再添加一級空氣預濾器，該預濾器盡量布置在上罩單側，遠離排氣尾管。

2 發動機后處理部件設計原則

推土機產品“國三”升“國四”，主要是排放物處理技術的升級，相對EGR 技術路線，SCR催化劑以釩基、鐵基等材料為主，抗硫性好且性能穩定。日本通過對3 種不同S 含量目標值燃料（S0，S10 和S50）對比發現，尿素SCR 系統基本不受燃料中S 含量的影響，且采用SCR 路線要比EGR 路線節油近10%，且動力更強勁。

2.1 SCR及DOC選型設計原則

山推某低排放推土機采用高效SCR 技術，配合DOC，可有效處理廢氣，保證發動機排放滿足法規要求。為滿足不同車輛安裝要求，SCR 及DOC 一般可選擇縱置結構或橫置結構，根據推土機整機結構要求，一般選用橫置式SCR 及橫置式DOC 進行設計。

為滿足后處理部件使用壽命及工作精度，選型的SCR 及DOC 使用設計需符合發動機廠家要求：首先，SCR 罐體與發動機汽缸蓋的最短距離不得低于1 英寸，SCR 與排氣尾管連接管需預留傳感器安裝座，并保證傳感器安裝方便，且SCR出口處不得進水，如圖3 所示。DOC 的安裝與SCR 要求大致相同，其至發動機渦輪增壓出口的管路需保證密封及壓降，且波紋管長度不可超過發動機要求；同時，DOC 與SCR 罐體不得私自更改或調整，保證使用壽命及精度。

圖3 SCR及DOC安裝示意圖

2.2 后處理系統傳感器設計原則

后處理系統排放滿足法規的PM及NOx要求，需要采用相應的傳感器控制后處理工作，以山推某推土機為例，主要的后處理系統傳感器有NH3控制器、NH3 傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器、NOX傳感器等。

傳感器安裝需要保證振動性要求及相關角度、尺寸要求。DOC 上游NOx傳感器盡量布置遠離增壓器位置，盡量靠近DOC 進口位置，不能布置在易被水沖洗的位置。NOx傳感器最小線纜彎曲半徑為35mm，固定點彎曲半徑應大于20mm，固定點個數至少2 個，固定點間距在150～200mm 之間，NOx控制器線纜固定點距離控制器90～110mm。

NH3 傳感器要求安裝在水平角16°～30°，安裝力矩一般要求40～60Nm；線束要延伸大于20mm，柔性段圓角要大于10mm；溫度變化范圍一般為-40～900℃。溫濕度傳感器一般安裝在空氣濾清器之后的高空氣密度區域，不得布置在空氣死角處；其相應的角度需滿足設計要求，且不得反裝。

2.3 尿素噴射系統設計原則

后處理尿素系統的作用是為SCR 提供適量的尿素溶液，以降低有毒氣體的排放。尿素系統一般由尿素箱（DEF Tank）、尿素泵（DM）、冷卻水電磁閥、噴射模塊（SM）、尿素管路、尿素系統控制模塊及相關傳感器等部件組成。首先，ECU 檢查各傳感器、尿素泵、噴嘴、冷卻水電磁閥等系統部件相關電特性，同時監測尿素箱內尿素溫度，尿素溶液溫度過低，ECU 打開斷水電磁閥，發動機冷卻水對尿素溶液進行加熱；其次，尿素泵抽取尿素溶液至尿素泵，同時將尿素送至噴嘴模塊，并在尿素泵中建立一定的壓力，將多余的尿素溶液通過尿素回流管送回尿素箱。ECU根據發動機當前工況以及排氣溫度、尿素溫度、環境溫度等條件判斷是否噴射尿素及尿素的噴射量。

DM 的噴嘴冷卻水沒有流向之分，只要求保持有一定的壓力差，且在整機運行期間保持水路暢通；尿素噴嘴接插件的拆裝順序：尿素噴嘴在整車上的安裝位置要便于尿素液力管路和電器件的安裝與拆卸，目前主流廠家一般將DM 直接安裝至DOC 以節省安裝空間。為防止尿素管路拆裝時對電器接口造成污染，尿素管路接頭和電氣接插件的拆裝順序如下：①安裝時，首先安裝電器接插件，然后安裝尿素管路；②拆卸時，先拆卸掉尿素管路，再拆卸電器接插件。

SM 是尿素噴射系統的重要組成部件，其主要作用是將尿素箱的尿素輸送至尿素噴射裝置，SM的安裝必須滿足一定的靜態和動態負載要求，在任何運行條件下，該裝置上的最高溫度均不得超過85℃；且該部件的所有外表面必須距鄰近相關部件最短距離不得低于1 英寸。

尿素箱為后處理系統提供反應所需的尿素溶液，其形狀及安裝位置的設計，應兼顧整機運行角度及使用容量；如，推土機的爬坡角度一般為30°，尿素箱一般布置與推土機翼板一側，在最大爬坡時，需保證尿素供應要求。另外，在寒冷天氣運行時，發動機在運轉過程中需要對尿素箱進行加熱，要求主機廠使用發動機上設計合理的冷卻回路，通過調節冷卻液流量，保證尿素溶液合理溫度，以滿足噴射系統要求。

總之，低排放發動機對主機廠的設計要求更高，各主機廠應合理規劃，提前做好產品布局，為“國四”的到來做好準備。

3 結語

自非道路“國四”標準公告提出后，行業正式進入“國三”至“國四”的過渡期，加快“國四”主機的開發及驗證對后續產品的市場導入至關重要，各主機廠需從整機角度出發，兼顧后處理相關部件要求，統籌規劃，在產品的不斷升級過程中，總結低排放發動機設計經驗，使產品不斷完善。