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康明斯非气助式尿素喷射系统这些功能很特别...

 长寿石 2019-10-25

“最严格国六”标准将于2020年开始实施,但满足国六排放标准的重型柴油车【如垃圾车、洒水车等环卫车辆】已在国内一线城市开始运行。而康明斯在国六阶段并没有采用国四国五时期的气助式尿素喷射系统,而是启动了非气助式尿素喷射系统“UL2”。

今天我们通过UA2和UL2到底差别在哪?也可以看出国六阶段到底有哪些大的调整。

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UL2的系统结构

尿素泵采用容积式液泵设计的工作原理,分为尿素泵部件总成与喷射阀部件总成两部分。尿素泵的电机与尿素溶液是分开的。

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尿素泵部件总成介绍

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总成部分最重要的是泵体,而泵体内最重要的就是泵电机,泵电机主要特点:

①转速维持在800~3500rpm之间;

②集成在PCB板上,PCB板内置有ePRV阀,使用ePRV阀控制尿素泵的最大输出压力(不采用机械减压阀)

泵电机主要作用是:为整个尿素管路提供压力;尿素路进出口单向阀采用弹簧阀设计可提高尿素大流量下的耐久性也不易被堵塞、卡滞;

除了泵体,总成包括过滤尿素内的30微米以上杂质的主滤芯;固定滤芯和软胶套的主滤芯外壳;和提升防冻能力的尿素泵防冻软胶套

当泵关闭压力衰减至100Kpa,主滤上有大量残余尿素如温度低至-11℃,尿素水溶液发生结冰现象,软胶套可以起到提升抗冻能力的作用;

尿素泵自身也有强大的解冻能力,在尿素泵中部有发动机冷却水进行循环,冷却水直接通过金属结构的热传导特性给泵内尿素解冻。

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喷射阀部件总成介绍

国四、国五阶段的UA2采用纯机械式喷嘴,而国六阶段UL2.2尿素系统采用电控式喷嘴,通过尿素循环对喷嘴进行冷却。UL2的喷射阀部件由以下三部分组成:

保证定时定量的喷射尿素,使尿素雾化后喷入混合器的尿素喷射阀;可以实时监测当前的尿素压力,与泵电机形成尿素路的闭环控制的尿素压力传感器;而采用金属结构的喷射阀壳体的作用是:通过发动机排气对喷射阀进行解冻。当尿素系统解冻完成时,尿素循环对喷嘴进行冷却确保喷射阀不被烧毁;

UL2尿素泵布置安装图

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1、尾气处理系统

2、尿素罐

3、DCU控制单元

4、UL2尿素泵

5、喷嘴

6、排气温度传感器

7、尾气压力传感器

8、氮氧传感器

UL2供给单元特点

从上述安装图上可以看出是底盘安装,尿素泵采用冷却水加热,增强防冻部件,喷嘴附带集成计量控制系统,温度和压力传感器,尿素泵电机运转,将尿素溶液吸入到尿素泵,尿素溶液在尿素泵内部通过吸液接头先到达内置滤芯,再经过两个吸液单向阀,通过隔膜往复运动通过一个排出单向阀将尿素溶液排出。

尿素溶液通过喷射接头喷出,经过喷射管路到达喷嘴,喷嘴开启将尿素溶液雾化喷射至排气系统中,尿素溶液通过喷嘴上的回液接头,回流至尿素罐,工作压力8bar。

原理讲解

这款系统按照工作流程划分,可分为五个阶段,分别是:待机准备阶段、预注阶段、计量喷射阶段、延迟阶段(根据喷嘴温度确定是否延迟)、关闭阶段;

待机准备阶段:钥匙开关打开,系统自检,解冻完成,等待预注命令;

预注阶段:满足预注条件,尿素泵开始工作减压。开环建压到6bar后,进入闭环控制,建压到8.5bar左右。电机持续工作,维持压力,冷却喷射阀;

计量喷射阶段:闭环控制状态,电机维持工作保持压力在7.5bar~9.5bar,ECM按照需求控制喷射阀喷射量;

延迟阶段:ECM给延迟冷却喷嘴指令;

关闭阶段:尿素泵电机停止工作,泵内压力自然释放。

UL2.2待机准备阶段

钥匙打开,系统自检

  • 待机阶段持续1秒
  • 当以下状态都满足时,会收到预注命令
  • 发动机处于运转状态
  • 尿素罐温度高于-4度
  • 无后处理相关故障(尿素罐/泵/喷射阀等相关故障)
  • 质量传感器监测到尿素浓度32.5%±2%
  • 系统(尿素罐/泵,喷射阀,尿素管线)解冻完成

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UL2.2 预注建压过程

接收到预注命令后,泵电机开始运转,喷射阀保持关闭

  • 开环控制
  • ECM向泵下达命令
  • 尿素泵电机90%的真空比来建立尿素压力
  • 当压力达到预设的限制6bar后尿素泵电机转由闭环控制
  • 闭环控制
  • ECM继续控制尿素泵电压运转建立目标压力8.5bar左右
  • 预注成功后,不管喷射阀是否开启喷射,喷射单元都将持续运转
  • 保持喷射系统尿素压力
  • 对喷射阀进行冷却

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UL2.2 喷射阶段

喷射条件,同时满足以下条件

  • DEF压力 850±100 Kpa
  • 满足发动机负荷的要求(氮氧化物的排放要高过一定值)
  • ECM根据发动机状态(排温,废气流量,NOx值)等计算出喷射量,控制喷射阀喷射尿素到混合器
  • 即使计算的喷射量为0,尿素泵电机依旧运转以冷却喷射阀和维持泵压力SCR进出口平均温度超过200 ℃(根据车型)
  • 没有SCR 系统的现行故障码

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ePRV阀工作原理

如果在喷射阀压力传感器监测不到压力或者压力过低的情况下,ECM会提高泵转速指令,以提高喷射压力。ePRV阀通过泵的转速和电流来计算喷射压力,如果压力超过限值,ePRV控制泵停止工作;

UL2.2 延迟阶段及触发条件

收到关闭指令后,满足下面所有条件即可触发延迟

  • SCR前温度大于450度
  • 环境温度大于30度
  • 延迟阶段泵继续运转以冷却喷嘴,持续600s
  • 延迟完成后电机停止转动

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UL2.2 关闭阶段

满足下方任意一个条件时,都收到关闭指令

  • 供电系统故障
  • 关闭后尿素溶液会从高压力流向低压力
  • 部分DEF会流向尿素罐
  • 尿素管路会残留100Kpa压力尿素
  • 钥匙开关Key off 发动机熄火
  • 钥匙开关Key on 发动机熄火
  • 系统温度低于零下11℃

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UL2的特点及优点

UL2尿素计量泵典型特点:

  • 无气式
  • 排量高的还是排量低的排放系统都能兼顾,有效转化氮氧化物,具有非常高的喷射控制能力,最高流量能达到20.5kg每小时,在尾气排放量较高的时候能够更有效控制氮氧化物排放量
  • 尿素泵发动机冷却液加热
  • 计量单元外置,尿素循环冷却,电加热,电磁针阀,内置温度和喷射压力传感器

UL2后处理系统的优点:

使用尿素循环冷却,能够更好的控制温度范围,替代传统的发动机冷却液冷却,这样设计的好处是:

  • 排除两个冷却液管道与喷射系统连接,仅使用尿素管路,降低集成复杂性
  • 排放尾气可加热喷嘴,同时尿素循环来自尾气的热量,强化系统可靠性
  • 系统关闭的时候自动降压,防止结晶堵塞

UL2尿素系统可适应不同的尿素管路长度,这样可使从尿素箱到尿素泵之间的管路选择性更充分,不影响尿素溶液的控制能力,这样模块化设计的好处是:

  • 尿素管路输送能力能达到15米,不需额外改进应用参数
  • 能够应用在大马力发动机上,在车辆集成化上具有高度适应性,通过控制单元控制尿素供给量的精度,同时控制单元可同时控制尿素泵和喷嘴,加热控制,以及尿素压力和温度传感器控制,诊断处理和加热部件

UL2无气式系统具有防结晶凝固设计,并且改进了性能,因为尿素非常容易在喷嘴处结晶和堵塞,这项技术内容包括:

  • 点火开关关闭后不执行清空,具有稳定的耐凝固性能
  • 尿素泵内没有清空,所以点火开关启动后会快速建压,避免引发建压失败等问题,同时能够迅速处理氮氧化物和避免结晶,在车辆断电后可有效避免系统损坏
  • 降低雾化颗粒直径至24微米,使尿素溶液与尾气充分混合,改进氮氧化物转化效率,降低结晶可能性

系统总结

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