某種輕型客車SCR后處理系統(tǒng)耐硫性研究

段佳委，余仕俠

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某種輕型客車SCR后處理系統(tǒng)耐硫性研究

段佳委，余仕俠

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

高壓共軌+SCR技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放兩種典型路線的一種，而低硫燃油的供應(yīng)是柴油車實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的重要支撐。高硫含量燃油的長(zhǎng)期使用勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)產(chǎn)生故障，影響顧客的正常使用。以某種輕型客車(GVW>3.5t)匹配SCR后處理為例，著重探究SCR后處理在整車實(shí)際應(yīng)用中的耐硫性。

SCR；國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)；耐硫性

0 引言

近年來(lái)，隨著環(huán)保形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，車輛的排放升級(jí)已勢(shì)在必行。在2005年5月30日，環(huán)保部就頒布了《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691-2005)。最初，2011年1月1日是3.5 t以上重型柴油車國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間，但之后由于柴油油品不達(dá)標(biāo)，國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)三度推遲。目前，國(guó)外已普遍實(shí)施國(guó)V排放，而國(guó)內(nèi)部分地區(qū)已計(jì)劃在2014年底實(shí)施國(guó)Ⅴ排放。從國(guó)內(nèi)形勢(shì)來(lái)看，國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油的供應(yīng)明顯滯后于國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間。高硫燃油的使用必然會(huì)導(dǎo)致車輛后處理出現(xiàn)“硫中毒”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)影響顧客的正常使用。因此如何應(yīng)對(duì)此種情況(一方面要研發(fā)生產(chǎn)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛，另一方面還要適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的油品問(wèn)題)，成為決定各大主機(jī)廠能否贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。文中主要是驗(yàn)證車輛在使用不滿足燃油標(biāo)準(zhǔn)(高硫含量)的燃油時(shí)，SCR系統(tǒng)運(yùn)行多少里程或多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)報(bào)出相關(guān)OBD故障，以及如何消除故障，為后續(xù)車輛終端用戶提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持及指導(dǎo)。

1 SCR后處理介紹

1.1 SCR系統(tǒng)構(gòu)成

SCR是Selective(選擇性)、Catalytic(催化)、Reduction(還原)的英文縮寫。SCR系統(tǒng)由催化轉(zhuǎn)換器、尿素給料單元、尿素噴射單元、尿素噴射控制單元(DCU)、尿素罐、尿素輸送管路、加熱電磁閥及附件構(gòu)成。詳見(jiàn)圖1。

1.2 SCR系統(tǒng)工作原理

尿素罐向尿素給料單元供應(yīng)尿素溶液，噴射單元使用極精確的計(jì)量和泵送系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的噴嘴供液，這些都由DCU利用電子方式控制。在任何指定轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下，尿素溶液通過(guò)高壓噴射霧化后與熾熱的廢氣一接觸，水迅速蒸發(fā)，尿素變成氨氣(NH3)，在SCR催化轉(zhuǎn)換器中NH3將廢氣中的NOx還原成氮?dú)?N2)和水(H2O)，具體的反應(yīng)如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

4NH3+6NO→5N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

車輛在使用硫含量較高的燃油時(shí)，在選擇性催化還原反應(yīng)中SO2能與NH3發(fā)生反應(yīng)生成硫酸銨((NH4)2SO4)以及硫酸氫銨(NH4HSO4)類物質(zhì)。此類硫酸鹽在300 ℃下容易沉積覆蓋在催化劑表面使得催化劑失活，進(jìn)而抑制NOx轉(zhuǎn)化效率，此過(guò)程俗稱“硫中毒”[1]。

1.3 SCR系統(tǒng)與DPF系統(tǒng)對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為成熟的實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放技術(shù)路線有SCR路線和EGR+DPF路線，綜合考慮車輛成本和使用成本，3.5 t以下輕型車主要使用EGR+DPF路線，3.5 t以上車型主要使用SCR路線，兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 兩種技術(shù)路線對(duì)比

2 耐硫性研究

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)(在不同工作溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同硫含量的燃油時(shí)，后處理NOx轉(zhuǎn)化效率及再生效率隨時(shí)間的變化圖2—3)可以看出，高硫柴油使用會(huì)對(duì)SCR后處理系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率造成影響。具體如下:

(1)高硫柴油會(huì)使SCR系統(tǒng)中毒，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率下降;

(2)NOx轉(zhuǎn)化效率下降的速度取決于硫含量、排氣溫度和運(yùn)行工況;

(3)NOx化效率下降最終會(huì)觸發(fā)兩級(jí)OBD故障(第一級(jí)：NOx排放超過(guò)5 g/(kW·h)，不限扭；第二級(jí)：NOx排放超過(guò)7 g/(kW·h)，限扭)[2]；

(4)高溫脫硫后，NOx轉(zhuǎn)化效率會(huì)恢復(fù)到原有水平。

說(shuō)明：發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)是在恒定的工況下(排氣溫度、轉(zhuǎn)速等)，而整車在實(shí)際使用中，排氣溫度和轉(zhuǎn)速等是實(shí)時(shí)變化的，因此硫中毒和再生的時(shí)間是不一樣。

2.2 整車耐硫性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)：某試驗(yàn)場(chǎng)高環(huán)試驗(yàn)跑道。

車輛狀態(tài)：滿載(4 050 kg)。

試驗(yàn)用油：某試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)加油站(硫含量為697×10-6)。

試驗(yàn)工況：

(1)工況一，后處理噴射系統(tǒng)開(kāi)始工作(后處理進(jìn)氣溫度200 ℃以上)；

(2)工況二，OBD診斷系統(tǒng)開(kāi)始工作(后處理進(jìn)氣溫度240 ℃以上)；

(3)工況三，故障消除，轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)(硫化物分解)(后處理進(jìn)氣溫度340 ℃以上)。

備注：不同的數(shù)據(jù)標(biāo)定，工作溫度略有不同。

車輛主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 車輛主要參數(shù)

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

(1)數(shù)據(jù)收集

收集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，各擋位不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的后處理進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度20 ℃。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)方案制定

根據(jù)收集的數(shù)據(jù)并結(jié)合試驗(yàn)工況，制定表4所示試驗(yàn)方案[3]。

表4 試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

車輛按照試驗(yàn)方案，在行駛 70 h(約5 000 km，不同的車型和發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)警和消除故障的時(shí)間可能不同，但控制原理基本相同)出現(xiàn)了故障；然后按照工況三高溫工況運(yùn)行1 h左右，再按工況二運(yùn)行40 min左右，故障可消除。

2.4 工況模擬

城市工況模擬結(jié)果見(jiàn)圖4，城郊工況模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖4可知：SCR后處理進(jìn)氣最高溫度224 ℃，按此行駛不會(huì)觸發(fā)OBD診斷系統(tǒng)即不會(huì)報(bào)故障；由圖5可知：SCR后處理進(jìn)氣溫度最高為251 ℃，可達(dá)到OBD診斷系統(tǒng)的工作溫度。

通過(guò)對(duì)實(shí)際工況(城市和城郊)的模擬，國(guó)內(nèi)城市工況基本不會(huì)出現(xiàn)故障，城郊工況可達(dá)到OBD診斷系統(tǒng)工作溫度，因此需要提醒顧客適時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化效率恢復(fù)工況。

3 結(jié)論

(1)SCR系統(tǒng)車輛在使用高硫含量燃油時(shí)(350×10-6

(2)在使用過(guò)程中，建議顧客在行駛約5 000 km時(shí)，運(yùn)行工況三(高負(fù)荷工況)使后處理硫化物分解，避免出現(xiàn)“硫中毒”現(xiàn)象。

(3)顧客在使用高硫燃油時(shí)，如果觸發(fā)了第一級(jí)OBD故障，可按表4中的故障消除方案進(jìn)行故障消除；如果故障還未消除或觸發(fā)了第二級(jí)OBD故障，建議到相關(guān)的維修站刷寫ECU數(shù)據(jù)。

【1】 沈伯雄，劉亭，楊婷婷，等.低溫SCR脫硝催化劑過(guò)渡金屬氧化物改性及硫中毒失活機(jī)制研究[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30(8)：2-3.

【2】 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).HJ 437-2008 車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷(OBD)系統(tǒng)技術(shù)要求[S].2008.

【3】 GB 17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].2005.

ResearchonFuelSulfurResistanceofSCRSysteminSomeVan

DUAN Jiawei,YU Shixia

(JAC Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

SCR & high pressure common rail is one of the typical ways to realize the Euro Ⅴ emission standard.In the mean time,the supply of low-sulfur fuel is an important support to achieve Euro Ⅴ emission of diesel vehicle.A long time usage of high sulfur fuel will lead to OBD alarm.Seriously it will affect the use of custom.The fuel sulfur resistance of SCR system in the practical application of the vehicle(GVW>3.5 t)was researched.

SCR;EuroⅤemission standard ;Sulfur resistance

2014-10-11

段佳委(1989—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)槠嚳偛贾醚芯?。E-mail：d814897366@126.com。