Система SCR в дизельных двигателях Weichai WP12. Описание и принцип работы

Система SCR в дизельных двигателях Weichai WP12. Описание и принцип работы

В дизельных двигателях Weichai WP12 Евро IV (WP7.270E51, WP7.300E51, WP10NG280E51, WP12.430E50) используется система SCR для очистки выхлопных газов.

В 60-70 годах 20-ого века, в европейских и американских городах возникли серьезные загрязнения от выхлопных газов автомобилей, в особенности грузовых. Оксиды азота, образующиеся под воздействием высокого давления и температуры во время сгорания топливной смеси в двигателе наносят огромный ущерб лесам, так как ответственны за появление «кислотных дождей» и образование смога.

Эти показатели улучшились только с помощью повышения требований к стандартам выпускаемых двигателей. В Пекине министерство по охране окружающей среды заявит, что будет официально распространять дизельные двигатели стандарта EBPO IV во всех странах мира с 1 июля 2013 г, чтобы избежать появления серьезных загрязнений.

Система SCR предназначена для снижения уровня оксидов азота, содержащихся в отработавших газах (ОГ). Сокращение SCR означает Selective Catalytic Reduction (избирательное каталитическое восстановление). В данной технологии химическая реакция восстановления (нейтрализации) ОГ происходит избирательно. Это означает, что в составе ОГ целенаправленно снижается содержание только оксидов азота.

Принцип работы системы SCR в дизельных двигателях Weichai WP12 Евро IV (WP7.270E51, WP7.300E51, WP10NG280E51, WP12.430E50)

Система SCR состоит из:

1. Блок управления ECU (Система EDC17)

2. Карбамидный насос

3. Форсунка впрыска мочевины  612640130089

4. Соединительная труба выпуска воздуха SCR

5. Бак мочевины

6. Трубопровод нагревания охлаждающей воды

7. Трубопровод жидкости мочевины

8. Сигнальный провод

9. Каталитический нейтрализатор SCR

10. Датчики: 2NOx, датчик температуры ОГ, температурный датчик мочевины.

Насос мочевины представляет собой мембранный насос, привод которого осуществляется бесщеточным двигателем постоянного тока. Он интегрирован в корпус управляющего модуля и управляется блоком управления.

Задачи насоса мочевины различаются в зависимости от положения клапана обратной перекачки.

● При включенном двигателе и выполнении условий, необходимых для работы системы нейтрализации SCR, насос подаёт мочевину из бака к форсунке мочевины под давлением около 5 бар.

● При выключении дизельного двигателя он перекачивает мочевину из трубопровода подачи мочевины от  форсунки  обратно в бак.

Расчёт количества впрыскиваемой мочевины:

Требуемое для впрыска количество мочевины рассчитывается блоком управления и зависит от следующих факторов:

● режима работы двигателя;

● температуры ОГ;

● доли оксидов азота в массовом потоке ОГ.

Доля оксидов азота, поступающая в восстановительный катализатор, рассчитывается блоком управления. Массовый поток ОГ соответствует массовому расходу воздуха во впускном канале, который определяется расходомером воздуха, и массе впрыснутого топлива.

Форсунка - дозирует подачу мочевины в поток отработавших газов. Управление форсункой осуществляет блок управления с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией.

В форсунке мочевина находится под давлением, создаваемым насосом. В положении покоя игла форсунки перекрывает выходное отверстие за счет усилия пружины. Для впрыска мочевины блок управления посылает управляющий сигнал на электромагнитную катушку форсунки. При этом возникает магнитное поле, которое вытягивает якорь форсунки и иглу форсунки. Форсунка открывается, и происходит впрыск мочевины. Если управляющий сигнал на электромагнитную катушку больше не поступает, магнитное поле исчезает, и игла форсунки перекрывает отверстие под действием пружины.

Датчик 2NOx вкручен в трубу выпуска ОГ непосредственно за восстановительным катализатором. С его помощью определяется доля оксидов азота в ОГ, которая анализируется блоком управления датчика 2 NOx.

Конструкция восстановительного катализатора представляет собой сотообразный керамический элемент, покрытие которого состоит из цеолита меди. Оно предназначено для восстановления оксидов азота.

Система вентиляции  предназначена для выравнивания давления в баке.

При заправке мочевины необходимо следить за тем, чтобы в баке оставался достаточный свободный объем для расширения мочевины.

Принцип действия системы нейтрализации SCR в дизельных двигателях Weichai WP12

При нагреве примерно до 200°C катализатор восстановления достигает рабочей температуры. Блок управления получает данные о температуре отработавших газов от датчика температуры установленного перед катализатором восстановления.

Раствор мочевины забирается насосом  из бака  и под давлением примерно 5 бар прокачивается через обогреваемый трубопровод к форсунке мочевины.

Форсунка по команде блока управления впрыскивает мочевину в дозируемом количестве в трубопровод системы ОГ перед восстановительным катализатором, где она подхватывается потоком ОГ и равномерно распределяется микшером в ОГ. По пути к восстановительному катализатору, так называемом гидролизном участке, мочевина распадается на аммиак (NH3) и углекислый газ (CO2). В восстановительном катализаторе аммиак (NH3) вступает в реакцию с оксидами азота (NOx), образуя азот (N2) и воду (H2O). Коэффициент полезного действия системы SCR определяется датчиком 2NOx.

Для того чтобы блок управления двигателем дал команду на впрыск мочевины, должны быть выполнены следующие условия:

● Восстановительный катализатор достиг рабочей температуры примерно 200°C.

● Если температура окружающей среды низкая - обеспечено достаточное количество жидкой мочевины для впрыска.

Впрыск мочевины блоком управления двигателя прерывается при следующих условиях:

● При малом объемном потоке ОГ, например на холостом ходу.

● Когда температура ОГ снижается слишком сильно и рабочая температура восстановительного катализатора не достигается.

Краткое изложение о рабочем процессе распылительной системы SCR

на дизельных двигателях Weichai WP12 Евро IV

После запуска двигателя автомобиля блок управления получает разрешающие сигналы от температурных датчиков:

• температура мочевины нормальная (если замерзла включается ее подогрев)

• температура ОГ достигла 200 оС

Блок управления включает насос мочевины и по достижению необходимого давления открывает форсунку.

Затем блок управления получает сигнал от датчика 2NOx и в зависимости от содержания оксидов азота увеличивает или уменьшает подачу мочевины.

После выключения зажигания насос выкачивает всю мочевину из системы обратно в бак.

Замечания по эксплуатации системы SCR Weichai WP12 Евро IV

Если не учитывать поломки связанные с естественными причинами (брак, износ), то чаще всего система выходит из строя после замерзания мочевины в баке. Опишем этот процесс подробнее.

При температуре ниже минус 11 С и неработающем подогреве мочевины, состав в баке начинает замерзать. Большая часть растворенной мочевины выпадает в осадок, а оставшийся «сильно разбавленный» раствор замерзает. Через некоторое время после включения двигателя автомобиля подогрев мочевины растапливает некоторую часть замерзшего «сильно разбавленного» раствора, а большая часть нерастворенной мочевины в виде кристаллов останется на дне бака. Эксплуатация автомобиля с таким «разбавленным» составом не приведет к немедленному выходу системы SCR из строя, но если не предпринимать ничего - поломки системы практически гарантированы.

Во-первых: коэффициент полезного действия такого «сильно разбавленного» состава гораздо ниже и, следовательно, потребление его может существенно возрасти.

Во-вторых: если не прогреть весь объем замерзшей мочевины, плотность состава будет расти, и кристаллы нерастворенной мочевины попадут в систему. Это может привести к закупорке патрубков и нестабильной работе частей системы охлаждения, быстрому износу мембраны насоса, засорению форсунки или других основных частей двигателя Weichai.

Рекомендуется, в случае замерзания мочевины в баке прогреть его, до полного оттаивания мочевины, и проверить плотность состава. Если плотность не соответствует норме (1087-1093 кг/м3) – состав слить, бак, по возможности, помыть.