石玢 周刚 贺洋洋 周宗昊 王琼

摘 要：随着排放要求的日益严峻，重型卡车柴油发动机普遍寻求近乎极限的排放标准。为应对严格的排放标准，EGR+DOC+DPF+SCR+ASC的后处理方式成为国内绝大多数主机厂选择的最终方案。文章将着重分析和探讨目前国内某款国VI重型卡车柴油发动机SCR尿素供给系统中，为精细过滤尿素溶液所设计的双滤芯结构液位传感器在设计和布置过程中的创新应用。

关键词：双滤芯液位传感器;SCR系统;尿素箱

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：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，我國道路车辆排放法规已进入了第六阶段。2019年7月1日起，部分发达地区已提前执行国VI及其以上排放标准。排放法规的进一步趋严，倒逼着一众车企纷纷倒戈向新能源车型，但传统重型柴油机的市场地位暂时无可替代，留给厂家唯一出路便是——节能减排。从发动机缸内燃烧和尾气处理方面双管齐下，衍生出了现在两种主流的后处理方案，重度EGR系统和中度EGR+SCR系统。

1 柴油机尾气污染物及处理方案介绍

1.1 五种污染物产生的原因

我们都知道，柴油机属于一种效率极高的热机，相较于同类型的汽油发动机，柴油机有着无可比拟的先天优势。但尺有所长、寸有所短，传统柴油机由于特殊的工作环境，在某种程度上“纵容”了一些有害物质的产生。

追本溯源，柴油机在正常工作时吸入的是柴油和空气，而柴油的有效成分是烃类物质（HC）和其他元素（例如：硫）。空气自不用说，它的主要成分为21%的O2、78%的N2和其他气体（其他气体基本上不参与反应，所以这里不作说明）。

介绍完柴油机吸入的物质，下面我们再来看下它特殊的工作环境。由于柴油机多配备废气涡轮增加系统，加之柴油机天然“慢”的属性，它的工作环境总结出来就是三个特征：“富氧”、“高温”、“低速”（气缸内各类物质在高温环境中停留的时间较长）。在这三个特征的加持下，柴油机通常产生5种常见的污染物：CO、PM、HC、NOx、硫化物。

CO（一氧化碳）产生主要是柴油在缺氧环境中不完全燃烧时产生的，所处的工况主要发生在发动机冷启动和急加速其间;PM（颗粒物）的产生和很多因素有关，比如说摄入柴油的质量、柴油的消耗量、燃烧温度等都会伴随颗粒物的产生，其发生的工况主要集中在轻载和低温时不完全燃烧产生;HC（碳氢化合物）是柴油的主要组成元素，因此发动机尾气中的碳氢化合物主要是未完全燃烧的柴油气体;而发动机排放的NOx（氮氧化物）主要是进入燃烧室的空气中的氮气和氧气在高温环境下发生化学反应生成的;硫化物的产生主要是柴油中所含的杂质硫元素和氧气在高温燃烧后生成的。

1.2 处理方案介绍

尾气后处理系统的主要职责就是针对这5大污染物进行过滤净化。而净化的方案主要分为两类：一类就是机内净化，也就是我们所说的EGR，从源头上控制污染物的产生;另一类就是我们常见的尾气处理了。通过多年的技术积累，时至今日，国内外现行的成熟尾气处理方案就是DOC+DPF+ SCR+ASC方案（见图1）。

EGR（废气再循环系统）的主要作用是降低废气中氮氧化物的含量。前面说过，氮氧化物的产生条件就是高温高压，通过将燃烧的废气冷却后再引入进气歧管，和新鲜的空气混合后进入燃烧室，降低燃烧室内的温度，从而使氮氧化物的生成量减少。而低温废气的引入，使燃烧室内温度降低，导致发动机的输出功率下降，同时不完全燃烧使得碳氢化合物和一氧化碳以及颗粒物的排放增加，因此EGR不能独立应用于降低尾气中的有害物质;DOC（柴油氧化催化器）的主要作用是降低废气中氮氧化物的含量。通过在DOC内的氧化催化剂，加速一氧化碳和碳氢化合物在此完成氧化反应，生成二氧化碳和水，促使氮氧化物中的一氧化氮和氧气反应生成二氧化氮，并释放热量，促使下游DPF和SCR的反应。主要影响是不会对发动机的工作造成额外副作用，但如果柴油中的硫含量过高，会使硫和水反应生成硫酸或亚硫酸，造成DOC损坏;DPF（柴油微粒捕捉器）的主要作用是降低尾气中颗粒物的含量。DPF内的稀有金属和废气中的颗粒物反应，分解并吸附颗粒物，使排出的颗粒物含量降低。主要影响是颗粒物在DPF上附着会使废气的通过性降低，从而使发动机的排气背压升高，造成发动机功率下降，因此必须定时再生或更换DPF滤芯;SCR（选择性催化还原系统）的主要作用是降低尾气中氮氧化物的含量，原理是通过催化器中喷入的尿素溶液，在排气管内温度大于200℃时使尿素分解出氨气，氮氧化物和氨在催化器中发生反应，生成氮气和水。主要影响是需要额外喷入32.5%的尿素水溶液，另外，SCR是目前为止降低氮氧化物含量的最有效的方法之一。

本文就着重对SCR系统中进行尿素溶液精细过滤的双滤芯液位传感器方案进行一个剖析，下面我将分为两个部分做一个新旧案例的对比分析和介绍。

2 两种液位传感器结构方案介绍

2.1 单滤芯液位传感器结构方案介绍

单滤芯传感器主要出现在初期SCR系统中，初期SCR系统采用单滤芯结构主要出于成本上的考虑，同时单滤芯的装配位置主要布置在传感器的底部，下部冷却水管环流于滤芯周围，可以对滤芯进行加热和解冻（见图2、图3）。

滤芯放置在传感器底部的方案一共有两种迭代方案，初版方案（图2）滤芯置于整个传感器的最底端，缺点是当环境温度下降时，冷却水不能很好的对滤网组件进行加热和解冻。迭代之后（见图3）基本解決了之前老结构出现的问题，滤网被置于冷却水不锈钢螺旋管的内部，可以在极端环境下迅速对滤网进行加热和解冻，使系统正常运转。

单滤芯液位传感器的缺点是：维护不方便;滤网易堵塞失效;滤网更换周期短等。

2.2 双滤芯液位传感器结构方案介绍

双滤芯液位传感器结构（见图4）是在单滤芯结构基础上在传感器顶部增加了一个顶置的滤网，原来存在于底部的滤网被一个滤网孔径为70?m的大直径的滤网所代替，置于顶部的滤网孔径为30?m，这样布置的优点就是当尿素溶液从底部自下而上被吸出的过程中，直径≥70?m的大颗粒的杂质首先被底部70?m的滤网拦截，然后剩余的杂质随溶液进入顶部滤网进行下一步的过滤作业。

在结构设计方面，以安装基座为基准面，出水接头、进水接头、出液管接头分别置于安装基座的上部，出水接头、进水接头、出液管接头分别与安装基座通过注塑工艺一体成型，以减少后期焊接产生应力变形。冷却水管、电子管、出液管置于安装基座的下部，同时安装基座内部集成了出水流道（置于安装基座内，图中未画出），进水流道（置于安装基座内，图中未画出）和顶部滤网组件的安装腔.进水流道连通进水接头和冷却水管，出水流道连通出水接头和冷却水管，从进水接头引进的冷却水通过进水流道进入安装基座下部不锈钢冷却水管，从冷却水管的另一端再回流至出水流道和出水接头至其他冷却系统。安装基座的下部加工有一体成型的卡口，可以和对应的箱体进行适配。顶部滤网组件安装于安装基座的安装腔内，顶部滤网组件密封端有一固定部，该固定部与安装腔的开口通过螺纹连接，密封圈在其中起密封作用。安装腔连通出液管接头和出液管。同时流经安装基座的冷却水亦可以对安装腔内的部件进行加热和解冻。

双滤网结构的设计，可以有效的增加过滤系统滤网的横截面积，使过滤面更广，过滤效率更高。同时，增加底部70?m滤网结构（底部滤网组件见图5：由轴套、O-PING密封圈，滤网组成，通过轴套和出液管末端连接），可有效的缓解顶部小口径滤网的工作压力，延长滤网整体的更换周期。采用双滤网结构，底部70?m滤网保养周期可延至2年清洗或更换一次;顶部30?m滤网保养周期延至1年或5万公里。

最后，底部滤网同图3单滤网布置方式类似，被置于冷却水螺旋钢管的内部，冷却水环流可以起到很好的加热和解冻作用，而顶部滤网被置于安装基座的进水流道和出水流道之间，前文也已经提到，环流的冷却水也可以很好地对其进行加热和解冻，使其一直处于理想的工作环境之中。

3 结论

综合而言，尿素过滤系统旨在对系统的杂质进行过滤作业，而过滤的精度是考量一个过滤系统的一项重要指标，目前市面上的液位传感器多采用单滤芯结构，而该类系统存在过滤精度低，滤网更换周期短等缺陷，不能完全满足过滤系统的基本要求，严重制约着后处理系统尾气排放质量。采用双滤芯的结构，可以增大滤网的有效过滤面积，过滤效率更高;采用分级过滤系统，可减轻顶部小口径滤网的工作压力;同时还延长滤芯更换和清洁的周期。

通过两种结构的对比，双滤芯液位传感器的布置方案无论是从产品的可靠性，维护周期，还是过滤精度上都远超前代单滤芯结构，所以在日益严苛的排放标准面前，有效的提升后处理系统尿素溶液的纯度，对其尾气的排放质量大有裨益。

参考文献

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