基于SCR技術(shù)的尿素供給系統(tǒng)設計*

俞 妍，卜建國，鄧成林，資新運，張英鋒

(1.軍事交通學院基礎部，天津 300161;2.軍事交通學院汽車工程系，天津 300161;3.清華大學航空發(fā)動機研究院，北京 100084)

前言

與EGR技術(shù)路線相比，SCR技術(shù)路線具有良好的經(jīng)濟性、排放法規(guī)繼承性強和對燃料中硫的含量不敏感等諸多優(yōu)點，比較適合我國的國情。

SCR后處理技術(shù)是通過向排氣管內(nèi)噴入還原劑(通常是尿素水溶液)，使還原劑經(jīng)過熱解、水解產(chǎn)生氨氣(NH3)，隨后存儲在催化器內(nèi)，與廢氣中的NOx反應，生成無害的氮氣N2和水。實際上，發(fā)動機的工況不同，NOx排放量也不同。如果過量噴入還原劑會導致多余的NH3隨廢氣排入大氣，造成二次污染。相反，還原劑噴入量過少，則會導致SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率降低。為了實時地精確控制還原劑的噴入量，SCR后處理裝置的尿素供給系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用［1－2］。

1 國外SCR尿素供給系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，歐美大多數(shù)車用柴油機都采用了SCR后處理系統(tǒng)，而且供應尿素的基礎設施也比較完善。但整車和發(fā)動機廠商一般都不會自己設計和生產(chǎn)SCR催化劑和尿素供給系統(tǒng)，而是根據(jù)自己的需求選擇SCR催化劑和尿素供給系統(tǒng)的供應商［3］。世界上主要的尿素供給系統(tǒng)制造商有 BOSCH、GRUNDFOS、TENNECO、ALBONAIR 等公司，它們生產(chǎn)的尿素供給系統(tǒng)分為輔助空氣和無輔助空氣兩大類，如表1所示。

表1 現(xiàn)有SCR尿素供給系統(tǒng)的特點及應用現(xiàn)狀比較

BOSCH先后推出了DeNOxtronic第一代和第二代系統(tǒng)，其中第一代系統(tǒng)為輔助空氣供給方式，主要用于重型柴油車，第二代系統(tǒng)為無輔助空氣供給方式，主要用于輕型柴油車。

GRUNDFOS公司擁有精確供給一定范圍內(nèi)流體的數(shù)字式計量供給技術(shù)。基于此技術(shù)，2006年1月該公司針對SCR系統(tǒng)開發(fā)了精確計量還原劑的供給系統(tǒng)——NoNOxUDS(Urea Dosing System)［4］。

TENNECO公司也設計了Urea-SCR后處理系統(tǒng)用于降低NOx排放，名為ELIM-NOxTM［1］。它集成了尿素箱、供給泵，過濾器、加熱裝置、噴嘴、控制器和各種傳感器，是目前唯一縱向集成并已交付使用的SCR系統(tǒng)，可降低NOx達95%。其尿素噴射無需空氣輔助，降低了整個系統(tǒng)的成本。

歸納起來可以發(fā)現(xiàn)，尿素供給系統(tǒng)顯現(xiàn)集成化、模塊化和智能化等特征，供給和噴射裝置的精度越來越高。但是也存在一些問題，如系統(tǒng)較復雜，加熱裝置的布置困難，系統(tǒng)成本較高以及耐久性和適應性較差等［1］。

2 一種基于壓縮空氣驅(qū)動源的尿素供給系統(tǒng)設計

針對目前國外存在的上述問題，提出了兩個設想:(1)將所有尿素管路盡量集成到尿素箱;(2)取消尿素泵，采用其它尿素驅(qū)動的動力源。依據(jù)這兩個設想，設計了一種以壓縮空氣為驅(qū)動源的尿素供給系統(tǒng)，由于整個系統(tǒng)集成在尿素箱里，本文中取名為智能尿素箱(intelligent urea tank，IUT)系統(tǒng)。

2.1 IUT系統(tǒng)硬件組成與工作原理

IUT系統(tǒng)如圖1所示，其工作原理是:系統(tǒng)以壓縮空氣為驅(qū)動源，以兩個壓力罐為載體，通過壓縮空氣擠壓罐內(nèi)尿素水溶液，實現(xiàn)尿素水溶液的供給。通過穩(wěn)壓閥將壓縮空氣以400kPa的穩(wěn)定壓力為IUT系統(tǒng)供氣;系統(tǒng)采集了尿素噴射壓力和輔助空氣壓力，通過計量閥和霧化噴嘴實現(xiàn)尿素水溶液的精確計量和充分霧化［5］。裝置采用一體化設計，將所有部件集成在尿素箱內(nèi)形成整體，整個系統(tǒng)通過控制器DCU實現(xiàn)智能控制，并可通過CAN通信從ECU獲得命令或者根據(jù)發(fā)動機工況實現(xiàn)實時、精確的尿素噴射控制。

2.2 IUT系統(tǒng)的控制策略

IUT系統(tǒng)要根據(jù)發(fā)動機變化的工況實現(xiàn)精確、快速噴射，須具備以下3個功能:(1)系統(tǒng)驅(qū)動控制;(2)尿素腔的切換控制;(3)基于壓力修正的尿素噴射量控制。

2.2.1 基于狀態(tài)機的IUT系統(tǒng)控制策略

IUT系統(tǒng)噴射前必須給尿素加壓，建立足夠的尿素驅(qū)動壓力;系統(tǒng)在停噴后必須進行管路清洗，以防止尿素結(jié)晶;同時系統(tǒng)工作過程中應該進行自診斷，并能自行處理相關(guān)故障等?；谶@些考慮，本文中提出了基于狀態(tài)機的系統(tǒng)控制策略，如圖2所示。IUT系統(tǒng)工作狀態(tài)劃分為系統(tǒng)自檢、待機、清洗、尿素加壓、噴射和故障診斷6個狀態(tài)。各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件如表2所示。

表2 IUT狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

2.2.2 尿素氣壓驅(qū)動腔切換控制策略

IUT系統(tǒng)是通過給尿素氣壓驅(qū)動腔加壓而實現(xiàn)尿素供給驅(qū)動的。本系統(tǒng)采用兩個尿素氣壓驅(qū)動腔，通過交替控制兩個腔室的加壓、泄壓而實現(xiàn)持續(xù)不斷的尿素供給。尿素氣壓驅(qū)動腔切換應滿足以下兩個原則:(1)腔室切換前，加壓腔不能空;(2)腔室切換頻率盡可能低。為此，系統(tǒng)必須能夠精確計算出每個腔室的實際尿素量［6］。

腔室尿素量按照以下公式計算:

式中:mCav為腔室尿素量;mIn為腔室尿素進入量;mInj為尿素噴射量;mLeak為尿素泄漏量。

尿素氣壓驅(qū)動腔切換控制策略如圖3所示。尿素腔切換動作在加壓腔耗空前打開另外一個尿素腔，在其建立壓力之后對前一加壓腔泄壓，實現(xiàn)尿素腔充液，這樣不斷循環(huán)。

2.2.3 基于壓力修正MAP的尿素精確噴射控制策略

本系統(tǒng)采用壓力-占空比計量的方式精確控制尿素噴射量。在壓力一定的情況下，計量閥占空比決定了尿素噴射速率。通過標定試驗，獲得一張關(guān)于壓力、尿素噴射速率和占空比的MAP圖，如圖4所示，其控制策略如圖5所示。

3 IUT系統(tǒng)試驗與分析

3.1 IUT系統(tǒng)功能驗證試驗

圖6為IUT樣機。為了驗證IUT系統(tǒng)功能，對樣機進行了相關(guān)功能驗證試驗，包括尿素噴射計量試驗、不同壓力下實際尿素噴射速率比較試驗和尿素壓力驅(qū)動腔的切換試驗。

表3為實際噴射與理論噴射值誤差分析，可以看出最大誤差不大于3%。圖7為尿素計量噴射試驗時實際噴射流量與設定噴射流量的關(guān)系圖，可以看出其相似度為0.997 7，一致性很好。

表3 噴射誤差表

圖8 為尿素噴射絕對偏差平均值與尿素壓力的關(guān)系曲線，可以看出，在尿素壓力為200kPa時，實際尿素噴射速率與目標尿素噴射速率偏差較大。隨著尿素壓力的升高，實際尿素噴射速率越來越趨近目標尿素噴射速率。當尿素壓力超過300kPa后，尿素噴射絕對偏差平均值趨向平穩(wěn)且不大于2%，考慮到系統(tǒng)器件可靠性要求，一般選擇尿素壓力為350kPa左右。

圖9 為尿素壓力驅(qū)動腔切換時的壓力波動，可以看出壓力最大波動不超過10kPa。因此這種小幅度的壓力波動不會對尿素噴射量造成較大影響。

3.2 IUT系統(tǒng)ETC試驗

為了更好地驗證IUT系統(tǒng)功能，進行了發(fā)動機ETC試驗。試驗發(fā)動機為重型12L柴油機，最大功率為270kW，采用國產(chǎn)25L催化器。圖10為IUT系統(tǒng)裝配情況。

試驗結(jié)果見表4，NOx排放為3.292g/(kW·h)，達到了國Ⅳ水平，氨泄漏情況如圖11所示，最大不超過30×10－6?？梢钥闯觯O計的IUT系統(tǒng)工作穩(wěn)定，噴射精度完全達到SCR系統(tǒng)要求。

表4 ETC測試結(jié)果 g/(kW·h)

4 結(jié)論

本文中設計了一種以壓縮空氣為驅(qū)動源的尿素供給系統(tǒng)。從試驗結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)工作可靠，尿素噴射精度完全滿足SCR系統(tǒng)功能要求。后續(xù)工作將進一步提高噴射精度，并進行低溫和防結(jié)晶試驗，以提高系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 張春潤，黃利平，龐海龍，等．柴油機Urea-SCR還原劑供給系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀［J］．內(nèi)燃機，2010(5)．

［2］ 錢楓．歐Ⅳ柴油機SCR系統(tǒng)電子控制單元的研發(fā)［D］．武漢:武漢理工大學，2008．

［3］ GrundfosNONOx［EB/OL］．http://www．grundfos．com/noNOx/，2009，02．

［4］ 黃鵬．采用SCR技術(shù)降低車用柴油機的NOx排放［J］．交通環(huán)保，2004(12)．

［5］ 帥石金，張文娟，董紅義，等．柴油機尿素SCR催化器優(yōu)化設計［J］．車用發(fā)動機，2007(2)．

［6］ 唐曉龍，郝吉明，徐文國，等．固定源低溫選擇性催化還原NOx技術(shù)研究進展［J］．環(huán)境科學學報，2005(10)．