车载SCR低温解冻系统加热性能的实验研究

左宗国 王再兴 余国成 刘屹

摘要：本文针对低温环境下的使用要求，根据车载SCR不同部件的特点，系统设计了SCR系统的热管理方案。系统中的尿素供给单元和尿素管路采用电加热的方式，而尿素箱采用的是发动机冷却水循环加热方式。为了检验系统热管理的加热能力，在-19℃开展了实车实验，实验结果表明系统动热管理方案在-19℃环境温度下完全符合使用要求。

关键词：柴油机;选择性催化还原;加热性能;低温

0  引言

随着汽车排放法规的日益严格，SCR系统被认为是降低柴油机氮氧化物排放的有效机外控制手段。我国地域辽阔，在冬季南北温差很大，北方地区冬季时低温可到零下30℃，甚至更低。众所周知尿素水溶液在低于-11℃时会出现结冰现象，从而使得尿素水溶液供给系统无法正常工作。为了使SCR净化装置低温环境下的正常运行，可以通过对SCR系统进行加热与保温来解决。在尿素箱和尿素供应管路的热管理系统设计过程中，必须保证供热系统的加热能力满足使用要求，将尿素水溶液保持在-11℃的冰点之上，为了节能又要避免过度的加热。因此，十分有必要对SCR系统的热管理系统开展实际运行工况下的应用实验研究。

本文为某车用柴油机设计了一套SCR热管理系统并针对其解冻能力开展了实验研究。

1  SCR系统热管理选题方案

众所周知，尿素水溶液是一种无毒、无气味、不易着火、无爆炸危险的化学物质，但具有一定的腐蚀性。根据文献[3]中尿素水溶液的浓度与冰点的对应曲线可知，在不同浓度的尿素水溶液中，质量比浓度为32.5%的尿素水溶液的冰点是-11℃，适合作为SCR系统的还原剂。为保证SCR系统在低温环境下也能可靠工作，就需要该系统配备低温热管理系统。尿素水溶液从尿素箱输运到喷嘴的过程中要流经尿素供应管道、尿素泵和计量单元，因此在热管理系统的设计中要考虑尿素箱、尿素供给单元和尿素管路三部分。（图1）

2  各部件热管理方案介绍

2.1 尿素箱热管理方案

发动机冷却水加热和电加热方式可以作为尿素箱内尿素水溶液的加热备选方案。考虑到尿素箱内尿素水溶液的容量比较大，采用电加热方案会对车载电池要求比较高，而采用水加热方案的加熱用热水可以取自柴油机的冷却系统，因此对尿素箱内尿素水溶液来说采用发动机冷却水加热的方案是比较理想的热管理方案。如图1所示为尿素箱设计的热管理装置，结构上包括内部加热水管路、温度传感器、液位传感器和尿素供应管路等部件，加热水管在尿素箱内集成设计成热交换器，对其周围的尿素水溶液加热。控制过程如下：温度传感器将尿素结冰的信号（其温度低于-11℃时）发送给控制器（DCU），并且当发动机冷却液温度在设定温度以上时，DCU给冷却液电磁阀（常闭型）发送打开指令，高温的发动机冷却液经电磁阀流入尿素箱内的换热器，对尿素箱内尿素水溶液加热解冻，寒热后的冷却水回流到柴油机出水管。

另外在使用过程中为了避免低温环境下尿素管路结冰带来的问题，SCR系统在低温环境下的运行过程中也会采取加热措施，使尿素水液始终保持在5～15℃的理想温度范围内。尿素箱的热管理控制策略的依据来源于尿素箱内的温度传感器信号（见图2）。

2.2 尿素供给单元热管理方案

尿素泵、滤清器、控制单元、传感器等零部件集成在一起，称为尿素供给单元（见图3），由于尿素供给单元电气元件多，适合采用电加热方案，将电加热装置固定在容易产生结冰的位置，通过对加热继电器的控制实现间隔加热保证供给单元的温度位于合理范围内。如图3所示为尿素供给单元的热管理装置。影响加热效率的主要因素包括供电电压、尿素水溶液的温度、环境温度、尿素水溶液流量、电加热器功率等。

2.3 尿素水溶液管路热管理方案

尿素水溶液管路布置和尿素箱的位置以及尿素喷嘴的安装位置密切相关，在不同的车辆上尿素箱和尿素喷嘴的安装位置也不相同，因此尿素水溶液管路的长度都不尽相同（见图4）。电加热方案的灵活性正好可以发挥，加热效率高、易于控制、布置简单，但缺点是需要电瓶提供电源。在尿素水溶液管路的外面缠绕电阻丝进行电加热。DCU根据温度传感器提供的信号向车载12V电源发送供电指令，实现对尿素水溶液管路的加热。

3  实车运行热管理试验及结果分析

开展实车道路运行加热实验的目的是为了评估设计的SCR热管理系统是否能够满足在高寒地区运行工况的要求。如系统能够在45分钟内实现正常工作，尿素温度控制在5℃左右，则判定系统能够满足使用要求，选择环境温度-19℃典型低温工况进行测试和验证工作。

在环境温度为-19.1℃时，启动发动机后喷射管和吸液管开始进行解冻，解冻完成时间为1090s。

泵起始温度为-17℃ ，启动发动机后尿素泵开始进行解冻，解冻方式为泵自加热，标定解冻完成限值1℃需完成时间为1450s。解冻开始时泵压力为16bar左右，解冻过程中压力持续减小至0bar左右。

尿素箱解冻起始温度为-10℃，发动机启动后由于怠速水温上升较慢，经约420s动态路试后，水温到达水阀开启标定值50℃，水阀开启，尿素箱开始解冻，尿素箱解冻至-3℃完成解冻所需时间为880s。

系统全部解冻完成时间为1450s，解冻完成后依次通过气路检测 PneuCheck液路检测HydraCheck通过后，有喷射需求时系统状态为 Dosing，无喷射需求时系统状态为AirControl，期间没有出现状态返回或异常，当T15断电后系统转为Purge吹扫状态。

4  结论

针对低温环境下的使用情况，本文某车用SCR系统设计了热管理系统，低温环境下在整车上开展了实车运行实验，得出如下结论：

①尿素箱采用发动机冷却液加热，尿素水溶液管路和尿素供给单元采用电加热，共同组成了车载SCR热管理系统方案;②在-18℃以上环境温度下，发动机冷却液对尿素箱的加热可以满足使用要求。

参考文献：

[1]龚金科.汽车排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]董红义，帅石金，李儒龙，等.柴油机排气后处理技术的最新进展与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）：87-92.

[3]M. Koebel， M. Elsener， M. Kleemann. Urea-SCR： a Promising Technique to Reduce NOX Emissions from Automotive Diesel Engines [J]. Catalysis Today. 2000（59）： 335-345.

[4]佟德辉，李国祥，陶建忠，孙少军.基于Urea-SCR技术的V-W/Ti基催化剂在车用柴油机上的应用[J].内燃机工程，2009，30（4）：38-42.

[5]陶建忠，李国祥，佟德辉.基于V-W/Ti基催化剂的NH3选择催化还原NOX的实验研究[J].内燃机工程，2008，29（2）：22-25.

[6]陶建忠，李国祥，佟德辉.H2O和SO2在NH3选择性催化还原NOX过程中的影响[J].内燃机工程，2008，29（3）：56-58.

[7]Stefan aus der Wiesche. Numerical heat transfer and thermal engineering of adBlue tanks for combustion engine emission reduction. Applied Thermal Engineering， 2007（27）：1790-1798.

[8]W.P. Trautwein. AdBlue as a reducing agent for the decrease of NOx emissions from diesel engines of commercial vehicles， DGMK Research Report 616-1， Hamburg， 2003.