SCR后處理系統排氣保溫技術的應用研究

方有虎

摘 要：為應對國五以及更為嚴格的國六排放法規，通過分析和研究SCR后處理系統及排氣保溫的原理，以排氣的熱量傳遞規律作為切入點，對不同的排氣管保溫方案進行分析，并進行相關試驗驗證，為整車的實際應用提供理論支持和方案選擇。

關鍵詞：SCR后處理系統;排氣保溫;排放控制;保溫包裹

0 前言

隨著我國排放法規的不斷升級，對汽車排放的限制越來越嚴格。車企為滿足越來越嚴格的排放標準，一方面不斷提升發動機缸內燃燒技術，減少污染物的產生;另一方面，作為更重要的手段，排氣后處理技術對控制排放發揮著越來越重要的作用。在商用車領域，SCR后處理技術是我國的主流技術路線，其主要特點就是需要消耗尿素參與催化反應，并且需要有較高的溫度條件。因此，隨著京五、國五PEMS到更為嚴格的國六法規的實施，排氣保溫技術已成為排放控制技術中重要的技術課題。

1 SCR系統及排氣保溫的原理

SCR即選擇性催化還原，其工作原理是將一定濃度的尿素溶液噴射到排至缸外的發動機廢氣中，形成混合氣體，在催化劑的作用及適宜的反應溫度條件下，尿素與廢氣中的發生催化反應，生成。

SCR后處理系統中，尿素的起噴溫度一般為200℃左右，低于起噴溫度時，SCR系統將不發生催化反應，而當排溫升高時，催化效率也相應提高。

在整車布置中，SCR后處理器一般與發動機排氣口有一定距離，中間通過排氣管進行連接。排氣從發動機流經排氣管，進入后處理器的過程中，將發生熱量損失，導致進入后處理器的排氣溫度降低，達不到尿素起噴溫度或偏離了高效反應的溫度區間。為提高進入后處理器的排氣溫度，就需要對排氣進行保溫，減小熱量損失。

2 熱量損失的途徑和控制方法

根據傳熱學原理，熱量傳遞有三種基本形式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。

1）熱傳導，即物體內溫度不同的各部分之間（同一物體或不同物體之間）不發生相對位移時，依靠分子、原子及電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞方式。

根據傅里葉導熱定律，熱流量與導熱系數、截面積、溫度差、厚度有以下計算關系：

2）熱對流，即由于流體的宏觀運動，使得流體各部分之間發生相對位移，冷熱流體互相摻混所引起的熱量傳遞過程。而流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程為對流換熱。

根據牛頓冷卻公式，熱流量與表面對流換熱系數、換熱面積、壁面與流體的溫差有以下計算關系：

3）熱輻射是物體因熱的原因而發出輻射能的現象。

根據斯忒藩—波爾茨曼定律，實際物體的熱輻射公式為：

式中，為斯蒂芬—波爾茨曼常數，T為物體溫度，為物體的發射率。

排氣在發動機至后處理器之間的熱量損失，主要通過中間的排氣管路與環境大氣進行熱交換而產生。排氣管內高溫氣體通過熱對流將熱量傳遞至排氣管內壁，再通過熱傳導形式傳導至排氣管外壁，最后通過熱輻射和熱對流散發到周圍大氣中。

要減小排氣的熱量損失，主要可以通過兩種手段實現。第一是減小散熱面積，在滿足排氣背壓的前提下，選擇合適的排氣管管徑，同時，應將后處理器盡量布置靠近發動機排氣口，減短排氣管路的長度。第二是減小熱量從排氣管內傳遞至管外的傳遞速率，可通過對排氣管進行保溫來實現。

3 幾種排氣管保溫的技術方案

排氣管保溫可以采用雙層排氣管和排氣管外加保溫包裹等方式。雙層排氣管，即具有兩層管壁的排氣管，兩層管壁之間有一定間隙，中間充滿空氣或有一定真空度，而空氣是良好的隔熱材料，抽真空后，其導熱系數會進一步降低，保溫性能進一步提高。排氣管加保溫包裹，通過在普通排氣管外包裹一定厚度具有較低導熱系數的保溫材料，達到保溫隔熱的目的。

在商用車領域，受技術和成本制約，排氣管加保溫包裹的方案具有較好的應用前景。其中常用的保溫材料有玻璃纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、碳纖維、納米纖維以及高硅氧材料等。不同的保溫材料，其導熱系數、工作溫度等技術參數有所不同，成本也有較大差異，需根據需要進行選擇。保溫材料外一般有一層包裹層，常用的包裹材料有硅膠布、鋁箔、不銹鋼箔等，并通過環箍緊固、鉚接或焊接的方式進行固定。硅膠布包裹、不銹鋼包裹和鋁箔包裹的三種外觀分別如圖1、2、3所示。

4 保溫包裹性能試驗

為研究不同保溫包裹結構的保溫性能，對不同包裹結構的排氣管開展保溫性能對比試驗。

4.1 試驗平臺

選擇某型四缸增壓柴油發動機，將其搭載在一款整車試驗平臺上，發動機及整車的主要參數如表1所示。

4.2 試驗對象

排氣管路從增壓器出口到后處理進氣口的總長為3.5m，共試驗5種包裹方案（見表2），每種方案的排氣管本體相同，保溫材料選用常用的玻璃纖維和陶瓷纖維，導熱系數分別為0.034～0.040 W/（mK）和0.031～0.038 W/（mK），厚度都采用10mm。

4.3 試驗方法

對每種包裹方案分別在靜態怠速、靜態全轉速、輕載行駛、重載行駛4種工況條件下分別進行試驗，測試增壓器出口及后處理進口處的排氣溫度。在試驗過程中，不同方案在同一工況的測試條件保持一致。

4.4 試驗結果

試驗獲得的各方案在不同工況下的溫降結果如表3所示。

根據試驗結果，排氣管增加保溫包裹后，排氣溫將有明顯減小。對比方案2和5的試驗結果，陶瓷纖維的保溫性能比玻璃纖維略好，與其導熱系數的差異性相吻合;對比方案2和3的試驗結果，相同保溫主材，不同的外層包裹材料和結構對其保溫性能有一定影響，這是由于外層包裹材料同時發生著熱傳導、熱對流和輻射換熱，對整體保溫性能會產生影響。

5 結論

結合理論分析和試驗驗證結果，排氣保溫包裹方案的關鍵，在于選擇合適的保溫材料和包裹結構。在實際應用中，需綜合考慮保溫方案的性能、成本、生產工藝、外觀品質等諸多因素，并最終通過整車PEMS等相關排放試驗進行驗證。

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