车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究

吴君华

（南京林业大学，南京 210037）

车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究

吴君华

（南京林业大学，南京 210037）

设计车用柴油机SCR喷射系统，其采用“压差时间式”的计量原理，直接喷射的雾化型式。进行SCR喷射系统组成部件压力控制单元、尿素喷嘴的功能试验，并进行自主SCR系统匹配柴油机排放试验和国Ⅳ法规测试。结果表明，SCR喷射系统压力波动小，喷嘴流量特性线性度好，能满足柴油机SCR系统的要求。匹配SCR系统的发动机NOx排放最多降低80%，低于国Ⅳ标准限值要求，发动机的燃油经济性得到改善。

主题词:柴油机 SCR 喷射系统

1 前言

SCR是降低柴油机NOx排放的主要技术手段，采用添蓝（浓度32.5%的尿素水溶液）作为还原剂，在一定温度及催化剂的作用下，将发动机尾气中的NOx还原成氮气。为使我国车用柴油机达到国Ⅳ及以上排放标准，采用排气后处理技术已成为必不可少的措施[1～2]，而国内研究的SCR系统未能商业化，制约了排放法规的按时实施。

本文在分析国外多种SCR尿素喷射系统的优缺点及各大公司专利保护范围的基础上[3]，结合国内的实际情况，采用“压差时间式”的计量原理，直接喷射的雾化型式，设计开发SCR喷射系统总成，研究喷射系统组成部件压力控制系统、添蓝喷嘴的性能，并进行SCR喷射系统匹配发动机的排放测试。

2 SCR喷射系统的设计

2.1 总体方案设计

SCR尿素喷射系统根据发动机的运转工况喷入雾化良好、计量精确的尿素溶液[4～5]，其应具备泵、单向阀、传感器等组件，应具有过滤、加热、调压、稳压、换向等功能。对于无气动辅助直接喷射SCR尿素喷射系统还应该具备喷嘴冷却、隔热等功能。由于尿素溶液有低温结晶性能，因此SCR尿素喷射系统应该具备尿素加热的功能。为防止尿素溶液在管路内结晶堵塞管路，在喷射结束后需要对管路内的尿素溶液进行清空处理。

SCR尿素喷射系统采用“压差时间式”喷射系统的计量原理，由尿素供应单元、压力控制单元和喷射计量单元组成，其中尿素供应单元由直流无刷隔膜泵组成；压力控制单元为膜片弹簧系统，起到调压和稳压的作用；计量单元为高速电磁阀，由PWM控制喷射量；无气动辅助直接喷射系统控制雾化型式；有4个孔径为0.20 mm的喷孔；喷射压力设定为500±15 kPa。

SCR喷射系统组成如图1所示。该系统工作过程为：添蓝储存在添蓝罐中，罐内安装温度传感器和液面位置传感器检测尿素溶液状态。添蓝经过滤器后，直流无刷隔膜泵将添蓝压力提升到500 kPa以上，然后进入喷射容腔、添蓝喷嘴，而后喷入排气管混合器中，多余的添蓝回流到尿素箱。回流管路上还安装有控制系统压力的溢流阀，添蓝在喷射系统形成了一个完整的回路。为了保持系统压力稳定，采用稳压阀来减少系统的压力波动，压力传感器和温度则用来监控系统压力和温度。当添蓝结束喷射后，换向电磁阀开启，换向阀打开，残留在管路和过滤器内的添蓝在泵的作用下回流到添蓝罐。

图1 SCR尿素喷射系统示意

2.2 添蓝喷射量的确定

SCR喷射计量策略设计的总体思路是根据发动机的排放和目标减少量计算出所需还原剂的基本量，通过高速电磁阀的脉宽与频率调节，满足发动机各工况下的计量要求。根据发动机的性能和排放数据，设计合适的喷射计量和雾化结构参数，提出方案，加工样品，试验确定喷射规律，然后进行优化设计，完成样品的开发。

以额定功率213 kW（额定转速2 300 r/min）的重型发动机为例，计算确定发动机满足国Ⅳ排放所需要的最大添蓝喷射量，该喷射需求量为SCR喷射系统的结构选型和基本参数设计提供依据。

SCR催化转化反应方程式：

由式（1）～式（3）可知，添蓝与NOx的理论完全转化质量比为添蓝∶NH3=1∶0.566 7、添蓝∶NO=1∶1、添蓝∶NO2=0.869 5∶1。

原发动机的NOx初始排放为9.4 g/（kW·h），目标排放国Ⅳ限值为3.5 g/（kW·h），考虑到工程余量，将目标定为3.2 g/（kW·h），最大转化效率为66%。经计算，该发动机满足国Ⅳ排放要求需要添蓝喷射最大流量为0.14 L/min，即8.4 L/h。最大流量是设计添蓝供应泵额定流量的依据，本系统采用大回流系统，用尿素溶液冷却尿素喷嘴，添蓝泵的额定流量设为尿素喷射量的5倍，则添蓝泵的额定流量为0.7 L/min。

3 试验设备和方法

3.1 试验设备

添蓝泵压力控制单元和添蓝喷嘴的性能测试是在自制的试验台上进行，通过压力采样系统测试系统的压力，采用“称量法”测试添蓝的供给量和喷射量。

SCR系统匹配某增压中冷直喷式电控柴油机的排放试验在发动机试验台架上进行。所采用的设备有智能油耗仪、日本HORIBA公司排放分析仪、SENSYCON公司空气流量计及电力测功机等。SCR催化转换器则采用无锡凯龙公司封装的优美科催化剂。

3.2 SCR系统匹配发动机排放试验测试方法

根据发动机在各工况点下的排放值，改变添蓝的喷射量，研究添蓝喷射量对NOx转化效率的影响。试验过程中，每组试验的每一工况下均事先不喷射添蓝，待试验工况充分稳定后，测取催化器进口处的NOx质量浓度，然后将NOx取样探头置于催化器出口的测点处，并向排气管内喷入相应的添蓝。最后在NOx质量浓度充分稳定后，记录其排放值并停止添蓝供应使NOx回升到催化器进口处NOx的浓度值。

根据试验过程中对催化器进出口处NOx浓度、发动机进气流量、燃油消耗量、添蓝流量以及环境条件进行记录，计算出添蓝理论当量比。

4 试验结果及分析

4.1 压力控制单元压力特性

图2为SCR喷射系统压力随时间的变化图。

图2 SCR喷射系统压力变化示意

系统压力为10 ms采样，前半段添蓝喷嘴关闭，只有添蓝泵工作；后半段添蓝喷嘴按照最大流量喷射。从图2可以看出，喷嘴不工作时，SCR喷射系统压力很稳定，最高压力为505 kPa，最低压力为495 kPa，在设计压力500 kPa附近波动。添蓝以最大流量喷射时，压力整体下降，最低压力为480 kPa，最高压力仍然为505 kPa，压力在495±15 kPa附近波动，符合设计要求。

4.2 添蓝喷嘴流量特性

对单孔旋流喷嘴进行试验，孔径为0.2 mm，设定喷射压力为500 kPa，喷射频率为10 Hz，驱动电压为24 V。共进行3次试验，表1为喷嘴流量特性数据。图3为占空比对喷嘴流量特性的影响。由图3可知，尿素喷嘴流量的一致性很好，3次试验数据曲线几乎重合。在占空比范围内，喷嘴流量和占空比呈线性关系，表明占空比在10%～90%范围内喷嘴流量是稳定可靠的。因此，在确定SCR尿素喷射量的控制脉谱时，可以根据需要在10%～90%范围内选取合适的占空比。

表1 SCR添蓝喷嘴流量特性

图3 占空比对SCR喷嘴流量的影响

4.3 SCR添蓝当量比对NOx转化效率的影响

将SCR系统安装在柴油机上进行试验，以典型工况下1 750 r/min试验结果为例进行分析。图4为添蓝当量比对NOx转化效率的影响。可以看出，随着添蓝的增加，NOx的转化效率几乎呈线性升高；25%负荷下转化效率明显比其它负荷下低；而当量比增加到1.2以上时，转化效率增加缓慢，25%负荷下转化效率为68%，而其它负荷下的转化效率达到80%以上。这是由于温度是影响NOx转化效率的主要因素，25%负荷时SCR催化转化器入口温度为270℃，温度偏低导致转化效率低。

4.4 SCR系统匹配发动机稳态排放测试

按照欧洲稳态（ESC）标准测试循环测试的结果如图5所示。SCR系统匹配发动机后NOx排放为3.014 g/（kW·h），HC的排放为0.003 g/（kW·h），CO的排放为0.045 g/（kW·h），分别比国Ⅳ排放限值低14.2%，93.5%，97.0%。原柴油机的NOx排放为5.35 g/（kW·h），添蓝注入后发动机ESC循环的NOx排放降低了43.6%。采取SCR模式优化后颗粒为0.018 g/（kW·h），比原机改善40.5%，也低于国Ⅳ限值。13工况加权比油耗为202.4 g/（kW·h），比原机加权比油耗216.8 g/（kW·h）下降6.6%。

图4 1 750 r/min下添蓝当量比对NOx转化效率的影响

图5 SCR系统匹配发动机稳态排放测试结果

5 结束语

a.设计了柴油机后处理SCR喷射系统，采用“压差时间式”的计量原理、直接喷射雾化方式。喷射时系统压力波动小于±15 kPa，能满足柴油机SCR喷射系统要求。在10%～90%占空比范围内添蓝喷嘴的流量特性呈现良好的线性度，且流量的一致性很好。

b.进行了SCR喷射系统匹配发动机的排放测试，随着添蓝的增加，NOx的转化效率几乎呈线性升高，理论添蓝当量比时，NOx转化效率最高达到80%以上。

c.匹配该SCR喷射系统，发动机排放低于国Ⅳ标准限值要求，发动机的燃油经济性也得到明显改善。

1 覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究：[学位论文].武汉：武汉理工大学，2007.

2 刘甲伟,韩永强,韩讯,等.通用型SCR还原剂喷射系统的设计与控制策略研究.车用发动机，2014（1）:7～13.1

3 罗伯特.用于液态还原剂的计量装置.中国专利, 200780048338.2009-10-28.

4 郑清平，沈雅萱，张杰忠,等.柴油机Urea-SCR喷射系统结构参数对NOx转化率的影响.内燃机工程，2013（6），31～35.

5 李兵.柴油机Urea-SCR供给系统的优化与设计：[学位论文].武汉：武汉理工大学，2012.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为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