探討柴油機尾氣后處理技術及電氣系統驗證

汪 暉

（東風汽車有限公司商用車技術中心，湖北 武漢 430056）

我國目前已成為世界上汽車發展潛力巨大的國家，汽車需求不斷增長，隨著社會的發展，人們的環境保護意識也在不斷提高，對汽車發動機的品質也提出了越來越高的要求。國家相繼頒布了GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法 （國III、 IV階段）》、GB 17691—2005 《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 （國III、IV、V階段）》和GB 14762—2008《重型車用汽油發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 （國III、IV階段）》。這些標準對裝有汽油、柴油、CNG（Compressed Natural Gas，壓縮天然氣）、 LNG （Liquefied Natural Gas，液化天然氣）氣體燃料發動機的各類輕型、重型汽車的排放污染物進行了有效的控制，降低了汽車排放污染，改善了環境空氣品質。

柴油機的排放污染物成分很多，但根據技術控制標準需要控制的污染物有:顆粒 （PM）、氮氧化物NOx、一氧化碳CO和碳氫化物HC 4種。一般柴油機的CO和HC排放容易控制，但PM和NOx排放比較難控制，而且PM排放與NOx排放、NOx排放與燃油經濟性之間又相互矛盾，因此降低NOx和PM的排放、降低燃料消耗是柴油機開發中的重點。

減少柴油機排放的技術方法有機內凈化控制方法和機外后處理方法。機內凈化方法指采用先進的燃燒控制技術實現發動機缸內清潔燃燒，降低排放量。在國III排放階段主要采用機內凈化方法，一般不需要采用機外后處理方法；對國IV排放，通常考慮采用后處理方式。

由于NOx主要在高溫富氧情況下產生，影響其的關鍵因素是燃燒溫度。控制燃燒溫度的方法有增壓中冷技術，降低進氣溫度，降低壓縮比，推遲噴油時間；采用廢氣再循環EGR來控制燃燒速度和溫度，降低氧濃度等。減少NOx排放的后處理裝置主要由采用尿素溶液作為還原劑的SCR（尿素選擇性催化還原反應）系統、被動型的De NOx（去氮氧化物）氧化催化器等。

PM排放物是一種復合物，主要有機油消耗產生的可溶揮發性有機顆粒物、燃油消耗產生的可溶有機顆粒物、硫酸鹽、水及不可溶的有機顆粒物等成分。因此，控制PM排放的有效措施是采用高壓噴射、控制機油消耗、選擇好的油品等。

自2003年歐洲主要商用車制造商，如VOLVO、MAN、DAF等都選擇SCR技術減少NOx排放，并且達到歐盟標準。在實際使用中，長途載貨車一般采用SCR技術，短途運輸或公交車一般采用EGR（廢氣再循環反應）和DPF（柴油顆粒捕捉器）技術。對長途載貨車來說，燃油經濟性是最關健的因素。用戶在考慮燃油成本后，一般選擇添加尿素的SCR技術柴油車，同時，柴油顆粒捕捉器必須經常清潔，對長途使用者來說這種維護困難并且無法保證。對于短途運輸或公交車，燃油成本不再是關鍵因素，并且顆粒捕捉器也容易維護，所以使用者考慮EGRDPF技術的柴油車。

1 SCR技術

1.1 SCR工作原理

圖1為SCR噴射系統電氣原理圖。SCR的工作原理是利用還原尿素在尾氣管道中經過加熱和水解成氨氣NH3，氨氣和NOx在催化劑的作用下，反應生成無毒的氮氣N2和水。

SCR系統由催化劑系統、尿素供應系統、尿素噴射及控制系統3部分組成，見圖2。

催化劑系統安裝在排氣管上，是將一種化學物質涂敷在載體表面，當有氨氣的情況下，可以將NOx轉化成無毒的物質。

尿素供應系統是將32.5%水溶液的尿素存儲在尿素罐內，但在-20℃時，該尿素溶液會凍結。

尿素噴射及控制系統要對尿素噴射量進行精確控制，以保證NH3和NOx有適當的比例。尿素噴射條件如下:①空氣壓力:0.2～0.5MPa；②尿素罐液位:≥5%；③EGP（尿素噴射泵）溫度:200℃；④發動機冷卻液溫度:≥70℃；⑤尿素液溶液溫度:-7～40℃；⑥海拔高度:＜1600m；⑦發動機工作在排放區。

1.2 SCR后處理的電控單元DCU（后處理單元）

圖3為SCR后處理電控單元原理。DCU通過CAN總線和發動機ECU通信，獲取發動機運行狀態數據，同時采集催化器前后溫度信號，根據事先標定好的各種脈譜，適時計算發動機實際工作情況下SCR系統的噴射量，從而使發動機排氣中的NOx成分被精確還原。

2 EGR技術

EGRDPF的工作原理是通過EGR系統，將NOx排放值盡可能降低，而通過顆粒捕捉器將顆粒的排放值減小到低于標準值。

EGR系統也叫廢氣再循環系統，該系統由EGR閥、控制器、EGR冷卻器和EGR連接管路組成。工作原理是:將柴油機的一部分排氣冷卻后，再返回發動機氣缸，參與燃燒過程。廢氣中有CO2、H2O、N2等，其中CO2、H2O的比熱容較高，這樣可以增加發動機氣缸內混合氣的比熱容，降低可燃混合氣點火的缸內溫度，使燃燒過程溫度降低。同時，引入EGR后，缸內混合氣氧的濃度降低，燃燒速度和放熱速度減慢，以有效降低NOx排放物的生成。

金屬顆粒捕捉器收集顆粒的工作原理是:直接捕捉無法通過載體通道的較大顆粒物；顆粒沿載體通道流動過程中，由于溫度梯度，使小顆粒在低溫表面被捕捉；載體通道表面的金屬氈具有吸附能力，可以將表面的小顆粒捕捉，如圖4所示。

3 SCR技術與EGR技術的比較

SCR技術的優點是:燃油經濟性好；燃燒策略為提前噴油，減少了機油中含碳的比例；燃油噴射壓力相對較低；對燃油中的含硫量敏感性較低。其缺點是:需要有尿素供應設施；需要防止氨氣排泄的技術手段；需要降低發動機對潤滑油的消耗；整個系統的布置空間較大。

EGR技術的優點是系統體積較小，布置空間要求不高，但其劣勢是燃燒壓力較高；燃油噴射壓力較高；燃油中硫的敏感性強，超過50ppm的硫含量不可接受；燃油滯后噴射，產生機油含碳問題等。

4 發動機后處理系統的整個電氣系統要求

后處理技術中的電氣系統應首先對OBD故障性試驗進行驗證，其次再針對車輛的使用工況進行模擬試驗，如模擬在沿海地區試驗所進行的鹽霧試驗、高溫試驗；模擬在道路崎嶇不平的道路上進行振動試驗；模擬在北方寒冷的冬季氣候下進行的低溫試驗等。然后還要考慮在高樓林立、電信擁擠的城市中面臨的各種干擾信號的應對能力和自身的輻射能力，進行抗擾度及輻射發射性能試驗，考核PCB（印刷電路板）的設計是否合理。同時，要模擬假設各電器件同時中斷的情況下，發動機ECU及后處理DCU的應對能力，最后還要考慮搭載發動機進行可靠性試驗，驗證各發動機及后處理系統的電器件是否安裝可靠，性能是否仍然滿足要求。

綜合上述的考慮因素，后處理技術的電氣系統試驗項目規定如下。

4.1 基本性能試驗

1）標準符合性試驗 滿足我國環保部頒發的HJ437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷 （OBD）系統技術要求》。

2）故障性試驗 對其故障現象進行重現，以檢查電控單元的控制策略是否合理。

4.2 環境試驗

1）高溫試驗 在高溫狀態下，帶電檢查發動機電控系統是否滿足故障性試驗。

2）低溫試驗 在低溫狀態下，帶電檢查發動機電控系統是否滿足故障性試驗。

3）振動試驗 在定頻和掃頻狀態下，帶電檢查發動機電控系統是否滿足故障性試驗。

4）沖擊試驗 在沖擊試驗臺上，帶電檢查發動機電控系統是否滿足故障性試驗。

5）鹽霧試驗 在鹽霧試驗箱內，帶電檢查發動機電控系統是否滿足故障性試驗。

6）抗擾度及輻射發射性能試驗 檢查發動機后處理電控單元DCU抗擾性及其PCB板設計是否合理。

7）拋負載試驗 將全部負載斷開，檢查發動機后處理電控單元DCU在斷開負載時的性能指標。

4.3 可靠性試驗

可靠性試驗是指在發動機臺架試驗中，驗證發動機上各電器件是否安裝可靠，性能是否仍然滿足技術指標。

5 后處理系統中計量泵總成的電氣系統試驗

由于計量泵總成是后處理系統中的關鍵部分，該總成內包含有尿素液位溫度傳感器、溫度傳感器、加熱電磁閥等電器件，因此，針對計量泵總成這個電氣系統也必須進行試驗驗證，具體項目及要求如下。

5.1 電氣負荷試驗

1）一般規定 頻率和時間±5%，電壓±0.2 V，電阻±10%。

2）直流供電電壓 功能狀態應達到ISO 16750-1《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗》定義的A級。

3）過電壓 功能狀態應達到ISO 16750-1定義的B級。

4）疊加交流電壓 功能狀態應達到ISO 16750-1定義的A級。

5）供電電壓緩降和緩升 在供電電壓范圍內，功能狀態達到ISO 16750-1定義的A級，在供電電壓范圍外，達到定義的D級。

6）供電電壓中斷 功能狀態應達到ISO 16750-1:2006定義的B級。

7）反向電壓 恢復正常的熔斷器連接后，功能狀態應達到ISO 16750-1:2006定義的C級。

8）參考 （模擬）搭鐵和供電補償 功能狀態應達到ISO 16750-1定義的A級，即被測試DUT沒有故障也無閉鎖效應。

9）開路試驗 功能狀態應達到ISO 16750-1定義的C級。

10）短路保護 信號電路的功能狀態應達到ISO 16750-1定義的C級。負載電路中，所有電子保護輸出端應能承受短路電流且在切斷短路電流后能恢復正常工作，功能狀態應達到ISO 16750-1定義的C級。

11）（絕緣）耐電壓 功能狀態應達到ISO 16750-1定義的C級，試驗時不得出現擊穿和電弧。

12）絕緣電阻 應大于10MΩ。

5.2 環境試驗

高溫性能試驗、低溫性能試驗、溫度變化試驗、溫度／濕度組合循環試驗、振動試驗、沖擊試驗、鹽霧試驗都應按ISO 16750-1《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗》中的相應試驗方法規定進行。

5.3 EMC試驗

1）電源傳導線干擾試驗 按ISO 7637-2《道路車輛.傳導和耦合引起的電干擾.第2部分:僅沿電源線瞬間電傳導》中的相應試驗方法規定進行。

2）信號線干擾試驗 按ISO 7637-3《道路車輛.傳導和耦合引起的電干擾.第3部分:通過電容耦合和電感耦合經由非電源線線路的瞬間電傳輸》中的相應試驗方法規定進行。

3）射頻抗擾試驗 按以下規定進行試驗:ISO 11452-1《道路車輛.窄帶輻射的電磁能量產生的電干擾的部件試驗方法.第1部分:總則和術語》，ISO 11452-2第2部分 “吸波屏蔽外殼”，ISO 11452-3第3部分 “橫向電磁模式 （TEM）元件”，ISO 11452-4第4部分 “大容量電流注入 （BCI）”，ISO 11452-5第5部分 “微波帶狀線”。

4）靜電放電的抗騷擾性試驗 按ISO 10605《道路車輛 靜電放電產生的電干擾的測試方法》中的相應試驗方法規定進行。

5）射頻騷擾試驗 按GB 18655《用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》中的相應試驗方法規定進行。

6 結束語

柴油發動機的后處理技術目前是單一的SCR技術、EGR技術，未來隨著全球對環境保護提出的更高尾氣排放指標，發動機技術將可能是二者的結合，或者是產生新型的柴油發動機。因此，發動機系統的控制策略及標定策略將更加嚴格，發動機電氣系統的要求也會不斷加強和提高，其驗證項目和指標將會變得更加重要。

［1］李建秋，趙六奇，韓曉東，等.汽車電子學教程 （第2版）［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［2］朱玉龍.汽車電子硬件設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［3］ISO 16750-1，道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗［S］.