某种轻型客车SCR后处理系统耐硫性研究

段佳委，余仕侠

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

某种轻型客车SCR后处理系统耐硫性研究

段佳委，余仕侠

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

高压共轨+SCR技术是发动机实现国Ⅴ排放两种典型路线的一种，而低硫燃油的供应是柴油车实现国Ⅴ排放标准的重要支撑。高硫含量燃油的长期使用势必会导致发动机及后处理系统产生故障，影响顾客的正常使用。以某种轻型客车(GVW>3.5t)匹配SCR后处理为例，着重探究SCR后处理在整车实际应用中的耐硫性。

SCR；国Ⅴ排放标准；耐硫性

0 引言

近年来，随着环保形势的日趋严峻，车辆的排放升级已势在必行。在2005年5月30日，环保部就颁布了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB17691-2005)。最初，2011年1月1日是3.5 t以上重型柴油车国Ⅳ排放标准的实施时间，但之后由于柴油油品不达标，国Ⅳ标准三度推迟。目前，国外已普遍实施国V排放，而国内部分地区已计划在2014年底实施国Ⅴ排放。从国内形势来看，国Ⅳ、国Ⅴ柴油的供应明显滞后于国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的实施时间。高硫燃油的使用必然会导致车辆后处理出现“硫中毒”现象，严重时影响顾客的正常使用。因此如何应对此种情况(一方面要研发生产满足排放标准的车辆，另一方面还要适应国内市场上的油品问题)，成为决定各大主机厂能否赢得市场的关键问题之一。文中主要是验证车辆在使用不满足燃油标准(高硫含量)的燃油时，SCR系统运行多少里程或多长时间会报出相关OBD故障，以及如何消除故障，为后续车辆终端用户提供相关数据支持及指导。

1 SCR后处理介绍

1.1 SCR系统构成

SCR是Selective(选择性)、Catalytic(催化)、Reduction(还原)的英文缩写。SCR系统由催化转换器、尿素给料单元、尿素喷射单元、尿素喷射控制单元(DCU)、尿素罐、尿素输送管路、加热电磁阀及附件构成。详见图1。

1.2 SCR系统工作原理

尿素罐向尿素给料单元供应尿素溶液，喷射单元使用极精确的计量和泵送系统向发动机排气系统中的喷嘴供液，这些都由DCU利用电子方式控制。在任何指定转速和负载条件下，尿素溶液通过高压喷射雾化后与炽热的废气一接触，水迅速蒸发，尿素变成氨气(NH3)，在SCR催化转换器中NH3将废气中的NOx还原成氮气(N2)和水(H2O)，具体的反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

4NH3+6NO→5N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

车辆在使用硫含量较高的燃油时，在选择性催化还原反应中SO2能与NH3发生反应生成硫酸铵((NH4)2SO4)以及硫酸氢铵(NH4HSO4)类物质。此类硫酸盐在300 ℃下容易沉积覆盖在催化剂表面使得催化剂失活，进而抑制NOx转化效率，此过程俗称“硫中毒”[1]。

1.3 SCR系统与DPF系统对比

目前，国内外应用较为成熟的实现国Ⅴ排放技术路线有SCR路线和EGR+DPF路线，综合考虑车辆成本和使用成本，3.5 t以下轻型车主要使用EGR+DPF路线，3.5 t以上车型主要使用SCR路线，两种技术路线各有优缺点，对比见表1。

表1 两种技术路线对比

2 耐硫性研究

2.1 发动机台架试验

通过发动机台架试验(在不同工作温度下，发动机使用不同硫含量的燃油时，后处理NOx转化效率及再生效率随时间的变化图2—3)可以看出，高硫柴油使用会对SCR后处理系统NOx转化效率造成影响。具体如下:

(1)高硫柴油会使SCR系统中毒，导致NOx转化效率下降;

(2)NOx转化效率下降的速度取决于硫含量、排气温度和运行工况;

(3)NOx化效率下降最终会触发两级OBD故障(第一级：NOx排放超过5 g/(kW·h)，不限扭；第二级：NOx排放超过7 g/(kW·h)，限扭)[2]；

(4)高温脱硫后，NOx转化效率会恢复到原有水平。

说明：发动机台架试验是在恒定的工况下(排气温度、转速等)，而整车在实际使用中，排气温度和转速等是实时变化的，因此硫中毒和再生的时间是不一样。

2.2 整车耐硫性试验

2.2.1 试验概况

试验地点：某试验场高环试验跑道。

车辆状态：满载(4 050 kg)。

试验用油：某试验场内加油站(硫含量为697×10-6)。

试验工况：

(1)工况一，后处理喷射系统开始工作(后处理进气温度200 ℃以上)；

(2)工况二，OBD诊断系统开始工作(后处理进气温度240 ℃以上)；

(3)工况三，故障消除，转化效率恢复(硫化物分解)(后处理进气温度340 ℃以上)。

备注：不同的数据标定，工作温度略有不同。

车辆主要参数见表2。

表2 车辆主要参数

2.2.2 试验过程

(1)数据收集

收集的数据见表3，各挡位不同转速对应的后处理进气温度、环境温度20 ℃。

表3 试验数据

(2)方案制定

根据收集的数据并结合试验工况，制定表4所示试验方案[3]。

表4 试验方案

2.3 试验结果

车辆按照试验方案，在行驶 70 h(约5 000 km，不同的车型和发动机报警和消除故障的时间可能不同，但控制原理基本相同)出现了故障；然后按照工况三高温工况运行1 h左右，再按工况二运行40 min左右，故障可消除。

2.4 工况模拟

城市工况模拟结果见图4，城郊工况模拟结果见图5。

由图4可知：SCR后处理进气最高温度224 ℃，按此行驶不会触发OBD诊断系统即不会报故障；由图5可知：SCR后处理进气温度最高为251 ℃，可达到OBD诊断系统的工作温度。

通过对实际工况(城市和城郊)的模拟，国内城市工况基本不会出现故障，城郊工况可达到OBD诊断系统工作温度，因此需要提醒顾客适时进行转化效率恢复工况。

3 结论

(1)SCR系统车辆在使用高硫含量燃油时(350×10-6

(2)在使用过程中，建议顾客在行驶约5 000 km时，运行工况三(高负荷工况)使后处理硫化物分解，避免出现“硫中毒”现象。

(3)顾客在使用高硫燃油时，如果触发了第一级OBD故障，可按表4中的故障消除方案进行故障消除；如果故障还未消除或触发了第二级OBD故障，建议到相关的维修站刷写ECU数据。

【1】 沈伯雄，刘亭，杨婷婷，等.低温SCR脱硝催化剂过渡金属氧化物改性及硫中毒失活机制研究[J].环境科学，2009，30(8)：2-3.

【2】 中国国家标准化管理委员会.HJ 437-2008 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断(OBD)系统技术要求[S].2008.

【3】 GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[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，助理工程师，主要研究方向为汽车总布置研究。E-mail：d814897366@126.com。