低排放发动机在推土机上的应用研究

路青青，胡英华，张林振

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

2020 年12 月，中国生态环境部正式发布《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》的公告，明确了非道路柴油移动设备“国四”排放将在2022 年12 月1 日全面实施。为满足排放法规，各主机厂提前布局产品规划，在满足排放法规前提下，合理设计动力系统，优化整机性能结构，保证客户良好驾乘体验，成为主机厂“国三”升“国四”的重心工作。本文将以推土机为例，介绍低排放发动机及相关附件选型设计原则。

1 发动机本体部件设计原则

发动机作为推土机的核心部件，在整机开发方案设计阶段就必须充分考虑结构紧凑性、可靠性、维保性能及整机匹配性能，合理布置发动机部件的相对位置，利用发动机舱有限空间，可以提升驾驶室视野，改善操作舒适性。

1.1 尺寸、便利性要求

目前满足低排放法规要求的技术路线大致有SCR 技术路线和EGR 两种，无论哪种技术路线，都使发动机的本体更加，发动机附件选型更加的单一，这就要求整机设计避免因发动机部件如油尺位置机油加注口高度、增压器位置等在后续整改设计中调整困难或调整时产生的高昂费用。

为减少辅助工作时间，提高作业生产率，发动机各维护保养部件如空滤、燃油滤、机油滤及日常检查部件如油尺、机油加注口、皮带涨紧装置等在选型时，布置位置应易于接近，更换滤芯简单方便，周围流出足够维修保养空间；在主机架宽度较小时，尽量将保养部件布置在发动机一侧。山推某低排放推土机采用FPT N67 发动机（图1），采用高位机油尺，机油加注及相关滤芯靠近机罩，在维护检查时，直接站在履带上打开左侧罩门锁即可进行相应操作。

图1 推某低排放推土机发动机

1.2 视野要求

由于推土机特殊的结构特点，发动机进排气部件如进气预滤器、排气尾管必须位于发动机舱上罩上平面。无论采用何种布置方式，预滤器、排气尾管均位于驾驶室正前方。为使驾驶室视野最大化，尽量将排气尾管、空气预滤器的安装位置偏置（图2）。

图2 排气尾管等安装位置偏置

排气尾管可根据后处理模块如DOC、SCR的结构特点，尽量布置在单侧，排气尾管与SCR废气出口端直接连接。从驾驶室里看，尾管被驾驶室门左（右）立柱遮挡是最理想的位置。空气滤清器在200 马力以下的推土机中尽量布置在发动机舱内部，不影响驾驶员视野的情况下也可以根据实际工况要求，再添加一级空气预滤器，该预滤器尽量布置在上罩单侧，远离排气尾管。

2 发动机后处理部件设计原则

推土机产品“国三”升“国四”，主要是排放物处理技术的升级，相对EGR 技术路线，SCR催化剂以钒基、铁基等材料为主，抗硫性好且性能稳定。日本通过对3 种不同S 含量目标值燃料（S0，S10 和S50）对比发现，尿素SCR 系统基本不受燃料中S 含量的影响，且采用SCR 路线要比EGR 路线节油近10%，且动力更强劲。

2.1 SCR及DOC选型设计原则

山推某低排放推土机采用高效SCR 技术，配合DOC，可有效处理废气，保证发动机排放满足法规要求。为满足不同车辆安装要求，SCR 及DOC 一般可选择纵置结构或横置结构，根据推土机整机结构要求，一般选用横置式SCR 及横置式DOC 进行设计。

为满足后处理部件使用寿命及工作精度，选型的SCR 及DOC 使用设计需符合发动机厂家要求：首先，SCR 罐体与发动机汽缸盖的最短距离不得低于1 英寸，SCR 与排气尾管连接管需预留传感器安装座，并保证传感器安装方便，且SCR出口处不得进水，如图3 所示。DOC 的安装与SCR 要求大致相同，其至发动机涡轮增压出口的管路需保证密封及压降，且波纹管长度不可超过发动机要求；同时，DOC 与SCR 罐体不得私自更改或调整，保证使用寿命及精度。

图3 SCR及DOC安装示意图

2.2 后处理系统传感器设计原则

后处理系统排放满足法规的PM及NOx要求，需要采用相应的传感器控制后处理工作，以山推某推土机为例，主要的后处理系统传感器有NH3控制器、NH3 传感器、温度传感器、温湿度传感器、NOX传感器等。

传感器安装需要保证振动性要求及相关角度、尺寸要求。DOC 上游NOx传感器尽量布置远离增压器位置，尽量靠近DOC 进口位置，不能布置在易被水冲洗的位置。NOx传感器最小线缆弯曲半径为35mm，固定点弯曲半径应大于20mm，固定点个数至少2 个，固定点间距在150～200mm 之间，NOx控制器线缆固定点距离控制器90～110mm。

NH3 传感器要求安装在水平角16°～30°，安装力矩一般要求40～60Nm；线束要延伸大于20mm，柔性段圆角要大于10mm；温度变化范围一般为-40～900℃。温湿度传感器一般安装在空气滤清器之后的高空气密度区域，不得布置在空气死角处；其相应的角度需满足设计要求，且不得反装。

2.3 尿素喷射系统设计原则

后处理尿素系统的作用是为SCR 提供适量的尿素溶液，以降低有毒气体的排放。尿素系统一般由尿素箱（DEF Tank）、尿素泵（DM）、冷却水电磁阀、喷射模块（SM）、尿素管路、尿素系统控制模块及相关传感器等部件组成。首先，ECU 检查各传感器、尿素泵、喷嘴、冷却水电磁阀等系统部件相关电特性，同时监测尿素箱内尿素温度，尿素溶液温度过低，ECU 打开断水电磁阀，发动机冷却水对尿素溶液进行加热；其次，尿素泵抽取尿素溶液至尿素泵，同时将尿素送至喷嘴模块，并在尿素泵中建立一定的压力，将多余的尿素溶液通过尿素回流管送回尿素箱。ECU根据发动机当前工况以及排气温度、尿素温度、环境温度等条件判断是否喷射尿素及尿素的喷射量。

DM 的喷嘴冷却水没有流向之分，只要求保持有一定的压力差，且在整机运行期间保持水路畅通；尿素喷嘴接插件的拆装顺序：尿素喷嘴在整车上的安装位置要便于尿素液力管路和电器件的安装与拆卸，目前主流厂家一般将DM 直接安装至DOC 以节省安装空间。为防止尿素管路拆装时对电器接口造成污染，尿素管路接头和电气接插件的拆装顺序如下：①安装时，首先安装电器接插件，然后安装尿素管路；②拆卸时，先拆卸掉尿素管路，再拆卸电器接插件。

SM 是尿素喷射系统的重要组成部件，其主要作用是将尿素箱的尿素输送至尿素喷射装置，SM的安装必须满足一定的静态和动态负载要求，在任何运行条件下，该装置上的最高温度均不得超过85℃；且该部件的所有外表面必须距邻近相关部件最短距离不得低于1 英寸。

尿素箱为后处理系统提供反应所需的尿素溶液，其形状及安装位置的设计，应兼顾整机运行角度及使用容量；如，推土机的爬坡角度一般为30°，尿素箱一般布置与推土机翼板一侧，在最大爬坡时，需保证尿素供应要求。另外，在寒冷天气运行时，发动机在运转过程中需要对尿素箱进行加热，要求主机厂使用发动机上设计合理的冷却回路，通过调节冷却液流量，保证尿素溶液合理温度，以满足喷射系统要求。

总之，低排放发动机对主机厂的设计要求更高，各主机厂应合理规划，提前做好产品布局，为“国四”的到来做好准备。

3 结语

自非道路“国四”标准公告提出后，行业正式进入“国三”至“国四”的过渡期，加快“国四”主机的开发及验证对后续产品的市场导入至关重要，各主机厂需从整机角度出发，兼顾后处理相关部件要求，统筹规划，在产品的不断升级过程中，总结低排放发动机设计经验，使产品不断完善。