车用尿素溶液一体化气动供给系统设计.pdf

机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 7期 2 0 1 2年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 7 0 0 4 4 0 2 车用尿素溶液一体化气动供给系统设计 木 邓成林 张 程 庞海龙 资新运 何 中华 黄利平 ’ 军事交通学院， 天津 3 0 0 1 6 1 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 De s i g n o f An I n t e g r a t e d Pn e u ma t i c Su p p l y Sy s t e m o f Ur e a So l u t i o n f or Ve h i c l e D ENG C h e n g l i n ， Z HANG C h e n g 1 , P ANG Ha i - I o n g ， Z I Xi n - y u n ， HE Z h o n g - h u a I , HUANG L i p i n g Mi l i t a ry T r a n s p o r t a t i o n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 1 6 1 ， C h i n a 2 S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f A u t o mo t i v e S a f e t y a n d E n e r g y ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ； 【 摘要】 针对柴油机 U r e a S C R系统需求， 设计开发了一种车用尿素溶液一体化气动供给系统， }该系统集成了尿素溶液的存储、 计量喷射、 雾化等功能。 利用汽车压缩空气作为尿素溶液的驱动力及辅 l助雾化的动力来源， 该供给装置具有结构简单紧凑、 工作可靠、 计量精确等优点。详细分析了系统的组 }成、 工作原理、 设计要求等内容， 阐述了气动式 S C R系统的结构， 制作了 供给系统的样机， 并与重型柴油 l机进行了E S C和E T C联合试验。试验结果表明， 该供给系统能根据柴油机的运转工况， 喷入雾化良 好、 }计量精确的尿素溶液，显著降低排气中的N O x 浓度， 使柴油机排放水平达到国I V法规要求，对实现 l S C R系统国产化具有重要意义。 } 关键词 柴油机； 车用尿素溶液； 供给系统； 设计 l 【 A b s t r a c t 】 A c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t s o f U r e a S C R s y s t e m o n d ie s e l e 嚼n e ， a n i n te g r a t e d p n e u 一 }m at i c s u p p ly s y s t e m ofu r e a s o l u t i o n f o r v e h ic l e is d e v e l o p e d c o v e r i n g th e s t o r a g e ， d o s i n g a n d a t o m iz a t io n of }u r e a s o l u t i o n ． C o m p r e s s e d a i r i s a p p l i e d t o d r i v e i n j e c t i o n of u r e a s o l u t i o n ． T h e c o m p r e s s e d air i s u s e d t h e ；d r i v i n g f o r c e f o r u r e a s o l u t i o n a n d a u x il i a r y a t o m iz i n g p o w e r s o u r c e w i t h s o Tn e a d v a n t a g e s s u c h a s s i m p l e i n }s t r u c t u r e ， r e l i a b l e i n o p e r a t i o n a n d a c c u r at e i n m e asu r e m e n t ． T h e n t h e c o m p o s i t i o n ， p r i n c i p l e and d e s i g n , r e l q u i r e m e n t s ofS C R s y s t e m are a n a l y z e d a n d t h e s t r u c t u r e oft h i s s y s t e m i s e x p o u n d e d ． A fte r w ard s t h e p r o t o 一 }t y p e of t h e s u p p l y i n g s y s t e m i s m a n u f act u r e d , w h i c h s h all c a r r y o u t E S C， E T C t e s t t o g e t h e r w i t hⅡh e a v y l d u t y d i e s e l e n g L n e ． r e s u h s s h o w t h at t h i s s y s te m , c a n s p r a y u r e a s o lu t io n w i t h ， b e t te r at o m iz a t i o n a n d n c c u r a t e d o s i n g acc o r d i n g t o t h e d i e s e l e n g i n e o p e r a t i n g c o n d i t i o n , S 0 t h a t t h e c o n c e n t r ati o n of N O x i n e x 一 } h a u s t g a s i s s ig n ifi c antl y r e d u c e d a n d t h e e m is s io n l e v e l of th e d ie s e l e n g i n e is c o n s i s t e n t w i t h C h i n a I V } r e g u l at i 。 ．I t is i m p 。 r t a n t Co r lo c a l iz a t i 。 n of s c R s y s ￡ e } K e y Wo r d s D i e s e l ； U r e a S o l u t i o n ； S u p p l y S y s t e m； D e s i g n 中图分类号 T H1 2 ， U 4 6 4 ． 1 7 2 文献标识码 A 1引言 选择催化还原 S C R ， S e l e c t i v e C a t a l y t i c R e d u c t i o n 技术是目 前降低柴油机氮氧化物 N O x 排放最为成熟和有效的技术之 ， S C R后处理技术是通过向排气管内喷入还原剂 通常是车用尿素 溶液 ， 将 N O x 转化为无害的氮气 N 和水。在此过程中， 还原剂 经过水解、 热解产生氨气 N H ， ， N H ， 在 S C R催化器的作用下与 排气中N O x反应。车用尿素溶液供给系统是 S C R技术的关键技 术之一，目前国外已有比较成熟的商用车用尿素溶液供给系统， 国内的多数国Ⅳ柴油机引进了这些产品。为了提高 S C R系统的 国产化程度 ， 提出了一种新的技术方案一车用尿素溶液一体化气 动供给系统。 2系统组成与原理 通常情况下柴油车会配备空气压缩机，试验证明空气辅助 式车用尿素溶液供给系统的雾化效果远远高于直喷系统， 而且压 缩空气的消耗量比较小， 不会影响柴油机动力性能和整车制 性 能； 此外， 在重型柴油机的集成与匹配上， 空气辅助喷射系统困其 良好的雾化效果得到广泛应用。 车用尿素溶液一体化气动供给系统主要由气源、储气罐 、 尿素箱、控制部件总成及控制单元组成。控制部件总成主要功 能是产生尿素溶液驱动压力、 在辅助空气和控制单元的作用下 将车用尿素溶液定量喷射进入排气管并雾化。尿素箱内包含尿 素供给单元。车用尿素溶液一体化气动 S C R系统原理图， 如图 1 所示。系统工作时 ， 气源产生的压缩空气进入储气罐， 经过限 压阀调节压力后分为两路， 一路经控制器件总成进入尿素供给 单元， 另一路作为辅助空气进入混合腔。 压缩空气经控制部件总 成进入尿素供给单元， 将其中存储的尿素水溶液压出， 再通过控 制部件总成中的计量阀定量流人混合腔． 与其中的辅助空气混合 后喷人排气管。 ★来稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 2 2 ★基金项 目 国家科技支撑计 1 2 0 1 1 B AG 0 6 B 0 2 第 7期 邓成林等 车用尿素溶液一体化 气动供给 系统设计 4 5 图 1车用尿素溶液一体化气动 S C R系统原理图 控制部件总成结构示意图， 如图 2 所示。当系统不工作时， 尿素供给单元与外界大气环境相通， 尿素溶液自动充满整个单 元。 当系统工作时， 从气源过来的压缩空气分为两路， 一路经限压 阀2调节压力后经二位二通阀进入混合腔； 另一路通过调压阀 1 调节压力后经二位五通阀进入尿素供给单元。 压缩空 混 A 腔 j 气路__ 液路墨 墨 气液混合路 图 2控制部件总成结构示意图 当控制器 D C U 启动后 ， 二位五通电磁阀 1 通道打开， 压 缩空气进入尿素供给单元 此时已充满尿素溶液 ， 使尿素溶液在 气体压力作用下打开与 l 储液腔相连的单向阀，再通过计量阀 按需喷人混合腔中与辅助雾化压缩空气混合， 最后经雾化喷嘴喷 入排气管内。 经过设定的喷射时间后， 二位五通电磁阀2 通道打 开， 压缩空气进入 2 } } 储液腔内， 完成 1 储液腔的所有功能， 同时 1 通道关闭， 1 储液腔将再次与外界环境相通， 腔内的压缩空气 排出， 压力逐渐下降， 尿素箱内的尿素溶液再次注入 1 腔， 直至 充满。 至此两腔交替工作， 实现尿素溶液喷射的连续性和稳定性。 3关键参数设计 由于供给系统是安装在汽车上使用， 而且尿素水溶液具有 腐蚀性， 因此供给系统必须保证密封、 耐腐蚀、 抗震动等要求， 即 汽车在不同工作环境下能够可靠地运行。 由于车载气源压力最高 可达到0 ． 8 5 M P a ， 因此， 液体流经的管路及部件都必须耐压、 耐尿 素腐蚀。在满足基本要求外， 不同部件还有如下要求 1 气源。对于采用压缩空气辅助喷射方式的尿素 S C R供给 系统， 其压缩空气主要是来自汽车上的空气压缩机或者在车上另外 加装的小型气泵； 针对于轻型柴油机， 可以采用柴油机进气或排气 可能需要重新匹配柴油机做为气源。空压机主要用于汽车的制 动， 本系统压缩空气消耗量约为2 0 Um i n 标准状况 ， 对汽车制动几 乎没有影响，因此这种取气方式不仅能满足后处理系统的使用要 求， 而且能够相对提高柴油机能效。 若使用气泵或其他气源， 在保证 雾化效果和计量精度的隋况下， 气源的输出压力应不低于0 ．3 MP a 。 2 尿素供给单元。尿素供给单元主要作用是将尿素溶液从 尿素箱中持续、 稳定地送到计量阀， 即相当于尿素泵的作用。 为降 低耐压器件的生产成本，将该单元的气路压力设计为 0 ． 3 ～ 0 ． 4 MP a 。为了实现连续稳定输送尿素溶液到计量阀， 采用了双储液 腔设计。 储液腔是承压体， 通过卡槽固定在尿素箱底部， 腔体容积 要求能维持最大喷射速率工况下的一定时间尿素溶液消耗量。 采 用的单向阀要求耐尿素腐蚀， 可靠性和耐久性好 ， 对于进液单向 阀的流通面积应比出液单向阀大 3 5 倍。二位五通阀要求采用 可靠性高、 耐久『生 好及耐碱性腐蚀的电磁阀。由于从气源过来的 压缩空气压力约为 0 ． 6 5 ～ 0 ． 8 MP a ， 而本系统只需压力约为 O ． 3 0 ．4 MP a的压缩空气就能实现尿素溶液的输送， 因此， 在二位五 通电磁阀前加装了限压阀。 3 计量阀。尿素计量阎是 S C R尿素供给系统的关键部件。 为了精确控制尿素溶液喷射量， 系统必须采用高速电磁阀对其精 确计量。为此， 采用了精度在 5 ％以内， 响应频率在 5 0 0 Hz 以 上的高速计量电磁阀。 4 辅助喷射单元。该单元的气路压力应限定在 0 ． 1 5 ～ 0 ． 2 MP a 之间。 混合腔应采用耐压、 耐腐蚀材料。 雾化喷嘴是直接安装 在排气管内， 应采用耐高温材料。 5 结构安装布置。由于没有采用尿素泵， 因此系统布置简 单， 如图 1 所示。采用了集成化、 模块化设计 ， 将控制器件与尿素 箱体集成在一起成为一个整体。 在箱体内部， 主要是将储液腔、 单 向阀和连接管路设计成一体， 通过可拆卡槽固定在箱体底部。 4样机生产及系统测试 根据上述分析及条件要求，试制了一套车用尿素溶液一体 化气动供给系统， 如图3所示。 图3车用尿素溶液一体化气动供给系统样机 为了验证该系统对 N O x的转化效率能否达到排放法规要 求， 在对系统进行标定后， 采用设备搭建试验平台并进行 E S C和 E T C试验， 如表 1 所示。 S C R系统与 WD 6 1 5 ．9 6型柴油机联合进行 E S C 、 E T C试验 得到的N O x 排放数据 图略 。可以看出， 该系统能显著降低排气 中的N O x 浓度， 使柴油机排放水平达到国Ⅳ法规要求。 机 械设 计 与制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 第 7期 2 0 1 2年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 7 0 0 4 6 0 3 R B I 技术在起重机零部件失效概率计算中的应用 木 赵 鑫 杨 强 。 祝 国飞 孙 志礼 ’ 东北大学 机械工程与 自动化学院， 沈阳 l 1 0 8 1 9 辽宁省安全科学研究院， 沈阳 1 1 0 0 0 4 T h e A p p l ic a t io n o f R i s k B a s e d I n s p e c t io n RB I t o P a r t s F a il u r e P r o b a b il it y Ca l c u l a t i o n o f Ov e r h e a d Tr a v e l i n g Cr a n e Z H A O X i n 1 , 2 s Y A N G Q i a n g ， Z H U G u o - f e i ， S U N Z h i - l i S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n gA u t o m a t i o n ， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， C h i n a L i a o n i n g A c a d e my o f o f S a f e t y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ， C h i n a ’ 、 ● 一 H 、 I ’ ’ 一 一 ’ 、 一 ’ 、 e一 ’ 呻 、‘ 一 计 ’、 ． 一 N一 “ 州 N 十 ’ 、 ● N t ” H 州 一 ’、 、 ． 斗 ’ 【 摘要】 传统的起重机检验多采用定期检测的方法， 检测周期不合理， 且对高风险设备和关键； 部件的重视不够。参考承压设备R B 1 分析方法， 建立了桥式起重机零部件失效概率求解的R B I 计算{ 模型 重新定义了 起重机失效概率计算公式， 基于系 数修正法建立 起重 机失效概率计算模型， 利用 层i 次分析法计算各因子的权重， 最后采用灰色综合评价法计算修正系 数。 基于风险的起重机零部件失效； 概率计算模型为建立起重机械科学合理的检测策略提供了基础，对起重机械事故预防与安全评估研{ 究具有借鉴意义。 2 关键词 桥式起重机； 基于风险的检测 R B I ； 失效概率； 检测； 灰色综合评价 【 A b s t r a c t 】T h e t r a d i t i o n a l e x a m i n a t i o n of c r t 1．e S ado p t s t h e r o u t in e in s p e c t i n g m e t h o d w h i c h i n - { s p e c t i o n c y c l e i s u n r e a s o n a b l e a n d t a k e s l e s s n o t i c e o n t h e h i g h r i s k e q u i p m e n t s a s w e l l a s t h e i m p o r t a n t 2 p a r ts ．R e f e r r e d t o f a i l u r e p r o b a b i l i t y c o m p u t at i o n m o d e l of p r e s s u r e e q u ip m e n t s o n R B I ， R B I i m p r o v e d { m a t h m o d e l a p p ly in g f o r c al c u lat i o n ofo v e r h e ad t r a v e li n g C r a n e ’ s f ai l u r e p r o b a b i l i ty is b u i h ， t h at is t o r e i d e fi n e t h e f o r m u la oft h e c r a n e ’ s f ai l u r e p r o b abi l i ty , b u i l d 0 c a l c u l at i n g m o d e l ofth e c r a n e ’ s f ai l u r e p r o b 一 2 abi l i ty r e f e r r i n g t o￡ c o ef fi c ie n t c o r r e c t i o n met h o d ， a n d c al c u lat e t h e p e r c e n ta g e of e a c h f a c t o r b y t h e { a n a l y t ic al h i e r ar c h y p r o c e s s ， u n t i l fi n a l ly c al c u l a t e t h e c o r r e c t i o n c o e ffic i e n t a c c o r d i n g t o t h e g r e y c o n 一 2 p r e h e n s i v e e v al u at i o n met h o d ． T h is r e s e ar c h p r o v i d e s a f o u n d at io n f o r t h e a p p l ic a t io n of t h e t e c h n o lo g y of { R B I i n t h e c r a n e s ’ e ami n a t i。 a n d s a l e e s t im a t i。 ； ，n e an w h i l e ， it s mea n i n t f u l f o r t h e f u r t h e r r e s e ar c h in { t h e a c c id e n t a l p r e v e n t io n oft h e C r a n e mec h ani s m s ． 2 K e y Wo r d s O v e r h e a d T r a v e l i n g C r a n e ； R i s k B a s e d I n s p e c t i o n R B I ； F a i l u r e P r o b a b i l i t y ； I n - ． ． 2 望 r e 曼 a l 一 一 一 ～ 一 一 一 一 ⋯ 一一 一 一 一 一 一 ‘ _ 1 h ● ■ 1 、 h t ，“ 0 哺 1 t _ 哺 、 ． 1 } 啼 ● { 、 i ～ i 、 _ 1 n i 、 、 H 小 ⋯ ⋯⋯ ～ ⋯ ～ ⋯ ～ ～ ⋯’ 中图分类号 T H1 2 ， T H 2 1 文献标识码 A 己I 言 果最严重的特种机械设备之一， 国内外每年都因起重作业造成大 起重机械是隐藏危险因数最多 、 发生事故几率最大、 事故后 量的财产损失和人身伤亡事故⋯ 。 其中， 机械传统的检测方法主要 ★ 来稿日期 2 0 1 1 - 0 9 0 6 ★基金项目 “ 十二五” 国家科技支撑计划资助项目 2 0 1 1 B A K 0 6 B 0 5 ， 质检公益性行业科研专 2 0 1 0 1 0 0 6 0 表 1试验的主要设备 5结束语 车用尿素溶液一体化气动供给系统能够实现尿素溶液的精确 输送及较好的喷射雾化， 系统设计结构简单、 工作可靠， 其最主要的 特点是能降低后处理系统的制造成本， 便于推广应用。主要结论如 下 1 分析了气动式 S C R系统的组成、 工作原理； 2 研究了气动 式S C R系统的设计要求， 提出了关键部件的设计要求及设计指 标； 3 设计了气动式 S C R系统样机 ， 并与WD 6 1 5 ． 9 6型柴油机进 行了联合试验。 E S C和E T C试验结果表明， 气动式 S C R系统能显 著降低排气中的 N O x 浓度， 使柴油机达到国Ⅳ法规要求。 参考文献 [ 1 ] T i m o t h y V ， J o h n s o n ．D i e s e l E m i s s i o n C o n t r o l i n R e v i e w [ C ] ．S A E 2 0 0 6 - 0 1 0 o 3 0 ． [ 2 ] 楼狄明， 马滨， 谭丕强．后处理技术降低柴油机 N O x 排放的研究进展 [ J ] ． ， j 、 型内燃机与摩托车 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 7 O _ 7 4 ． [ 3 ] 路甬祥．液压气动技术手册[ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 徐灏主编．机械设计手册 第 5 卷[ M] ／ ／ 气动传动． 北京 机械工业出版 社 ． 1 9 9 1 ． 【 5 ] 左健民．液压与气压传动[ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． [ 6 ] 张春润． 柴油机 U r e a 一 一 S C R还原剂供给系统国外研究现状[ J ] _ 内燃机， 2 0 1 l 5 1 ．