基于SCR技术的尿素供给系统设计*

俞 妍，卜建国，邓成林，资新运，张英锋

(1.军事交通学院基础部，天津 300161;2.军事交通学院汽车工程系，天津 300161;3.清华大学航空发动机研究院，北京 100084)

前言

与EGR技术路线相比，SCR技术路线具有良好的经济性、排放法规继承性强和对燃料中硫的含量不敏感等诸多优点，比较适合我国的国情。

SCR后处理技术是通过向排气管内喷入还原剂(通常是尿素水溶液)，使还原剂经过热解、水解产生氨气(NH3)，随后存储在催化器内，与废气中的NOx反应，生成无害的氮气N2和水。实际上，发动机的工况不同，NOx排放量也不同。如果过量喷入还原剂会导致多余的NH3随废气排入大气，造成二次污染。相反，还原剂喷入量过少，则会导致SCR系统NOx转化效率降低。为了实时地精确控制还原剂的喷入量，SCR后处理装置的尿素供给系统起着至关重要的作用［1－2］。

1 国外SCR尿素供给系统研究现状

目前，欧美大多数车用柴油机都采用了SCR后处理系统，而且供应尿素的基础设施也比较完善。但整车和发动机厂商一般都不会自己设计和生产SCR催化剂和尿素供给系统，而是根据自己的需求选择SCR催化剂和尿素供给系统的供应商［3］。世界上主要的尿素供给系统制造商有 BOSCH、GRUNDFOS、TENNECO、ALBONAIR 等公司，它们生产的尿素供给系统分为辅助空气和无辅助空气两大类，如表1所示。

表1 现有SCR尿素供给系统的特点及应用现状比较

BOSCH先后推出了DeNOxtronic第一代和第二代系统，其中第一代系统为辅助空气供给方式，主要用于重型柴油车，第二代系统为无辅助空气供给方式，主要用于轻型柴油车。

GRUNDFOS公司拥有精确供给一定范围内流体的数字式计量供给技术。基于此技术，2006年1月该公司针对SCR系统开发了精确计量还原剂的供给系统——NoNOxUDS(Urea Dosing System)［4］。

TENNECO公司也设计了Urea-SCR后处理系统用于降低NOx排放，名为ELIM-NOxTM［1］。它集成了尿素箱、供给泵，过滤器、加热装置、喷嘴、控制器和各种传感器，是目前唯一纵向集成并已交付使用的SCR系统，可降低NOx达95%。其尿素喷射无需空气辅助，降低了整个系统的成本。

归纳起来可以发现，尿素供给系统显现集成化、模块化和智能化等特征，供给和喷射装置的精度越来越高。但是也存在一些问题，如系统较复杂，加热装置的布置困难，系统成本较高以及耐久性和适应性较差等［1］。

2 一种基于压缩空气驱动源的尿素供给系统设计

针对目前国外存在的上述问题，提出了两个设想:(1)将所有尿素管路尽量集成到尿素箱;(2)取消尿素泵，采用其它尿素驱动的动力源。依据这两个设想，设计了一种以压缩空气为驱动源的尿素供给系统，由于整个系统集成在尿素箱里，本文中取名为智能尿素箱(intelligent urea tank，IUT)系统。

2.1 IUT系统硬件组成与工作原理

IUT系统如图1所示，其工作原理是:系统以压缩空气为驱动源，以两个压力罐为载体，通过压缩空气挤压罐内尿素水溶液，实现尿素水溶液的供给。通过稳压阀将压缩空气以400kPa的稳定压力为IUT系统供气;系统采集了尿素喷射压力和辅助空气压力，通过计量阀和雾化喷嘴实现尿素水溶液的精确计量和充分雾化［5］。装置采用一体化设计，将所有部件集成在尿素箱内形成整体，整个系统通过控制器DCU实现智能控制，并可通过CAN通信从ECU获得命令或者根据发动机工况实现实时、精确的尿素喷射控制。

2.2 IUT系统的控制策略

IUT系统要根据发动机变化的工况实现精确、快速喷射，须具备以下3个功能:(1)系统驱动控制;(2)尿素腔的切换控制;(3)基于压力修正的尿素喷射量控制。

2.2.1 基于状态机的IUT系统控制策略

IUT系统喷射前必须给尿素加压，建立足够的尿素驱动压力;系统在停喷后必须进行管路清洗，以防止尿素结晶;同时系统工作过程中应该进行自诊断，并能自行处理相关故障等。基于这些考虑，本文中提出了基于状态机的系统控制策略，如图2所示。IUT系统工作状态划分为系统自检、待机、清洗、尿素加压、喷射和故障诊断6个状态。各状态之间的转换条件如表2所示。

表2 IUT状态转换条件

2.2.2 尿素气压驱动腔切换控制策略

IUT系统是通过给尿素气压驱动腔加压而实现尿素供给驱动的。本系统采用两个尿素气压驱动腔，通过交替控制两个腔室的加压、泄压而实现持续不断的尿素供给。尿素气压驱动腔切换应满足以下两个原则:(1)腔室切换前，加压腔不能空;(2)腔室切换频率尽可能低。为此，系统必须能够精确计算出每个腔室的实际尿素量［6］。

腔室尿素量按照以下公式计算:

式中:mCav为腔室尿素量;mIn为腔室尿素进入量;mInj为尿素喷射量;mLeak为尿素泄漏量。

尿素气压驱动腔切换控制策略如图3所示。尿素腔切换动作在加压腔耗空前打开另外一个尿素腔，在其建立压力之后对前一加压腔泄压，实现尿素腔充液，这样不断循环。

2.2.3 基于压力修正MAP的尿素精确喷射控制策略

本系统采用压力-占空比计量的方式精确控制尿素喷射量。在压力一定的情况下，计量阀占空比决定了尿素喷射速率。通过标定试验，获得一张关于压力、尿素喷射速率和占空比的MAP图，如图4所示，其控制策略如图5所示。

3 IUT系统试验与分析

3.1 IUT系统功能验证试验

图6为IUT样机。为了验证IUT系统功能，对样机进行了相关功能验证试验，包括尿素喷射计量试验、不同压力下实际尿素喷射速率比较试验和尿素压力驱动腔的切换试验。

表3为实际喷射与理论喷射值误差分析，可以看出最大误差不大于3%。图7为尿素计量喷射试验时实际喷射流量与设定喷射流量的关系图，可以看出其相似度为0.997 7，一致性很好。

表3 喷射误差表

图8 为尿素喷射绝对偏差平均值与尿素压力的关系曲线，可以看出，在尿素压力为200kPa时，实际尿素喷射速率与目标尿素喷射速率偏差较大。随着尿素压力的升高，实际尿素喷射速率越来越趋近目标尿素喷射速率。当尿素压力超过300kPa后，尿素喷射绝对偏差平均值趋向平稳且不大于2%，考虑到系统器件可靠性要求，一般选择尿素压力为350kPa左右。

图9 为尿素压力驱动腔切换时的压力波动，可以看出压力最大波动不超过10kPa。因此这种小幅度的压力波动不会对尿素喷射量造成较大影响。

3.2 IUT系统ETC试验

为了更好地验证IUT系统功能，进行了发动机ETC试验。试验发动机为重型12L柴油机，最大功率为270kW，采用国产25L催化器。图10为IUT系统装配情况。

试验结果见表4，NOx排放为3.292g/(kW·h)，达到了国Ⅳ水平，氨泄漏情况如图11所示，最大不超过30×10－6。可以看出，设计的IUT系统工作稳定，喷射精度完全达到SCR系统要求。

表4 ETC测试结果 g/(kW·h)

4 结论

本文中设计了一种以压缩空气为驱动源的尿素供给系统。从试验结果可以看出，该系统工作可靠，尿素喷射精度完全满足SCR系统功能要求。后续工作将进一步提高喷射精度，并进行低温和防结晶试验，以提高系统的可靠性。

［1］ 张春润，黄利平，庞海龙，等．柴油机Urea-SCR还原剂供给系统国外研究现状［J］．内燃机，2010(5)．

［2］ 钱枫．欧Ⅳ柴油机SCR系统电子控制单元的研发［D］．武汉:武汉理工大学，2008．

［3］ GrundfosNONOx［EB/OL］．http://www．grundfos．com/noNOx/，2009，02．

［4］ 黄鹏．采用SCR技术降低车用柴油机的NOx排放［J］．交通环保，2004(12)．

［5］ 帅石金，张文娟，董红义，等．柴油机尿素SCR催化器优化设计［J］．车用发动机，2007(2)．

［6］ 唐晓龙，郝吉明，徐文国，等．固定源低温选择性催化还原NOx技术研究进展［J］．环境科学学报，2005(10)．