車載SCR低溫解凍系統(tǒng)加熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

左宗國 王再興 余國成 劉屹

摘要：本文針對(duì)低溫環(huán)境下的使用要求，根據(jù)車載SCR不同部件的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了SCR系統(tǒng)的熱管理方案。系統(tǒng)中的尿素供給單元和尿素管路采用電加熱的方式，而尿素箱采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)加熱方式。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)熱管理的加熱能力，在-19℃開展了實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)動(dòng)熱管理方案在-19℃環(huán)境溫度下完全符合使用要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);選擇性催化還原;加熱性能;低溫

0? 引言

隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，SCR系統(tǒng)被認(rèn)為是降低柴油機(jī)氮氧化物排放的有效機(jī)外控制手段。我國地域遼闊，在冬季南北溫差很大，北方地區(qū)冬季時(shí)低溫可到零下30℃，甚至更低。眾所周知尿素水溶液在低于-11℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，從而使得尿素水溶液供給系統(tǒng)無法正常工作。為了使SCR凈化裝置低溫環(huán)境下的正常運(yùn)行，可以通過對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行加熱與保溫來解決。在尿素箱和尿素供應(yīng)管路的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須保證供熱系統(tǒng)的加熱能力滿足使用要求，將尿素水溶液保持在-11℃的冰點(diǎn)之上，為了節(jié)能又要避免過度的加熱。因此，十分有必要對(duì)SCR系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)開展實(shí)際運(yùn)行工況下的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。

本文為某車用柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一套SCR熱管理系統(tǒng)并針對(duì)其解凍能力開展了實(shí)驗(yàn)研究。

1? SCR系統(tǒng)熱管理選題方案

眾所周知，尿素水溶液是一種無毒、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)，但具有一定的腐蝕性。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中尿素水溶液的濃度與冰點(diǎn)的對(duì)應(yīng)曲線可知，在不同濃度的尿素水溶液中，質(zhì)量比濃度為32.5%的尿素水溶液的冰點(diǎn)是-11℃，適合作為SCR系統(tǒng)的還原劑。為保證SCR系統(tǒng)在低溫環(huán)境下也能可靠工作，就需要該系統(tǒng)配備低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)。尿素水溶液從尿素箱輸運(yùn)到噴嘴的過程中要流經(jīng)尿素供應(yīng)管道、尿素泵和計(jì)量單元，因此在熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要考慮尿素箱、尿素供給單元和尿素管路三部分。（圖1）

2? 各部件熱管理方案介紹

2.1 尿素箱熱管理方案

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水加熱和電加熱方式可以作為尿素箱內(nèi)尿素水溶液的加熱備選方案。考慮到尿素箱內(nèi)尿素水溶液的容量比較大，采用電加熱方案會(huì)對(duì)車載電池要求比較高，而采用水加熱方案的加熱用熱水可以取自柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)，因此對(duì)尿素箱內(nèi)尿素水溶液來說采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水加熱的方案是比較理想的熱管理方案。如圖1所示為尿素箱設(shè)計(jì)的熱管理裝置，結(jié)構(gòu)上包括內(nèi)部加熱水管路、溫度傳感器、液位傳感器和尿素供應(yīng)管路等部件，加熱水管在尿素箱內(nèi)集成設(shè)計(jì)成熱交換器，對(duì)其周圍的尿素水溶液加熱。控制過程如下：溫度傳感器將尿素結(jié)冰的信號(hào)（其溫度低于-11℃時(shí)）發(fā)送給控制器（DCU），并且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在設(shè)定溫度以上時(shí)，DCU給冷卻液電磁閥（常閉型）發(fā)送打開指令，高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液經(jīng)電磁閥流入尿素箱內(nèi)的換熱器，對(duì)尿素箱內(nèi)尿素水溶液加熱解凍，寒熱后的冷卻水回流到柴油機(jī)出水管。

另外在使用過程中為了避免低溫環(huán)境下尿素管路結(jié)冰帶來的問題，SCR系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行過程中也會(huì)采取加熱措施，使尿素水液始終保持在5～15℃的理想溫度范圍內(nèi)。尿素箱的熱管理控制策略的依據(jù)來源于尿素箱內(nèi)的溫度傳感器信號(hào)（見圖2）。

2.2 尿素供給單元熱管理方案

尿素泵、濾清器、控制單元、傳感器等零部件集成在一起，稱為尿素供給單元（見圖3），由于尿素供給單元電氣元件多，適合采用電加熱方案，將電加熱裝置固定在容易產(chǎn)生結(jié)冰的位置，通過對(duì)加熱繼電器的控制實(shí)現(xiàn)間隔加熱保證供給單元的溫度位于合理范圍內(nèi)。如圖3所示為尿素供給單元的熱管理裝置。影響加熱效率的主要因素包括供電電壓、尿素水溶液的溫度、環(huán)境溫度、尿素水溶液流量、電加熱器功率等。

2.3 尿素水溶液管路熱管理方案

尿素水溶液管路布置和尿素箱的位置以及尿素噴嘴的安裝位置密切相關(guān)，在不同的車輛上尿素箱和尿素噴嘴的安裝位置也不相同，因此尿素水溶液管路的長度都不盡相同（見圖4）。電加熱方案的靈活性正好可以發(fā)揮，加熱效率高、易于控制、布置簡單，但缺點(diǎn)是需要電瓶提供電源。在尿素水溶液管路的外面纏繞電阻絲進(jìn)行電加熱。DCU根據(jù)溫度傳感器提供的信號(hào)向車載12V電源發(fā)送供電指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)尿素水溶液管路的加熱。

3? 實(shí)車運(yùn)行熱管理試驗(yàn)及結(jié)果分析

開展實(shí)車道路運(yùn)行加熱實(shí)驗(yàn)的目的是為了評(píng)估設(shè)計(jì)的SCR熱管理系統(tǒng)是否能夠滿足在高寒地區(qū)運(yùn)行工況的要求。如系統(tǒng)能夠在45分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常工作，尿素溫度控制在5℃左右，則判定系統(tǒng)能夠滿足使用要求，選擇環(huán)境溫度-19℃典型低溫工況進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證工作。

在環(huán)境溫度為-19.1℃時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后噴射管和吸液管開始進(jìn)行解凍，解凍完成時(shí)間為1090s。

泵起始溫度為-17℃ ，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后尿素泵開始進(jìn)行解凍，解凍方式為泵自加熱，標(biāo)定解凍完成限值1℃需完成時(shí)間為1450s。解凍開始時(shí)泵壓力為16bar左右，解凍過程中壓力持續(xù)減小至0bar左右。

尿素箱解凍起始溫度為-10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后由于怠速水溫上升較慢，經(jīng)約420s動(dòng)態(tài)路試后，水溫到達(dá)水閥開啟標(biāo)定值50℃，水閥開啟，尿素箱開始解凍，尿素箱解凍至-3℃完成解凍所需時(shí)間為880s。

系統(tǒng)全部解凍完成時(shí)間為1450s，解凍完成后依次通過氣路檢測(cè) PneuCheck液路檢測(cè)HydraCheck通過后，有噴射需求時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)為 Dosing，無噴射需求時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)為AirControl，期間沒有出現(xiàn)狀態(tài)返回或異常，當(dāng)T15斷電后系統(tǒng)轉(zhuǎn)為Purge吹掃狀態(tài)。

4? 結(jié)論

針對(duì)低溫環(huán)境下的使用情況，本文某車用SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)了熱管理系統(tǒng)，低溫環(huán)境下在整車上開展了實(shí)車運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

①尿素箱采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱，尿素水溶液管路和尿素供給單元采用電加熱，共同組成了車載SCR熱管理系統(tǒng)方案;②在-18℃以上環(huán)境溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液對(duì)尿素箱的加熱可以滿足使用要求。

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