車載SCR低溫解凍系統加熱性能的實驗研究

左宗國 王再興 余國成 劉屹

摘要：本文針對低溫環境下的使用要求，根據車載SCR不同部件的特點，系統設計了SCR系統的熱管理方案。系統中的尿素供給單元和尿素管路采用電加熱的方式，而尿素箱采用的是發動機冷卻水循環加熱方式。為了檢驗系統熱管理的加熱能力，在-19℃開展了實車實驗，實驗結果表明系統動熱管理方案在-19℃環境溫度下完全符合使用要求。

關鍵詞：柴油機;選擇性催化還原;加熱性能;低溫

0? 引言

隨著汽車排放法規的日益嚴格，SCR系統被認為是降低柴油機氮氧化物排放的有效機外控制手段。我國地域遼闊，在冬季南北溫差很大，北方地區冬季時低溫可到零下30℃，甚至更低。眾所周知尿素水溶液在低于-11℃時會出現結冰現象，從而使得尿素水溶液供給系統無法正常工作。為了使SCR凈化裝置低溫環境下的正常運行，可以通過對SCR系統進行加熱與保溫來解決。在尿素箱和尿素供應管路的熱管理系統設計過程中，必須保證供熱系統的加熱能力滿足使用要求，將尿素水溶液保持在-11℃的冰點之上，為了節能又要避免過度的加熱。因此，十分有必要對SCR系統的熱管理系統開展實際運行工況下的應用實驗研究。

本文為某車用柴油機設計了一套SCR熱管理系統并針對其解凍能力開展了實驗研究。

1? SCR系統熱管理選題方案

眾所周知，尿素水溶液是一種無毒、無氣味、不易著火、無爆炸危險的化學物質，但具有一定的腐蝕性。根據文獻[3]中尿素水溶液的濃度與冰點的對應曲線可知，在不同濃度的尿素水溶液中，質量比濃度為32.5%的尿素水溶液的冰點是-11℃，適合作為SCR系統的還原劑。為保證SCR系統在低溫環境下也能可靠工作，就需要該系統配備低溫熱管理系統。尿素水溶液從尿素箱輸運到噴嘴的過程中要流經尿素供應管道、尿素泵和計量單元，因此在熱管理系統的設計中要考慮尿素箱、尿素供給單元和尿素管路三部分。（圖1）

2? 各部件熱管理方案介紹

2.1 尿素箱熱管理方案

發動機冷卻水加熱和電加熱方式可以作為尿素箱內尿素水溶液的加熱備選方案?？紤]到尿素箱內尿素水溶液的容量比較大，采用電加熱方案會對車載電池要求比較高，而采用水加熱方案的加熱用熱水可以取自柴油機的冷卻系統，因此對尿素箱內尿素水溶液來說采用發動機冷卻水加熱的方案是比較理想的熱管理方案。如圖1所示為尿素箱設計的熱管理裝置，結構上包括內部加熱水管路、溫度傳感器、液位傳感器和尿素供應管路等部件，加熱水管在尿素箱內集成設計成熱交換器，對其周圍的尿素水溶液加熱?？刂七^程如下：溫度傳感器將尿素結冰的信號（其溫度低于-11℃時）發送給控制器（DCU），并且當發動機冷卻液溫度在設定溫度以上時，DCU給冷卻液電磁閥（常閉型）發送打開指令，高溫的發動機冷卻液經電磁閥流入尿素箱內的換熱器，對尿素箱內尿素水溶液加熱解凍，寒熱后的冷卻水回流到柴油機出水管。

另外在使用過程中為了避免低溫環境下尿素管路結冰帶來的問題，SCR系統在低溫環境下的運行過程中也會采取加熱措施，使尿素水液始終保持在5～15℃的理想溫度范圍內。尿素箱的熱管理控制策略的依據來源于尿素箱內的溫度傳感器信號（見圖2）。

2.2 尿素供給單元熱管理方案

尿素泵、濾清器、控制單元、傳感器等零部件集成在一起，稱為尿素供給單元（見圖3），由于尿素供給單元電氣元件多，適合采用電加熱方案，將電加熱裝置固定在容易產生結冰的位置，通過對加熱繼電器的控制實現間隔加熱保證供給單元的溫度位于合理范圍內。如圖3所示為尿素供給單元的熱管理裝置。影響加熱效率的主要因素包括供電電壓、尿素水溶液的溫度、環境溫度、尿素水溶液流量、電加熱器功率等。

2.3 尿素水溶液管路熱管理方案

尿素水溶液管路布置和尿素箱的位置以及尿素噴嘴的安裝位置密切相關，在不同的車輛上尿素箱和尿素噴嘴的安裝位置也不相同，因此尿素水溶液管路的長度都不盡相同（見圖4）。電加熱方案的靈活性正好可以發揮，加熱效率高、易于控制、布置簡單，但缺點是需要電瓶提供電源。在尿素水溶液管路的外面纏繞電阻絲進行電加熱。DCU根據溫度傳感器提供的信號向車載12V電源發送供電指令，實現對尿素水溶液管路的加熱。

3? 實車運行熱管理試驗及結果分析

開展實車道路運行加熱實驗的目的是為了評估設計的SCR熱管理系統是否能夠滿足在高寒地區運行工況的要求。如系統能夠在45分鐘內實現正常工作，尿素溫度控制在5℃左右，則判定系統能夠滿足使用要求，選擇環境溫度-19℃典型低溫工況進行測試和驗證工作。

在環境溫度為-19.1℃時，啟動發動機后噴射管和吸液管開始進行解凍，解凍完成時間為1090s。

泵起始溫度為-17℃ ，啟動發動機后尿素泵開始進行解凍，解凍方式為泵自加熱，標定解凍完成限值1℃需完成時間為1450s。解凍開始時泵壓力為16bar左右，解凍過程中壓力持續減小至0bar左右。

尿素箱解凍起始溫度為-10℃，發動機啟動后由于怠速水溫上升較慢，經約420s動態路試后，水溫到達水閥開啟標定值50℃，水閥開啟，尿素箱開始解凍，尿素箱解凍至-3℃完成解凍所需時間為880s。

系統全部解凍完成時間為1450s，解凍完成后依次通過氣路檢測 PneuCheck液路檢測HydraCheck通過后，有噴射需求時系統狀態為 Dosing，無噴射需求時系統狀態為AirControl，期間沒有出現狀態返回或異常，當T15斷電后系統轉為Purge吹掃狀態。

4? 結論

針對低溫環境下的使用情況，本文某車用SCR系統設計了熱管理系統，低溫環境下在整車上開展了實車運行實驗，得出如下結論：

①尿素箱采用發動機冷卻液加熱，尿素水溶液管路和尿素供給單元采用電加熱，共同組成了車載SCR熱管理系統方案;②在-18℃以上環境溫度下，發動機冷卻液對尿素箱的加熱可以滿足使用要求。

參考文獻：

[1]龔金科.汽車排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]董紅義，帥石金，李儒龍，等.柴油機排氣后處理技術的最新進展與發展趨勢[J].小型內燃機與摩托車，2007，36（3）：87-92.

[3]M. Koebel， M. Elsener， M. Kleemann. Urea-SCR： a Promising Technique to Reduce NOX Emissions from Automotive Diesel Engines [J]. Catalysis Today. 2000（59）： 335-345.

[4]佟德輝，李國祥，陶建忠，孫少軍.基于Urea-SCR技術的V-W/Ti基催化劑在車用柴油機上的應用[J].內燃機工程，2009，30（4）：38-42.

[5]陶建忠，李國祥，佟德輝.基于V-W/Ti基催化劑的NH3選擇催化還原NOX的實驗研究[J].內燃機工程，2008，29（2）：22-25.

[6]陶建忠，李國祥，佟德輝.H2O和SO2在NH3選擇性催化還原NOX過程中的影響[J].內燃機工程，2008，29（3）：56-58.

[7]Stefan aus der Wiesche. Numerical heat transfer and thermal engineering of adBlue tanks for combustion engine emission reduction. Applied Thermal Engineering， 2007（27）：1790-1798.

[8]W.P. Trautwein. AdBlue as a reducing agent for the decrease of NOx emissions from diesel engines of commercial vehicles， DGMK Research Report 616-1， Hamburg， 2003.