低排放發(fā)動(dòng)機(jī)在推土機(jī)上的應(yīng)用研究

路青青，胡英華，張林振

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

2020 年12 月，中國生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》的公告，明確了非道路柴油移動(dòng)設(shè)備“國四”排放將在2022 年12 月1 日全面實(shí)施。為滿足排放法規(guī)，各主機(jī)廠提前布局產(chǎn)品規(guī)劃，在滿足排放法規(guī)前提下，合理設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化整機(jī)性能結(jié)構(gòu)，保證客戶良好駕乘體驗(yàn)，成為主機(jī)廠“國三”升“國四”的重心工作。本文將以推土機(jī)為例，介紹低排放發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)附件選型設(shè)計(jì)原則。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)本體部件設(shè)計(jì)原則

發(fā)動(dòng)機(jī)作為推土機(jī)的核心部件，在整機(jī)開發(fā)方案設(shè)計(jì)階段就必須充分考慮結(jié)構(gòu)緊湊性、可靠性、維保性能及整機(jī)匹配性能，合理布置發(fā)動(dòng)機(jī)部件的相對位置，利用發(fā)動(dòng)機(jī)艙有限空間，可以提升駕駛室視野，改善操作舒適性。

1.1 尺寸、便利性要求

目前滿足低排放法規(guī)要求的技術(shù)路線大致有SCR 技術(shù)路線和EGR 兩種，無論哪種技術(shù)路線，都使發(fā)動(dòng)機(jī)的本體更加，發(fā)動(dòng)機(jī)附件選型更加的單一，這就要求整機(jī)設(shè)計(jì)避免因發(fā)動(dòng)機(jī)部件如油尺位置機(jī)油加注口高度、增壓器位置等在后續(xù)整改設(shè)計(jì)中調(diào)整困難或調(diào)整時(shí)產(chǎn)生的高昂費(fèi)用。

為減少輔助工作時(shí)間，提高作業(yè)生產(chǎn)率，發(fā)動(dòng)機(jī)各維護(hù)保養(yǎng)部件如空濾、燃油濾、機(jī)油濾及日常檢查部件如油尺、機(jī)油加注口、皮帶漲緊裝置等在選型時(shí)，布置位置應(yīng)易于接近，更換濾芯簡單方便，周圍流出足夠維修保養(yǎng)空間；在主機(jī)架寬度較小時(shí)，盡量將保養(yǎng)部件布置在發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)。山推某低排放推土機(jī)采用FPT N67 發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1），采用高位機(jī)油尺，機(jī)油加注及相關(guān)濾芯靠近機(jī)罩，在維護(hù)檢查時(shí)，直接站在履帶上打開左側(cè)罩門鎖即可進(jìn)行相應(yīng)操作。

圖1 推某低排放推土機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

1.2 視野要求

由于推土機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣部件如進(jìn)氣預(yù)濾器、排氣尾管必須位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙上罩上平面。無論采用何種布置方式，預(yù)濾器、排氣尾管均位于駕駛室正前方。為使駕駛室視野最大化，盡量將排氣尾管、空氣預(yù)濾器的安裝位置偏置（圖2）。

圖2 排氣尾管等安裝位置偏置

排氣尾管可根據(jù)后處理模塊如DOC、SCR的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，盡量布置在單側(cè)，排氣尾管與SCR廢氣出口端直接連接。從駕駛室里看，尾管被駕駛室門左（右）立柱遮擋是最理想的位置。空氣濾清器在200 馬力以下的推土機(jī)中盡量布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，不影響駕駛員視野的情況下也可以根據(jù)實(shí)際工況要求，再添加一級空氣預(yù)濾器，該預(yù)濾器盡量布置在上罩單側(cè)，遠(yuǎn)離排氣尾管。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)后處理部件設(shè)計(jì)原則

推土機(jī)產(chǎn)品“國三”升“國四”，主要是排放物處理技術(shù)的升級，相對EGR 技術(shù)路線，SCR催化劑以釩基、鐵基等材料為主，抗硫性好且性能穩(wěn)定。日本通過對3 種不同S 含量目標(biāo)值燃料（S0，S10 和S50）對比發(fā)現(xiàn)，尿素SCR 系統(tǒng)基本不受燃料中S 含量的影響，且采用SCR 路線要比EGR 路線節(jié)油近10%，且動(dòng)力更強(qiáng)勁。

2.1 SCR及DOC選型設(shè)計(jì)原則

山推某低排放推土機(jī)采用高效SCR 技術(shù)，配合DOC，可有效處理廢氣，保證發(fā)動(dòng)機(jī)排放滿足法規(guī)要求。為滿足不同車輛安裝要求，SCR 及DOC 一般可選擇縱置結(jié)構(gòu)或橫置結(jié)構(gòu)，根據(jù)推土機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)要求，一般選用橫置式SCR 及橫置式DOC 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為滿足后處理部件使用壽命及工作精度，選型的SCR 及DOC 使用設(shè)計(jì)需符合發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求：首先，SCR 罐體與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋的最短距離不得低于1 英寸，SCR 與排氣尾管連接管需預(yù)留傳感器安裝座，并保證傳感器安裝方便，且SCR出口處不得進(jìn)水，如圖3 所示。DOC 的安裝與SCR 要求大致相同，其至發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓出口的管路需保證密封及壓降，且波紋管長度不可超過發(fā)動(dòng)機(jī)要求；同時(shí)，DOC 與SCR 罐體不得私自更改或調(diào)整，保證使用壽命及精度。

圖3 SCR及DOC安裝示意圖

2.2 后處理系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)原則

后處理系統(tǒng)排放滿足法規(guī)的PM及NOx要求，需要采用相應(yīng)的傳感器控制后處理工作，以山推某推土機(jī)為例，主要的后處理系統(tǒng)傳感器有NH3控制器、NH3 傳感器、溫度傳感器、溫濕度傳感器、NOX傳感器等。

傳感器安裝需要保證振動(dòng)性要求及相關(guān)角度、尺寸要求。DOC 上游NOx傳感器盡量布置遠(yuǎn)離增壓器位置，盡量靠近DOC 進(jìn)口位置，不能布置在易被水沖洗的位置。NOx傳感器最小線纜彎曲半徑為35mm，固定點(diǎn)彎曲半徑應(yīng)大于20mm，固定點(diǎn)個(gè)數(shù)至少2 個(gè)，固定點(diǎn)間距在150～200mm 之間，NOx控制器線纜固定點(diǎn)距離控制器90～110mm。

NH3 傳感器要求安裝在水平角16°～30°，安裝力矩一般要求40～60Nm；線束要延伸大于20mm，柔性段圓角要大于10mm；溫度變化范圍一般為-40～900℃。溫濕度傳感器一般安裝在空氣濾清器之后的高空氣密度區(qū)域，不得布置在空氣死角處；其相應(yīng)的角度需滿足設(shè)計(jì)要求，且不得反裝。

2.3 尿素噴射系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

后處理尿素系統(tǒng)的作用是為SCR 提供適量的尿素溶液，以降低有毒氣體的排放。尿素系統(tǒng)一般由尿素箱（DEF Tank）、尿素泵（DM）、冷卻水電磁閥、噴射模塊（SM）、尿素管路、尿素系統(tǒng)控制模塊及相關(guān)傳感器等部件組成。首先，ECU 檢查各傳感器、尿素泵、噴嘴、冷卻水電磁閥等系統(tǒng)部件相關(guān)電特性，同時(shí)監(jiān)測尿素箱內(nèi)尿素溫度，尿素溶液溫度過低，ECU 打開斷水電磁閥，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水對尿素溶液進(jìn)行加熱；其次，尿素泵抽取尿素溶液至尿素泵，同時(shí)將尿素送至噴嘴模塊，并在尿素泵中建立一定的壓力，將多余的尿素溶液通過尿素回流管送回尿素箱。ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前工況以及排氣溫度、尿素溫度、環(huán)境溫度等條件判斷是否噴射尿素及尿素的噴射量。

DM 的噴嘴冷卻水沒有流向之分，只要求保持有一定的壓力差，且在整機(jī)運(yùn)行期間保持水路暢通；尿素噴嘴接插件的拆裝順序：尿素噴嘴在整車上的安裝位置要便于尿素液力管路和電器件的安裝與拆卸，目前主流廠家一般將DM 直接安裝至DOC 以節(jié)省安裝空間。為防止尿素管路拆裝時(shí)對電器接口造成污染，尿素管路接頭和電氣接插件的拆裝順序如下：①安裝時(shí)，首先安裝電器接插件，然后安裝尿素管路；②拆卸時(shí)，先拆卸掉尿素管路，再拆卸電器接插件。

SM 是尿素噴射系統(tǒng)的重要組成部件，其主要作用是將尿素箱的尿素輸送至尿素噴射裝置，SM的安裝必須滿足一定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載要求，在任何運(yùn)行條件下，該裝置上的最高溫度均不得超過85℃；且該部件的所有外表面必須距鄰近相關(guān)部件最短距離不得低于1 英寸。

尿素箱為后處理系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的尿素溶液，其形狀及安裝位置的設(shè)計(jì)，應(yīng)兼顧整機(jī)運(yùn)行角度及使用容量；如，推土機(jī)的爬坡角度一般為30°，尿素箱一般布置與推土機(jī)翼板一側(cè)，在最大爬坡時(shí)，需保證尿素供應(yīng)要求。另外，在寒冷天氣運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要對尿素箱進(jìn)行加熱，要求主機(jī)廠使用發(fā)動(dòng)機(jī)上設(shè)計(jì)合理的冷卻回路，通過調(diào)節(jié)冷卻液流量，保證尿素溶液合理溫度，以滿足噴射系統(tǒng)要求。

總之，低排放發(fā)動(dòng)機(jī)對主機(jī)廠的設(shè)計(jì)要求更高，各主機(jī)廠應(yīng)合理規(guī)劃，提前做好產(chǎn)品布局，為“國四”的到來做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)語

自非道路“國四”標(biāo)準(zhǔn)公告提出后，行業(yè)正式進(jìn)入“國三”至“國四”的過渡期，加快“國四”主機(jī)的開發(fā)及驗(yàn)證對后續(xù)產(chǎn)品的市場導(dǎo)入至關(guān)重要，各主機(jī)廠需從整機(jī)角度出發(fā)，兼顧后處理相關(guān)部件要求，統(tǒng)籌規(guī)劃，在產(chǎn)品的不斷升級過程中，總結(jié)低排放發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使產(chǎn)品不斷完善。