石玢 周剛 賀洋洋 周宗昊 王瓊

摘 要：隨著排放要求的日益嚴(yán)峻，重型卡車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)普遍尋求近乎極限的排放標(biāo)準(zhǔn)。為應(yīng)對嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，EGR+DOC+DPF+SCR+ASC的后處理方式成為國內(nèi)絕大多數(shù)主機(jī)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(dòng)機(jī)SCR尿素供給系統(tǒng)中，為精細(xì)過濾尿素溶液所設(shè)計(jì)的雙濾芯結(jié)構(gòu)液位傳感器在設(shè)計(jì)和布置過程中的創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)入了第六階段。2019年7月1日起，部分發(fā)達(dá)地區(qū)已提前執(zhí)行國VI及其以上排放標(biāo)準(zhǔn)。排放法規(guī)的進(jìn)一步趨嚴(yán)，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(jī)的市場地位暫時(shí)無可替代，留給廠家唯一出路便是——節(jié)能減排。從發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)屬于一種效率極高的熱機(jī)，相較于同類型的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)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(jī)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(zhì)的產(chǎn)生。

追本溯源，柴油機(jī)在正常工作時(shí)吸入的是柴油和空氣，而柴油的有效成分是烴類物質(zhì)（HC）和其他元素（例如：硫）。空氣自不用說，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(yīng)，所以這里不作說明）。

介紹完柴油機(jī)吸入的物質(zhì)，下面我們再來看下它特殊的工作環(huán)境。由于柴油機(jī)多配備廢氣渦輪增加系統(tǒng)，加之柴油機(jī)天然“慢”的屬性，它的工作環(huán)境總結(jié)出來就是三個(gè)特征：“富氧”、“高溫”、“低速”（氣缸內(nèi)各類物質(zhì)在高溫環(huán)境中停留的時(shí)間較長）。在這三個(gè)特征的加持下，柴油機(jī)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(shí)產(chǎn)生的，所處的工況主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和急加速其間;PM（顆粒物）的產(chǎn)生和很多因素有關(guān)，比如說攝入柴油的質(zhì)量、柴油的消耗量、燃燒溫度等都會(huì)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(shí)不完全燃燒產(chǎn)生;HC（碳?xì)浠衔铮┦遣裼偷闹饕M成元素，因此發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的碳?xì)浠衔镏饕俏赐耆紵牟裼蜌怏w;而發(fā)動(dòng)機(jī)排放的NOx（氮氧化物）主要是進(jìn)入燃燒室的空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷丨h(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的;硫化物的產(chǎn)生主要是柴油中所含的雜質(zhì)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(zé)就是針對這5大污染物進(jìn)行過濾凈化。而凈化的方案主要分為兩類：一類就是機(jī)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(shù)積累，時(shí)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(jìn)氣歧管，和新鮮的空氣混合后進(jìn)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降，同時(shí)不完全燃燒使得碳?xì)浠衔锖鸵谎趸家约邦w粒物的排放增加，因此EGR不能獨(dú)立應(yīng)用于降低尾氣中的有害物質(zhì);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?xì)浠衔镌诖送瓿裳趸磻?yīng)，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(yīng)生成二氧化氮，并釋放熱量，促使下游DPF和SCR的反應(yīng)。主要影響是不會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作造成額外副作用，但如果柴油中的硫含量過高，會(huì)使硫和水反應(yīng)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(yīng)，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(huì)使廢氣的通過性降低，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓升高，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，因此必須定時(shí)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(shí)使尿素分解出氨氣，氮氧化物和氨在催化器中發(fā)生反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?。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(jìn)行尿素溶液精細(xì)過濾的雙濾芯液位傳感器方案進(jìn)行一個(gè)剖析，下面我將分為兩個(gè)部分做一個(gè)新舊案例的對比分析和介紹。

2 兩種液位傳感器結(jié)構(gòu)方案介紹

2.1 單濾芯液位傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要出于成本上的考慮，同時(shí)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(jìn)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(gè)傳感器的最底端，缺點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，冷卻水不能很好的對濾網(wǎng)組件進(jìn)行加熱和解凍。迭代之后（見圖3）基本解決了之前老結(jié)構(gòu)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(jìn)行加熱和解凍，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

單濾芯液位傳感器的缺點(diǎn)是：維護(hù)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(jié)構(gòu)方案介紹

雙濾芯液位傳感器結(jié)構(gòu)（見圖4）是在單濾芯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上在傳感器頂部增加了一個(gè)頂置的濾網(wǎng)，原來存在于底部的濾網(wǎng)被一個(gè)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(diǎn)就是當(dāng)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(zhì)首先被底部70?m的濾網(wǎng)攔截，然后剩余的雜質(zhì)隨溶液進(jìn)入頂部濾網(wǎng)進(jìn)行下一步的過濾作業(yè)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，以安裝基座為基準(zhǔn)面，出水接頭、進(jìn)水接頭、出液管接頭分別置于安裝基座的上部，出水接頭、進(jìn)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(yīng)力變形。冷卻水管、電子管、出液管置于安裝基座的下部，同時(shí)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(jìn)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(jìn)水流道連通進(jìn)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(jìn)水接頭引進(jìn)的冷卻水通過進(jìn)水流道進(jìn)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(yīng)的箱體進(jìn)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(shí)流經(jīng)安裝基座的冷卻水亦可以對安裝腔內(nèi)的部件進(jìn)行加熱和解凍。

雙濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(shí)，增加底部70?m濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)，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(jìn)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(jìn)行加熱和解凍，使其一直處于理想的工作環(huán)境之中。

3 結(jié)論

綜合而言，尿素過濾系統(tǒng)旨在對系統(tǒng)的雜質(zhì)進(jìn)行過濾作業(yè)，而過濾的精度是考量一個(gè)過濾系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前市面上的液位傳感器多采用單濾芯結(jié)構(gòu)，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(yán)重制約著后處理系統(tǒng)尾氣排放質(zhì)量。采用雙濾芯的結(jié)構(gòu)，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(shí)還延長濾芯更換和清潔的周期。

通過兩種結(jié)構(gòu)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(hù)周期，還是過濾精度上都遠(yuǎn)超前代單濾芯結(jié)構(gòu)，所以在日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量大有裨益。

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