某款雙濾芯尿素液位傳感器的設計

石玢 周剛 賀洋洋 周宗昊 王瓊

摘 要：隨著排放要求的日益嚴峻，重型卡車柴油發(fā)動機普遍尋求近乎極限的排放標準。為應對嚴格的排放標準，EGR+DOC+DPF+SCR+ASC的后處理方式成為國內(nèi)絕大多數(shù)主機廠選擇的最終方案。文章將著重分析和探討目前國內(nèi)某款國VI重型卡車柴油發(fā)動機SCR尿素供給系統(tǒng)中，為精細過濾尿素溶液所設計的雙濾芯結構液位傳感器在設計和布置過程中的創(chuàng)新應用。

關鍵詞：雙濾芯液位傳感器;SCR系統(tǒng);尿素箱

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-50-03

Abstract： With the increasingly strict emission requirements， diesel engines for heavy trucks are generally seeking near-limit emission standards. In order to cope with strict emission standards， the post-processing method of EGR + DOC + DPF + SCR + ASC has become the final solution selected by most domestic OEMs. This article will focus on the analysis and discussion of the innovative application of the dual-filter structure liquid level sensor designed for the fine filtration of the urea solution in the SCR urea supply system of a national VI heavy-duty truck diesel engine.

Keywords： Double-filter element liquid level sensor; SCR system; Urea box

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-50-03

前言

自千禧年后，我國道路車輛排放法規(guī)已進入了第六階段。2019年7月1日起，部分發(fā)達地區(qū)已提前執(zhí)行國VI及其以上排放標準。排放法規(guī)的進一步趨嚴，倒逼著一眾車企紛紛倒戈向新能源車型，但傳統(tǒng)重型柴油機的市場地位暫時無可替代，留給廠家唯一出路便是——節(jié)能減排。從發(fā)動機缸內(nèi)燃燒和尾氣處理方面雙管齊下，衍生出了現(xiàn)在兩種主流的后處理方案，重度EGR系統(tǒng)和中度EGR+SCR系統(tǒng)。

1 柴油機尾氣污染物及處理方案介紹

1.1 五種污染物產(chǎn)生的原因

我們都知道，柴油機屬于一種效率極高的熱機，相較于同類型的汽油發(fā)動機，柴油機有著無可比擬的先天優(yōu)勢。但尺有所長、寸有所短，傳統(tǒng)柴油機由于特殊的工作環(huán)境，在某種程度上“縱容”了一些有害物質的產(chǎn)生。

追本溯源，柴油機在正常工作時吸入的是柴油和空氣，而柴油的有效成分是烴類物質（HC）和其他元素（例如：硫）?？諝庾圆挥谜f，它的主要成分為21%的O2、78%的N2和其他氣體（其他氣體基本上不參與反應，所以這里不作說明）。

介紹完柴油機吸入的物質，下面我們再來看下它特殊的工作環(huán)境。由于柴油機多配備廢氣渦輪增加系統(tǒng)，加之柴油機天然“慢”的屬性，它的工作環(huán)境總結出來就是三個特征：“富氧”、“高溫”、“低速”（氣缸內(nèi)各類物質在高溫環(huán)境中停留的時間較長）。在這三個特征的加持下，柴油機通常產(chǎn)生5種常見的污染物：CO、PM、HC、NOx、硫化物。

CO（一氧化碳）產(chǎn)生主要是柴油在缺氧環(huán)境中不完全燃燒時產(chǎn)生的，所處的工況主要發(fā)生在發(fā)動機冷啟動和急加速其間;PM（顆粒物）的產(chǎn)生和很多因素有關，比如說攝入柴油的質量、柴油的消耗量、燃燒溫度等都會伴隨顆粒物的產(chǎn)生，其發(fā)生的工況主要集中在輕載和低溫時不完全燃燒產(chǎn)生;HC（碳氫化合物）是柴油的主要組成元素，因此發(fā)動機尾氣中的碳氫化合物主要是未完全燃燒的柴油氣體;而發(fā)動機排放的NOx（氮氧化物）主要是進入燃燒室的空氣中的氮氣和氧氣在高溫環(huán)境下發(fā)生化學反應生成的;硫化物的產(chǎn)生主要是柴油中所含的雜質硫元素和氧氣在高溫燃燒后生成的。

1.2 處理方案介紹

尾氣后處理系統(tǒng)的主要職責就是針對這5大污染物進行過濾凈化。而凈化的方案主要分為兩類：一類就是機內(nèi)凈化，也就是我們所說的EGR，從源頭上控制污染物的產(chǎn)生;另一類就是我們常見的尾氣處理了。通過多年的技術積累，時至今日，國內(nèi)外現(xiàn)行的成熟尾氣處理方案就是DOC+DPF+ SCR+ASC方案（見圖1）。

EGR（廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）的主要作用是降低廢氣中氮氧化物的含量。前面說過，氮氧化物的產(chǎn)生條件就是高溫高壓，通過將燃燒的廢氣冷卻后再引入進氣歧管，和新鮮的空氣混合后進入燃燒室，降低燃燒室內(nèi)的溫度，從而使氮氧化物的生成量減少。而低溫廢氣的引入，使燃燒室內(nèi)溫度降低，導致發(fā)動機的輸出功率下降，同時不完全燃燒使得碳氫化合物和一氧化碳以及顆粒物的排放增加，因此EGR不能獨立應用于降低尾氣中的有害物質;DOC（柴油氧化催化器）的主要作用是降低廢氣中氮氧化物的含量。通過在DOC內(nèi)的氧化催化劑，加速一氧化碳和碳氫化合物在此完成氧化反應，生成二氧化碳和水，促使氮氧化物中的一氧化氮和氧氣反應生成二氧化氮，并釋放熱量，促使下游DPF和SCR的反應。主要影響是不會對發(fā)動機的工作造成額外副作用，但如果柴油中的硫含量過高，會使硫和水反應生成硫酸或亞硫酸，造成DOC損壞;DPF（柴油微粒捕捉器）的主要作用是降低尾氣中顆粒物的含量。DPF內(nèi)的稀有金屬和廢氣中的顆粒物反應，分解并吸附顆粒物，使排出的顆粒物含量降低。主要影響是顆粒物在DPF上附著會使廢氣的通過性降低，從而使發(fā)動機的排氣背壓升高，造成發(fā)動機功率下降，因此必須定時再生或更換DPF濾芯;SCR（選擇性催化還原系統(tǒng)）的主要作用是降低尾氣中氮氧化物的含量，原理是通過催化器中噴入的尿素溶液，在排氣管內(nèi)溫度大于200℃時使尿素分解出氨氣，氮氧化物和氨在催化器中發(fā)生反應，生成氮氣和水。主要影響是需要額外噴入32.5%的尿素水溶液，另外，SCR是目前為止降低氮氧化物含量的最有效的方法之一。

本文就著重對SCR系統(tǒng)中進行尿素溶液精細過濾的雙濾芯液位傳感器方案進行一個剖析，下面我將分為兩個部分做一個新舊案例的對比分析和介紹。

2 兩種液位傳感器結構方案介紹

2.1 單濾芯液位傳感器結構方案介紹

單濾芯傳感器主要出現(xiàn)在初期SCR系統(tǒng)中，初期SCR系統(tǒng)采用單濾芯結構主要出于成本上的考慮，同時單濾芯的裝配位置主要布置在傳感器的底部，下部冷卻水管環(huán)流于濾芯周圍，可以對濾芯進行加熱和解凍（見圖2、圖3）。

濾芯放置在傳感器底部的方案一共有兩種迭代方案，初版方案（圖2）濾芯置于整個傳感器的最底端，缺點是當環(huán)境溫度下降時，冷卻水不能很好的對濾網(wǎng)組件進行加熱和解凍。迭代之后（見圖3）基本解決了之前老結構出現(xiàn)的問題，濾網(wǎng)被置于冷卻水不銹鋼螺旋管的內(nèi)部，可以在極端環(huán)境下迅速對濾網(wǎng)進行加熱和解凍，使系統(tǒng)正常運轉。

單濾芯液位傳感器的缺點是：維護不方便;濾網(wǎng)易堵塞失效;濾網(wǎng)更換周期短等。

2.2 雙濾芯液位傳感器結構方案介紹

雙濾芯液位傳感器結構（見圖4）是在單濾芯結構基礎上在傳感器頂部增加了一個頂置的濾網(wǎng)，原來存在于底部的濾網(wǎng)被一個濾網(wǎng)孔徑為70?m的大直徑的濾網(wǎng)所代替，置于頂部的濾網(wǎng)孔徑為30?m，這樣布置的優(yōu)點就是當尿素溶液從底部自下而上被吸出的過程中，直徑≥70?m的大顆粒的雜質首先被底部70?m的濾網(wǎng)攔截，然后剩余的雜質隨溶液進入頂部濾網(wǎng)進行下一步的過濾作業(yè)。

在結構設計方面，以安裝基座為基準面，出水接頭、進水接頭、出液管接頭分別置于安裝基座的上部，出水接頭、進水接頭、出液管接頭分別與安裝基座通過注塑工藝一體成型，以減少后期焊接產(chǎn)生應力變形。冷卻水管、電子管、出液管置于安裝基座的下部，同時安裝基座內(nèi)部集成了出水流道（置于安裝基座內(nèi)，圖中未畫出），進水流道（置于安裝基座內(nèi)，圖中未畫出）和頂部濾網(wǎng)組件的安裝腔.進水流道連通進水接頭和冷卻水管，出水流道連通出水接頭和冷卻水管，從進水接頭引進的冷卻水通過進水流道進入安裝基座下部不銹鋼冷卻水管，從冷卻水管的另一端再回流至出水流道和出水接頭至其他冷卻系統(tǒng)。安裝基座的下部加工有一體成型的卡口，可以和對應的箱體進行適配。頂部濾網(wǎng)組件安裝于安裝基座的安裝腔內(nèi)，頂部濾網(wǎng)組件密封端有一固定部，該固定部與安裝腔的開口通過螺紋連接，密封圈在其中起密封作用。安裝腔連通出液管接頭和出液管。同時流經(jīng)安裝基座的冷卻水亦可以對安裝腔內(nèi)的部件進行加熱和解凍。

雙濾網(wǎng)結構的設計，可以有效的增加過濾系統(tǒng)濾網(wǎng)的橫截面積，使過濾面更廣，過濾效率更高。同時，增加底部70?m濾網(wǎng)結構（底部濾網(wǎng)組件見圖5：由軸套、O-PING密封圈，濾網(wǎng)組成，通過軸套和出液管末端連接），可有效的緩解頂部小口徑濾網(wǎng)的工作壓力，延長濾網(wǎng)整體的更換周期。采用雙濾網(wǎng)結構，底部70?m濾網(wǎng)保養(yǎng)周期可延至2年清洗或更換一次;頂部30?m濾網(wǎng)保養(yǎng)周期延至1年或5萬公里。

最后，底部濾網(wǎng)同圖3單濾網(wǎng)布置方式類似，被置于冷卻水螺旋鋼管的內(nèi)部，冷卻水環(huán)流可以起到很好的加熱和解凍作用，而頂部濾網(wǎng)被置于安裝基座的進水流道和出水流道之間，前文也已經(jīng)提到，環(huán)流的冷卻水也可以很好地對其進行加熱和解凍，使其一直處于理想的工作環(huán)境之中。

3 結論

綜合而言，尿素過濾系統(tǒng)旨在對系統(tǒng)的雜質進行過濾作業(yè)，而過濾的精度是考量一個過濾系統(tǒng)的一項重要指標，目前市面上的液位傳感器多采用單濾芯結構，而該類系統(tǒng)存在過濾精度低，濾網(wǎng)更換周期短等缺陷，不能完全滿足過濾系統(tǒng)的基本要求，嚴重制約著后處理系統(tǒng)尾氣排放質量。采用雙濾芯的結構，可以增大濾網(wǎng)的有效過濾面積，過濾效率更高;采用分級過濾系統(tǒng)，可減輕頂部小口徑濾網(wǎng)的工作壓力;同時還延長濾芯更換和清潔的周期。

通過兩種結構的對比，雙濾芯液位傳感器的布置方案無論是從產(chǎn)品的可靠性，維護周期，還是過濾精度上都遠超前代單濾芯結構，所以在日益嚴苛的排放標準面前，有效的提升后處理系統(tǒng)尿素溶液的純度，對其尾氣的排放質量大有裨益。

參考文獻

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