SCR后處理系統(tǒng)排氣保溫技術(shù)的應(yīng)用研究

方有虎

摘 要：為應(yīng)對(duì)國(guó)五以及更為嚴(yán)格的國(guó)六排放法規(guī)，通過(guò)分析和研究SCR后處理系統(tǒng)及排氣保溫的原理，以排氣的熱量傳遞規(guī)律作為切入點(diǎn)，對(duì)不同的排氣管保溫方案進(jìn)行分析，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，為整車的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和方案選擇。

關(guān)鍵詞：SCR后處理系統(tǒng);排氣保溫;排放控制;保溫包裹

0 前言

隨著我國(guó)排放法規(guī)的不斷升級(jí)，對(duì)汽車排放的限制越來(lái)越嚴(yán)格。車企為滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，一方面不斷提升發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒技術(shù)，減少污染物的產(chǎn)生;另一方面，作為更重要的手段，排氣后處理技術(shù)對(duì)控制排放發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在商用車領(lǐng)域，SCR后處理技術(shù)是我國(guó)的主流技術(shù)路線，其主要特點(diǎn)就是需要消耗尿素參與催化反應(yīng)，并且需要有較高的溫度條件。因此，隨著京五、國(guó)五PEMS到更為嚴(yán)格的國(guó)六法規(guī)的實(shí)施，排氣保溫技術(shù)已成為排放控制技術(shù)中重要的技術(shù)課題。

1 SCR系統(tǒng)及排氣保溫的原理

SCR即選擇性催化還原，其工作原理是將一定濃度的尿素溶液噴射到排至缸外的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中，形成混合氣體，在催化劑的作用及適宜的反應(yīng)溫度條件下，尿素與廢氣中的發(fā)生催化反應(yīng)，生成。

SCR后處理系統(tǒng)中，尿素的起噴溫度一般為200℃左右，低于起噴溫度時(shí)，SCR系統(tǒng)將不發(fā)生催化反應(yīng)，而當(dāng)排溫升高時(shí)，催化效率也相應(yīng)提高。

在整車布置中，SCR后處理器一般與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口有一定距離，中間通過(guò)排氣管進(jìn)行連接。排氣從發(fā)動(dòng)機(jī)流經(jīng)排氣管，進(jìn)入后處理器的過(guò)程中，將發(fā)生熱量損失，導(dǎo)致進(jìn)入后處理器的排氣溫度降低，達(dá)不到尿素起噴溫度或偏離了高效反應(yīng)的溫度區(qū)間。為提高進(jìn)入后處理器的排氣溫度，就需要對(duì)排氣進(jìn)行保溫，減小熱量損失。

2 熱量損失的途徑和控制方法

根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱量傳遞有三種基本形式，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

1）熱傳導(dǎo)，即物體內(nèi)溫度不同的各部分之間（同一物體或不同物體之間）不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞方式。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱流量與導(dǎo)熱系數(shù)、截面積、溫度差、厚度有以下計(jì)算關(guān)系：

2）熱對(duì)流，即由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，使得流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體互相摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。而流體與固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程為對(duì)流換熱。

根據(jù)牛頓冷卻公式，熱流量與表面對(duì)流換熱系數(shù)、換熱面積、壁面與流體的溫差有以下計(jì)算關(guān)系：

3）熱輻射是物體因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象。

根據(jù)斯忒藩—波爾茨曼定律，實(shí)際物體的熱輻射公式為：

式中，為斯蒂芬—波爾茨曼常數(shù)，T為物體溫度，為物體的發(fā)射率。

排氣在發(fā)動(dòng)機(jī)至后處理器之間的熱量損失，主要通過(guò)中間的排氣管路與環(huán)境大氣進(jìn)行熱交換而產(chǎn)生。排氣管內(nèi)高溫氣體通過(guò)熱對(duì)流將熱量傳遞至排氣管內(nèi)壁，再通過(guò)熱傳導(dǎo)形式傳導(dǎo)至排氣管外壁，最后通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流散發(fā)到周圍大氣中。

要減小排氣的熱量損失，主要可以通過(guò)兩種手段實(shí)現(xiàn)。第一是減小散熱面積，在滿足排氣背壓的前提下，選擇合適的排氣管管徑，同時(shí)，應(yīng)將后處理器盡量布置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口，減短排氣管路的長(zhǎng)度。第二是減小熱量從排氣管內(nèi)傳遞至管外的傳遞速率，可通過(guò)對(duì)排氣管進(jìn)行保溫來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 幾種排氣管保溫的技術(shù)方案

排氣管保溫可以采用雙層排氣管和排氣管外加保溫包裹等方式。雙層排氣管，即具有兩層管壁的排氣管，兩層管壁之間有一定間隙，中間充滿空氣或有一定真空度，而空氣是良好的隔熱材料，抽真空后，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低，保溫性能進(jìn)一步提高。排氣管加保溫包裹，通過(guò)在普通排氣管外包裹一定厚度具有較低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫材料，達(dá)到保溫隔熱的目的。

在商用車領(lǐng)域，受技術(shù)和成本制約，排氣管加保溫包裹的方案具有較好的應(yīng)用前景。其中常用的保溫材料有玻璃纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、碳纖維、納米纖維以及高硅氧材料等。不同的保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)、工作溫度等技術(shù)參數(shù)有所不同，成本也有較大差異，需根據(jù)需要進(jìn)行選擇。保溫材料外一般有一層包裹層，常用的包裹材料有硅膠布、鋁箔、不銹鋼箔等，并通過(guò)環(huán)箍緊固、鉚接或焊接的方式進(jìn)行固定。硅膠布包裹、不銹鋼包裹和鋁箔包裹的三種外觀分別如圖1、2、3所示。

4 保溫包裹性能試驗(yàn)

為研究不同保溫包裹結(jié)構(gòu)的保溫性能，對(duì)不同包裹結(jié)構(gòu)的排氣管開展保溫性能對(duì)比試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

選擇某型四缸增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，將其搭載在一款整車試驗(yàn)平臺(tái)上，發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的主要參數(shù)如表1所示。

4.2 試驗(yàn)對(duì)象

排氣管路從增壓器出口到后處理進(jìn)氣口的總長(zhǎng)為3.5m，共試驗(yàn)5種包裹方案（見表2），每種方案的排氣管本體相同，保溫材料選用常用的玻璃纖維和陶瓷纖維，導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.034～0.040 W/（mK）和0.031～0.038 W/（mK），厚度都采用10mm。

4.3 試驗(yàn)方法

對(duì)每種包裹方案分別在靜態(tài)怠速、靜態(tài)全轉(zhuǎn)速、輕載行駛、重載行駛4種工況條件下分別進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試增壓器出口及后處理進(jìn)口處的排氣溫度。在試驗(yàn)過(guò)程中，不同方案在同一工況的測(cè)試條件保持一致。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)獲得的各方案在不同工況下的溫降結(jié)果如表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，排氣管增加保溫包裹后，排氣溫將有明顯減小。對(duì)比方案2和5的試驗(yàn)結(jié)果，陶瓷纖維的保溫性能比玻璃纖維略好，與其導(dǎo)熱系數(shù)的差異性相吻合;對(duì)比方案2和3的試驗(yàn)結(jié)果，相同保溫主材，不同的外層包裹材料和結(jié)構(gòu)對(duì)其保溫性能有一定影響，這是由于外層包裹材料同時(shí)發(fā)生著熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和輻射換熱，對(duì)整體保溫性能會(huì)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

結(jié)合理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，排氣保溫包裹方案的關(guān)鍵，在于選擇合適的保溫材料和包裹結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮保溫方案的性能、成本、生產(chǎn)工藝、外觀品質(zhì)等諸多因素，并最終通過(guò)整車PEMS等相關(guān)排放試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

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