SCR系统尿素计量装置开发研究

王永富，孟再强，邓海龙，王洪荣

（中国汽车工程研究院 汽车动力总成技术研究中心，重庆 400039）

柴油机热效率高、功率覆盖面广，在目前能源日益紧张的形势下车用发动机的柴油化已经成为重要的发展方向[1]。由于柴油机固有的非均相扩散燃烧方式，要达到国Ⅳ及以上排放标准，仅通过机内燃烧净化方式无法满足要求，排气后处理成为柴油发动机满足严格排放法规的必备系统。

从2009年的统计数据可知，我国重型和中型商用货车年销量达到68.3万辆，大、中型客车年销量达到12.91万辆，已全部柴油化，我国重型柴油汽车国Ⅳ排放标准已在2011年开始实施，将需要大量的柴油机后处理系统。

柴油机燃烧的特殊性决定着其排放控制需要燃烧系统与后处理系统的协同优化和集成。纵观国外经验，国Ⅳ、国Ⅴ阶段可采用两种技术路线：一是通过发动机燃烧系统的优化降低微粒排放，采用选择性催化还原（SCR）后处理降低NOx排放；二是运用发动机废气再循环（EGR）技术降低NOx排放，机外采用微粒后处理器降低微粒排放。而要满足更高的排放标准（如欧Ⅵ），机内燃烧的优化耦合SCR和颗粒捕集器（DPF）两类后处理系统将成为可能[2]。

由于SCR系统与EGR+DPF相比， SCR系统具有成本低、节能等优势，而EGR+DPF对油品有较高的要求[3]。因此，我国国Ⅳ阶段采用SCR后处理系统已成为业内共识。

1 SCR系统的技术难点

1.1 SCR系统的工作原理

SCR系统由SCR催化剂、尿素计量装置、电控制系统（DCU）、传感器和尿素罐等组成（图1和图2）。SCR系统采用尿素（NH2CONH2）为还原剂，通过尿素喷射系统（DCU+尿素计量装置）将一定剂量的尿素水溶液与压缩空气混合形成的尿素雾喷入排气管（或直接将尿素水溶液喷射到安装在排气连接管上雾化器内）。尿素水溶液在高温下分解成氨气(NH3)和CO2，在高温环境中（温度高于300 ℃），再加上催化剂的作用，排气中的NOx迅速与NH3反应，生成N2和H2O，以此降低排气中的NOx排放[4-5]。

SCR电控系统（DCU）从柴油机电控系统（ECU）获得转速和喷油量信号，并检测催化剂前后温度作为修正量，确定柴油机的当前运行工况。通过查询已储存在DCU里的不同运转工况下所对应的NOx排放量的MAP，确定尿素的基本喷射量，再加入催化剂当前温度下转化效率的修正、尿素温度变化引起密度变化的修正等一系列修正，计算出最终所需喷射量，并发出控制信号给计量单元喷射一定量的尿素水溶液[6-7]。

1.2 SCR系统开发的技术难点

根据SCR系统的结构和原理，其系统开发主要分为：尿素计量装置、SCR催化器、NOx传感器和电控系统四大部分。本文就其中的尿素计量装置展开研究，并进行了功能样机的开发。

2 尿素计量装置及其关键部件开发

尿素计量装置作为SCR系统的核心部件，其主要目的是实施三大功能：尿素供给、精确计量喷射控制和防尿素结晶功能。其技术难点在于实现尿素供给的尿素泵、计量控制系统的开发，防止尿素腐蚀的材料选择、材料表面处理，防尿素结晶的加热和清扫系统的设计。因此在开展尿素计量装置开发中首先制定了完整的开发方案，如图3所示。

（1）尿素计量装置开发采用空气辅助喷射原理，实现不同发动机工况对尿素需求量的精确计量喷射控制。

（2）开发任务分三大模块：尿素泵开发、空气辅助系统开发和计量控制单元开发。尿素泵开发又分成电机的选型设计、稳压腔体设计、泵膜片设计、单向阀设计和连杆机构设计等。

2.1 尿素泵开发

尿素泵的主要功能是将尿素箱内的尿素吸出，形成一定的压力和容积的尿素，并存储起来，为尿素电磁阀的喷射做准备。本系统采用膜片泵结构，其主要部件包括电机、泵膜片、连杆机构、单向阀、尿素存储腔等。其工作原理是电机驱动连杆机构，带动膜片上下运动，通过单向阀完成尿素的进出控制，实现尿素的建压和供给。为了提高膜片的建压能力和减少驱动电机的功率，本装置采用3∶1的电机驱动减速比。

尿素泵内设计有系统加热管道（发动机循环水加热）和尿素泄压和清扫功能，实现低温下防尿素结晶功能。设计指标要求尿素供给压力达到700 kPa以上，尿素供给量满足7 L/h的要求。尿素泵采用铝合金材料试制，表面和流道经阳极氧化处理，满足耐尿素要求。

2.1.1 膜片设计

膜片是尿素泵的核心部件，要求具有一定柔性、耐尿素腐蚀和可靠性高的特点；膜片在泵压为300 kPa、电机转速为600 r/min时，实际流量大于7 L/h。因此，设计时，将泵的无压力尿素供给能力按9 L/h设计。

根据膜片的设计目标，膜片设计采用骨架芯体支撑和橡胶注塑成型，并对橡胶材料进行选型，内部结构采用橡胶内夹麻布以增大抗拉强度，以满足膜片的刚度和柔性要求，其三维结构如图4所示。

膜片的直径按尿素供给量要求进行设计。首先将膜片运动简化为活塞的上下运动，按电机转速600 r/min计算，膜片的有效理论直径应为24 mm。这样膜片一个运动周期，理论供给量为0.814 ml，电机转速600 r/min时，尿素供给量为9.77 L/h，满足设计目标要求。

2.1.2 SCR电机选型设计

电机的驱动能力是尿素计量装置实现尿素供给能力和可靠性运行的关键，因此电机选型尤其重要。电机选型的基本要求主要包括以下两个方面：（1）电机的工作能力满足最大尿素压力700 kPa的供给。（2）尿素供给量大于7 L/h。

本设计采用电机驱动两个同步带轮，速比为3∶1，小带轮驱动大带轮，由大带轮驱动偏心轴连杆机构，实现尿素的泵给。偏心轴连杆机构按偏心距0.9 mm设计，偏心轴绕轴心作圆周运动，连杆大头固定在偏心轴上，从而带动连杆机构大头端绕轴心作圆周运动，同时，连杆机构小头与泵膜片连接，带动膜片上下运动。因此作用于偏心轴连杆机构上的力矩有膜片上方的尿素压力和连杆机构的质量和惯性力产生的力矩。作用在偏心轴连杆机构受力分析如图5所示。

偏心轴上受到的切向力T为

式中：Pg为膜片受到的尿素压力，按700 kPa计算，膜片受力面积按z 32 mm计算；Pj为连杆小头受到的往复惯性力；mj为连杆小头和膜片总成往复运动质量；R为偏心距（相关于发动机曲轴上的曲柄半径）；~为偏心轴的角速度；m为偏心距与连杆长度比值。

按已知要求和设计参数，可计算出作用在偏心轴连杆机构（大带轮上）的最大力矩：

Mmax=TmaxR=0.509 N•m .

电机需要克服的最大力矩为M/3=0.17 N•m。

同时，偏心轴受到转动惯性力作用，尤其在尿素计量装置正常工作状态下加速，需要额外增加负荷。按每秒加速1 000 r/min，电机要求额外增加驱动力矩为

式中：J为各转动部件对偏心轴的轴心的转动惯量；D~/t为单位时间内的角速度变化。

因此满足700 kPa压力的尿素泵驱动电机为：电机转矩大于 M电机+M惯性力矩=0.175 9 N•m。

根据计算结果选取电机。电机的选型除考虑电机的驱动能力、工作环境外，还需要考虑在计量装置上的安装结构，通过比较国内外两家公司的产品，并试用，最终选取国外的电机作为本项的动力源。其特性参数为：600 r/min时电机最大保持转矩为0.438 N•m，满足尿素泵最大驱动转矩的需求。

2.1.3 单向阀设计

单向阀设计涉及到计量装置的可靠性，要求结构轻巧、开启压力少、落座稳定，同时要求内部容积（余隙容积）尽量小，满足泵的泵吸能力要求。具体方案采用O型圈加球体密封，弹簧预紧安装结构设计（图6），在结构上考虑了球体的运动行程，并进行限制，实现稳定运行。

对设计的单向阀进行核算，单向阀开启压力为22.6 kPa，尿素计量装置启动时的泵吸能力约为2.8 m水柱高度，满足整车使用要求。

2.1.4 计量控制单元开发

SCR电控系统开发主要包括了计量控制单元硬件设计开发，尿素喷射控制策略及软件开发、SCR监控标定系统开发3个方面。计量控制单元总体设计方案如图7所示。

2.2 计量装置集成及标定

本系统开发还包括辅助空气喷射系统开发、诸多传感器选型设计、尿素喷嘴设计选取型等，由于篇幅的原因在此未进行阐述，集成的计量装置如图8所示。

针对SCR系统需要实现的精确计量尿素喷射量的要求，对开发的计量装置的功能进行了详细的标定和验证，结果如下：（1）计量装置在无喷射压力下，尿素供给量9.5 L/h；3 kg工作压力时达到7.5 L/h，满足设计指标和使用要求。（2）尿素与空气混合、雾化良好。（3）在辅助空气喷射背压下，200 mg/s以上喷射量误差在3%以内，其它工况在5%以内，实现了尿素计量的精确控制。（4）经500 h可靠性考核，设计试制的膜片、单向阀、空气电磁阀及喷嘴等未有故障。

3 计量装置的台架试验研究

3.1 SCR电控系统总体工作流程

利用自主开发的SCR尿素计量装置和国内企业研发的SCR催化器，在一台国产2.5 L柴油发动机上完成了匹配标定，并按GB14761—2005标准进行了13工况排放（ESC）工况试验。原机排放和加装SCR系统后ESC循环排放对比如图9所示，从中可以看出，加装SCR系统之后，各个工况点的NOx都有所降低，原机ESC为6.81 g/kW·h，加装SCR系统后ESC为2.64 g/kW·h。

4 结论

尿素计量装置开发涉及机械、材料、电子及计算机控制等，其难点是可靠性和产品一致性。本文主要工作包括：

（1）分析了SCR系统降低柴油机NOx排放原理，制定了SCR系统尿素计量泵开发方案。

（2）完成了尿素计量装置的功能样机开发，包括膜片设计、电机选型及驱动设计、单向阀设计、电控系统方案设计等关键技术开发。

（3）进行了系统运行稳定性和可靠性测试，系统运行稳定，采用尿素压力闭环控制策略，进行了尿素压力、脉宽及喷射量的关系标定，当尿素喷射量大于200 mg/s时，尿素计量装置计量喷射误差小于3%，解决了产品的可靠性和产品一致性难题，满足柴油机SCR后处理系统对尿素需求的精确计量要求。

（4）进行了发动机台架应用实践，试验标定结果表明该系统可将样机的ESCNOx排放由6.81 g/kW·h 降低到 2.64 g/kW·h，在降低 NOx排放方面具有很好的效果。

[1]李开国，王永富，朱宏国 .中国柴油汽车技术战略研究报告[R]. 重庆：中国汽车工程研究院，2007.Li Kaiguo，Wang Yongfu，Zhu Hongguo. China Diesel Automotive Technology Strategy Research Report[R].Chongqing：China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd，2007.（in Chinese）

[2]GB17691—2005.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放污染物排放限值及测量方法(国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)[S].北京：中国环境科学出版社，2002.GB17691—2005. Automotive Compression Ignition，the Fuel Gas Ignition Engine and Vehicle Emission Limits and Measurement Methods for Exhaust Pollutants ( China III，IV，V )[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2002.（in Chinese）

[3]GIESHOFF J，SCHAFER S A. Improved SCR Systems for Heavy Duty Applications[C]. SAE Paper 2001-01-0189.

[4]刘丙善. Urea-SCR排气后处理系统在重型柴油机中的应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2006.Liu Bingshan. The Application of SCR System for a Heavy Duty Diesel Engine[D]. Wuhan：Wuhan University of Technology，2006.（in Chinese）

[5]覃军. 降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2007.Tan Jun. The Study of Strategy for a SCR System to Reduce NOxEmission from a Heavy Duty Diesel Engine.[D]. Wuhan： Wuhan University of Technology，2007.（in Chinese）

[6]LAMBERT C，HAMMERLE R. Technical Advantages of SCR Technologies for Light-duty and Heavy-duty Diesel Vehicle Applications[C]. SAE Paper 2004-01-1292.

[7]王军，张幽彤. 车用柴油机排放NOx催化还原净化初探[J].内燃机，2004(6)：33-38.Wang Jun，Zhang Youtong. A Primary Study on NOxCatalytic Reducing Purification for Vehicle Diesel Engines. [J]. Internal Combustion Engines，2004(6)：33-38.（in Chinese）