探讨柴油机尾气后处理技术及电气系统验证

汪 晖

（东风汽车有限公司商用车技术中心，湖北 武汉 430056）

我国目前已成为世界上汽车发展潜力巨大的国家，汽车需求不断增长，随着社会的发展，人们的环境保护意识也在不断提高，对汽车发动机的品质也提出了越来越高的要求。国家相继颁布了GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法 （国III、 IV阶段）》、GB 17691—2005 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法 （国III、IV、V阶段）》和GB 14762—2008《重型车用汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法 （国III、IV阶段）》。这些标准对装有汽油、柴油、CNG（Compressed Natural Gas，压缩天然气）、 LNG （Liquefied Natural Gas，液化天然气）气体燃料发动机的各类轻型、重型汽车的排放污染物进行了有效的控制，降低了汽车排放污染，改善了环境空气品质。

柴油机的排放污染物成分很多，但根据技术控制标准需要控制的污染物有:颗粒 （PM）、氮氧化物NOx、一氧化碳CO和碳氢化物HC 4种。一般柴油机的CO和HC排放容易控制，但PM和NOx排放比较难控制，而且PM排放与NOx排放、NOx排放与燃油经济性之间又相互矛盾，因此降低NOx和PM的排放、降低燃料消耗是柴油机开发中的重点。

减少柴油机排放的技术方法有机内净化控制方法和机外后处理方法。机内净化方法指采用先进的燃烧控制技术实现发动机缸内清洁燃烧，降低排放量。在国III排放阶段主要采用机内净化方法，一般不需要采用机外后处理方法；对国IV排放，通常考虑采用后处理方式。

由于NOx主要在高温富氧情况下产生，影响其的关键因素是燃烧温度。控制燃烧温度的方法有增压中冷技术，降低进气温度，降低压缩比，推迟喷油时间；采用废气再循环EGR来控制燃烧速度和温度，降低氧浓度等。减少NOx排放的后处理装置主要由采用尿素溶液作为还原剂的SCR（尿素选择性催化还原反应）系统、被动型的De NOx（去氮氧化物）氧化催化器等。

PM排放物是一种复合物，主要有机油消耗产生的可溶挥发性有机颗粒物、燃油消耗产生的可溶有机颗粒物、硫酸盐、水及不可溶的有机颗粒物等成分。因此，控制PM排放的有效措施是采用高压喷射、控制机油消耗、选择好的油品等。

自2003年欧洲主要商用车制造商，如VOLVO、MAN、DAF等都选择SCR技术减少NOx排放，并且达到欧盟标准。在实际使用中，长途载货车一般采用SCR技术，短途运输或公交车一般采用EGR（废气再循环反应）和DPF（柴油颗粒捕捉器）技术。对长途载货车来说，燃油经济性是最关健的因素。用户在考虑燃油成本后，一般选择添加尿素的SCR技术柴油车，同时，柴油颗粒捕捉器必须经常清洁，对长途使用者来说这种维护困难并且无法保证。对于短途运输或公交车，燃油成本不再是关键因素，并且颗粒捕捉器也容易维护，所以使用者考虑EGRDPF技术的柴油车。

1 SCR技术

1.1 SCR工作原理

图1为SCR喷射系统电气原理图。SCR的工作原理是利用还原尿素在尾气管道中经过加热和水解成氨气NH3，氨气和NOx在催化剂的作用下，反应生成无毒的氮气N2和水。

SCR系统由催化剂系统、尿素供应系统、尿素喷射及控制系统3部分组成，见图2。

催化剂系统安装在排气管上，是将一种化学物质涂敷在载体表面，当有氨气的情况下，可以将NOx转化成无毒的物质。

尿素供应系统是将32.5%水溶液的尿素存储在尿素罐内，但在-20℃时，该尿素溶液会冻结。

尿素喷射及控制系统要对尿素喷射量进行精确控制，以保证NH3和NOx有适当的比例。尿素喷射条件如下:①空气压力:0.2～0.5MPa；②尿素罐液位:≥5%；③EGP（尿素喷射泵）温度:200℃；④发动机冷却液温度:≥70℃；⑤尿素液溶液温度:-7～40℃；⑥海拔高度:＜1600m；⑦发动机工作在排放区。

1.2 SCR后处理的电控单元DCU（后处理单元）

图3为SCR后处理电控单元原理。DCU通过CAN总线和发动机ECU通信，获取发动机运行状态数据，同时采集催化器前后温度信号，根据事先标定好的各种脉谱，适时计算发动机实际工作情况下SCR系统的喷射量，从而使发动机排气中的NOx成分被精确还原。

2 EGR技术

EGRDPF的工作原理是通过EGR系统，将NOx排放值尽可能降低，而通过颗粒捕捉器将颗粒的排放值减小到低于标准值。

EGR系统也叫废气再循环系统，该系统由EGR阀、控制器、EGR冷却器和EGR连接管路组成。工作原理是:将柴油机的一部分排气冷却后，再返回发动机气缸，参与燃烧过程。废气中有CO2、H2O、N2等，其中CO2、H2O的比热容较高，这样可以增加发动机气缸内混合气的比热容，降低可燃混合气点火的缸内温度，使燃烧过程温度降低。同时，引入EGR后，缸内混合气氧的浓度降低，燃烧速度和放热速度减慢，以有效降低NOx排放物的生成。

金属颗粒捕捉器收集颗粒的工作原理是:直接捕捉无法通过载体通道的较大颗粒物；颗粒沿载体通道流动过程中，由于温度梯度，使小颗粒在低温表面被捕捉；载体通道表面的金属毡具有吸附能力，可以将表面的小颗粒捕捉，如图4所示。

3 SCR技术与EGR技术的比较

SCR技术的优点是:燃油经济性好；燃烧策略为提前喷油，减少了机油中含碳的比例；燃油喷射压力相对较低；对燃油中的含硫量敏感性较低。其缺点是:需要有尿素供应设施；需要防止氨气排泄的技术手段；需要降低发动机对润滑油的消耗；整个系统的布置空间较大。

EGR技术的优点是系统体积较小，布置空间要求不高，但其劣势是燃烧压力较高；燃油喷射压力较高；燃油中硫的敏感性强，超过50ppm的硫含量不可接受；燃油滞后喷射，产生机油含碳问题等。

4 发动机后处理系统的整个电气系统要求

后处理技术中的电气系统应首先对OBD故障性试验进行验证，其次再针对车辆的使用工况进行模拟试验，如模拟在沿海地区试验所进行的盐雾试验、高温试验；模拟在道路崎岖不平的道路上进行振动试验；模拟在北方寒冷的冬季气候下进行的低温试验等。然后还要考虑在高楼林立、电信拥挤的城市中面临的各种干扰信号的应对能力和自身的辐射能力，进行抗扰度及辐射发射性能试验，考核PCB（印刷电路板）的设计是否合理。同时，要模拟假设各电器件同时中断的情况下，发动机ECU及后处理DCU的应对能力，最后还要考虑搭载发动机进行可靠性试验，验证各发动机及后处理系统的电器件是否安装可靠，性能是否仍然满足要求。

综合上述的考虑因素，后处理技术的电气系统试验项目规定如下。

4.1 基本性能试验

1）标准符合性试验 满足我国环保部颁发的HJ437-2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断 （OBD）系统技术要求》。

2）故障性试验 对其故障现象进行重现，以检查电控单元的控制策略是否合理。

4.2 环境试验

1）高温试验 在高温状态下，带电检查发动机电控系统是否满足故障性试验。

2）低温试验 在低温状态下，带电检查发动机电控系统是否满足故障性试验。

3）振动试验 在定频和扫频状态下，带电检查发动机电控系统是否满足故障性试验。

4）冲击试验 在冲击试验台上，带电检查发动机电控系统是否满足故障性试验。

5）盐雾试验 在盐雾试验箱内，带电检查发动机电控系统是否满足故障性试验。

6）抗扰度及辐射发射性能试验 检查发动机后处理电控单元DCU抗扰性及其PCB板设计是否合理。

7）抛负载试验 将全部负载断开，检查发动机后处理电控单元DCU在断开负载时的性能指标。

4.3 可靠性试验

可靠性试验是指在发动机台架试验中，验证发动机上各电器件是否安装可靠，性能是否仍然满足技术指标。

5 后处理系统中计量泵总成的电气系统试验

由于计量泵总成是后处理系统中的关键部分，该总成内包含有尿素液位温度传感器、温度传感器、加热电磁阀等电器件，因此，针对计量泵总成这个电气系统也必须进行试验验证，具体项目及要求如下。

5.1 电气负荷试验

1）一般规定 频率和时间±5%，电压±0.2 V，电阻±10%。

2）直流供电电压 功能状态应达到ISO 16750-1《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验》定义的A级。

3）过电压 功能状态应达到ISO 16750-1定义的B级。

4）叠加交流电压 功能状态应达到ISO 16750-1定义的A级。

5）供电电压缓降和缓升 在供电电压范围内，功能状态达到ISO 16750-1定义的A级，在供电电压范围外，达到定义的D级。

6）供电电压中断 功能状态应达到ISO 16750-1:2006定义的B级。

7）反向电压 恢复正常的熔断器连接后，功能状态应达到ISO 16750-1:2006定义的C级。

8）参考 （模拟）搭铁和供电补偿 功能状态应达到ISO 16750-1定义的A级，即被测试DUT没有故障也无闭锁效应。

9）开路试验 功能状态应达到ISO 16750-1定义的C级。

10）短路保护 信号电路的功能状态应达到ISO 16750-1定义的C级。负载电路中，所有电子保护输出端应能承受短路电流且在切断短路电流后能恢复正常工作，功能状态应达到ISO 16750-1定义的C级。

11）（绝缘）耐电压 功能状态应达到ISO 16750-1定义的C级，试验时不得出现击穿和电弧。

12）绝缘电阻 应大于10MΩ。

5.2 环境试验

高温性能试验、低温性能试验、温度变化试验、温度／湿度组合循环试验、振动试验、冲击试验、盐雾试验都应按ISO 16750-1《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验》中的相应试验方法规定进行。

5.3 EMC试验

1）电源传导线干扰试验 按ISO 7637-2《道路车辆.传导和耦合引起的电干扰.第2部分:仅沿电源线瞬间电传导》中的相应试验方法规定进行。

2）信号线干扰试验 按ISO 7637-3《道路车辆.传导和耦合引起的电干扰.第3部分:通过电容耦合和电感耦合经由非电源线线路的瞬间电传输》中的相应试验方法规定进行。

3）射频抗扰试验 按以下规定进行试验:ISO 11452-1《道路车辆.窄带辐射的电磁能量产生的电干扰的部件试验方法.第1部分:总则和术语》，ISO 11452-2第2部分 “吸波屏蔽外壳”，ISO 11452-3第3部分 “横向电磁模式 （TEM）元件”，ISO 11452-4第4部分 “大容量电流注入 （BCI）”，ISO 11452-5第5部分 “微波带状线”。

4）静电放电的抗骚扰性试验 按ISO 10605《道路车辆 静电放电产生的电干扰的测试方法》中的相应试验方法规定进行。

5）射频骚扰试验 按GB 18655《用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》中的相应试验方法规定进行。

6 结束语

柴油发动机的后处理技术目前是单一的SCR技术、EGR技术，未来随着全球对环境保护提出的更高尾气排放指标，发动机技术将可能是二者的结合，或者是产生新型的柴油发动机。因此，发动机系统的控制策略及标定策略将更加严格，发动机电气系统的要求也会不断加强和提高，其验证项目和指标将会变得更加重要。

［1］李建秋，赵六奇，韩晓东，等.汽车电子学教程 （第2版）［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［2］朱玉龙.汽车电子硬件设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［3］ISO 16750-1，道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验［S］.