SCR后处理系统排气保温技术的应用研究

方有虎

摘 要：为应对国五以及更为严格的国六排放法规，通过分析和研究SCR后处理系统及排气保温的原理，以排气的热量传递规律作为切入点，对不同的排气管保温方案进行分析，并进行相关试验验证，为整车的实际应用提供理论支持和方案选择。

关键词：SCR后处理系统;排气保温;排放控制;保温包裹

0 前言

随着我国排放法规的不断升级，对汽车排放的限制越来越严格。车企为满足越来越严格的排放标准，一方面不断提升发动机缸内燃烧技术，减少污染物的产生;另一方面，作为更重要的手段，排气后处理技术对控制排放发挥着越来越重要的作用。在商用车领域，SCR后处理技术是我国的主流技术路线，其主要特点就是需要消耗尿素参与催化反应，并且需要有较高的温度条件。因此，随着京五、国五PEMS到更为严格的国六法规的实施，排气保温技术已成为排放控制技术中重要的技术课题。

1 SCR系统及排气保温的原理

SCR即选择性催化还原，其工作原理是将一定浓度的尿素溶液喷射到排至缸外的发动机废气中，形成混合气体，在催化剂的作用及适宜的反应温度条件下，尿素与废气中的发生催化反应，生成。

SCR后处理系统中，尿素的起喷温度一般为200℃左右，低于起喷温度时，SCR系统将不发生催化反应，而当排温升高时，催化效率也相应提高。

在整车布置中，SCR后处理器一般与发动机排气口有一定距离，中间通过排气管进行连接。排气从发动机流经排气管，进入后处理器的过程中，将发生热量损失，导致进入后处理器的排气温度降低，达不到尿素起喷温度或偏离了高效反应的温度区间。为提高进入后处理器的排气温度，就需要对排气进行保温，减小热量损失。

2 热量损失的途径和控制方法

根据传热学原理，热量传递有三种基本形式，即热传导、热对流和热辐射。

1）热传导，即物体内温度不同的各部分之间（同一物体或不同物体之间）不发生相对位移时，依靠分子、原子及电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递方式。

根据傅里叶导热定律，热流量与导热系数、截面积、温度差、厚度有以下计算关系：

2）热对流，即由于流体的宏观运动，使得流体各部分之间发生相对位移，冷热流体互相掺混所引起的热量传递过程。而流体与固体壁面之间的热量传递过程为对流换热。

根据牛顿冷却公式，热流量与表面对流换热系数、换热面积、壁面与流体的温差有以下计算关系：

3）热辐射是物体因热的原因而发出辐射能的现象。

根据斯忒藩—波尔茨曼定律，实际物体的热辐射公式为：

式中，为斯蒂芬—波尔茨曼常数，T为物体温度，为物体的发射率。

排气在发动机至后处理器之间的热量损失，主要通过中间的排气管路与环境大气进行热交换而产生。排氣管内高温气体通过热对流将热量传递至排气管内壁，再通过热传导形式传导至排气管外壁，最后通过热辐射和热对流散发到周围大气中。

要减小排气的热量损失，主要可以通过两种手段实现。第一是减小散热面积，在满足排气背压的前提下，选择合适的排气管管径，同时，应将后处理器尽量布置靠近发动机排气口，减短排气管路的长度。第二是减小热量从排气管内传递至管外的传递速率，可通过对排气管进行保温来实现。

3 几种排气管保温的技术方案

排气管保温可以采用双层排气管和排气管外加保温包裹等方式。双层排气管，即具有两层管壁的排气管，两层管壁之间有一定间隙，中间充满空气或有一定真空度，而空气是良好的隔热材料，抽真空后，其导热系数会进一步降低，保温性能进一步提高。排气管加保温包裹，通过在普通排气管外包裹一定厚度具有较低导热系数的保温材料，达到保温隔热的目的。

在商用车领域，受技术和成本制约，排气管加保温包裹的方案具有较好的应用前景。其中常用的保温材料有玻璃纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、碳纤维、纳米纤维以及高硅氧材料等。不同的保温材料，其导热系数、工作温度等技术参数有所不同，成本也有较大差异，需根据需要进行选择。保温材料外一般有一层包裹层，常用的包裹材料有硅胶布、铝箔、不锈钢箔等，并通过环箍紧固、铆接或焊接的方式进行固定。硅胶布包裹、不锈钢包裹和铝箔包裹的三种外观分别如图1、2、3所示。

4 保温包裹性能试验

为研究不同保温包裹结构的保温性能，对不同包裹结构的排气管开展保温性能对比试验。

4.1 试验平台

选择某型四缸增压柴油发动机，将其搭载在一款整车试验平台上，发动机及整车的主要参数如表1所示。

4.2 试验对象

排气管路从增压器出口到后处理进气口的总长为3.5m，共试验5种包裹方案（见表2），每种方案的排气管本体相同，保温材料选用常用的玻璃纤维和陶瓷纤维，导热系数分别为0.034～0.040 W/（mK）和0.031～0.038 W/（mK），厚度都采用10mm。

4.3 试验方法

对每种包裹方案分别在静态怠速、静态全转速、轻载行驶、重载行驶4种工况条件下分别进行试验，测试增压器出口及后处理进口处的排气温度。在试验过程中，不同方案在同一工况的测试条件保持一致。

4.4 试验结果

试验获得的各方案在不同工况下的温降结果如表3所示。

根据试验结果，排气管增加保温包裹后，排气温将有明显减小。对比方案2和5的试验结果，陶瓷纤维的保温性能比玻璃纤维略好，与其导热系数的差异性相吻合;对比方案2和3的试验结果，相同保温主材，不同的外层包裹材料和结构对其保温性能有一定影响，这是由于外层包裹材料同时发生着热传导、热对流和辐射换热，对整体保温性能会产生影响。

5 结论

结合理论分析和试验验证结果，排气保温包裹方案的关键，在于选择合适的保温材料和包裹结构。在实际应用中，需综合考虑保温方案的性能、成本、生产工艺、外观品质等诸多因素，并最终通过整车PEMS等相关排放试验进行验证。

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