客車SCR后處理系統(tǒng)的匹配應(yīng)用

詹可炬

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

前言

當(dāng)前國內(nèi)商用車有兩條尾氣后處理技術(shù)路線：其一是EGR+DPF/DOC(廢氣再循環(huán)系統(tǒng)+顆粒捕集器/氧化型催化轉(zhuǎn)化器)路線，即先通過廢氣再循環(huán)降低燃燒過程中 NOx的生成量，再通過顆粒捕集器捕集因采用EGR技術(shù)而略有增加的顆粒物，同時使用氧化型催化轉(zhuǎn)化器定期再生顆粒捕集器；其二是優(yōu)化燃燒+SCR路線，即是先通過優(yōu)化燃燒降低顆粒物排放，同時允許NOx生成量有所增加，然后通過選擇性催化還原技術(shù)來降低因優(yōu)化燃燒而產(chǎn)生的NOx排放量，從而達到同時降低NOx和PM的效果。因為國內(nèi)油品難達到EGR使用要求，同時尿素低廉，所以目前國內(nèi)客車行業(yè)基本上采用SCR技術(shù)。

1 系統(tǒng)功能及要求

1.1 系統(tǒng)功能

對國四（或歐四）以上（含國四或歐四）發(fā)動機排放出的尾氣進行及外凈化處理，后處理器（EGP）排氣噪聲的降噪處理，以期達到國家（或國際）相關(guān)規(guī)定的整車排放標準，保護大氣環(huán)境及公共環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)要求

1.2.1 滿足一般排氣系統(tǒng)的要求

1.2.1.1 SCR后處理系統(tǒng)方案的選擇需要考慮后處理器（EGP）、尿素罐、尿素泵等部件在整車上的布置是否有足夠的空間。

1.2.1.2 排氣管道的布置與油箱、油管路的距離應(yīng)大于200mm，距離在100mm～200mm時，必須增加隔熱板防護，距離小于100mm時，必須用巖棉類等隔熱材料防護。

1.2.1.3 排氣管道的任何部位(除排氣尾管的排氣口外)都不允許發(fā)生漏氣現(xiàn)象，以防止產(chǎn)生振動的噪聲。

1.2.1.4 后處理器（EGP）進氣管第一段原則上應(yīng)與動力總成固定在一起，以確保增壓器所承受的彎矩不超過發(fā)動機的限值要求。

1.2.1.5 在渦輪增壓器出口和催化消聲器之間應(yīng)使用金屬減震管連接，后處理器（EGP）在整車(車架)上要用軟墊進行支承和固定，一是減緩振動傳遞，二是補償發(fā)動機和后處理器（EGP）之間的相對運動。

1.2.1.6 在布置后處理器時，在滿足系統(tǒng)要求的情況下盡可能保證最大的離地間隙，所有部件均不能超出底盤離去角，以保證車輛的通過性要求。

1.2.2 SCR系統(tǒng)自身特殊要求

1.2.2.1 必須保證SCR系統(tǒng)的電控零部件對應(yīng)發(fā)動機型號是正確的。

1.2.2.2 排氣背壓不能超過發(fā)動機數(shù)據(jù)表中的限值。

1.2.2.3 在尿素存在區(qū)域不能使用黃銅、鋅、銅或者低碳鋼，按照ISO22241-3查看推薦材料。

1.2.2.4 整車制造商必須保證車輛滿足OBD法規(guī)要求。

1.2.2.5 尿素冰點為-11°C，如果車輛行駛在低于-5°C的區(qū)域，整車制造商必須提供對尿素罐和管路加熱的裝置。

1.2.2.6 整車制造商必須保證尿素罐、尿素罐濾網(wǎng)、進液管、回流管、尿素泵和接頭、空氣濾清器、尿素噴嘴、噴射管及接頭等零部件清潔度滿足清潔度要求，具體見表1與表2。

表1 尿素罐內(nèi)部清潔度要求

表2 SCR系統(tǒng)其他部件的清潔度要求

1.2.2.7 尿素罐、計量泵、排氣管噴嘴相對位置布置不影響SCR系統(tǒng)尿素噴射及維修。

1.2.2.8 噴嘴在排氣管路中位置布置保證氣流均勻，尿素與尾氣反應(yīng)徹底，不產(chǎn)生結(jié)晶。

1.2.2.9 噴嘴上游 200mm 處開始一直到下游 EGP 的排氣系統(tǒng)管路必須采用304或439級不銹鋼。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

全文均以康明斯發(fā)動機所匹配的 Emitec系統(tǒng)為例做說明，完整的SCR后處理系統(tǒng)見圖 1，主要包含以下部件：

圖 1 SCR后處理系統(tǒng)組成圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

AdBlue（尿素液）存儲在一個安裝在底盤上的尿素罐中。尿素罐向同樣也安裝在底盤上的定量給料單元(DU)供應(yīng)溶液。DU 由發(fā)動機控制模塊(ECM)控制。DU 使用來自車輛系統(tǒng)的壓縮空氣來產(chǎn)生AdBlue噴霧，通過非常精確的計量和泵送系統(tǒng)輸送到發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)的噴嘴處。噴入排氣中的AdBlue數(shù)量由ECM控制，在任意轉(zhuǎn)速和負載狀況下都能與發(fā)動機的NOx輸出相匹配。當(dāng)與高溫排氣接觸時，水迅速蒸發(fā)，尿素變成氨。氨與NOx在催化器內(nèi)反應(yīng)，這一過程的結(jié)果就是從排氣管中排放出無害的氮氣(N2)和水(H2O)。具體反應(yīng)過程如下：

尿素噴入高溫排氣后分解：NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2

分解后氨與氮氧化物反應(yīng)：NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O 4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O 2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O

3 設(shè)計步驟

3.1 后處理系統(tǒng)關(guān)鍵件的選用

SCR后處理系統(tǒng)已成為國內(nèi)客車國四及以上排放技術(shù)主流路線，因為后處理系統(tǒng)涉及發(fā)動機排放公告，所以SCR后處理系統(tǒng)目前基本隨發(fā)動機廠家供貨。

3.2 后處理器(EGP)布置及固定方式

3.2.1 后處理器構(gòu)成

后處理器(EGP)是一個整體式的催化和消聲裝置（見圖2和圖3），裝在一個密封的不銹鋼外殼或“罐”中。在 EGP 內(nèi)有三個串聯(lián)、獨立的單元，分別是氨擴散器、催化器和消聲裝置。擴散器負責(zé)將氨均勻分散在催化器表面上。催化器進行 NOx 轉(zhuǎn)換的化學(xué)過程，消聲裝置消除排氣系統(tǒng)的噪音。催化器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程依賴于溫度（最低200°C）。

圖2 方桶形后處理器

圖3 圓桶形后處理器

3.2.2 后處理器布置位置

后處理器類似歐三發(fā)動機的排氣消聲器，為減少管路長度，一般布置在與發(fā)動機增壓器同側(cè)，并與周邊系統(tǒng)協(xié)調(diào)考慮。如與進氣系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機布置在同一側(cè)，則要同步設(shè)計，避免空間干涉或拆裝不便。

3.2.3 后處理器固定方式

同體積的后處理器大約是同等傳統(tǒng)消聲器的兩倍重量，重量的增加意味著目前的消聲器安裝系統(tǒng)可能不足以支撐更重的 EGP。因此：

a）一般后處理器固定采用增強的軟墊吊掛式抱箍固定，使其足以承受 EGP 明顯增加的重量。

b）因后處理器是一個封裝總體，抱箍抱后處理器位置盡可能位于EGP圖紙上推薦的位置。

c）EGP 應(yīng)盡可能水平安裝。關(guān)于垂直或其他安裝系統(tǒng)，應(yīng)向發(fā)動機廠家應(yīng)用工程師咨詢。對于垂直安裝的 EGP，其尾部應(yīng)有防雨保護。

3.3 排氣管路設(shè)計、噴嘴位置的確定

3.3.1 排氣管材料選取

因為尿素液具有腐蝕性，而排氣管道是尿素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的重要部位，所以管路材質(zhì)必須選擇耐尿素腐蝕材質(zhì)，如SUS304不銹鋼、中高密度聚乙烯等。

3.3.2 排氣管徑選取

排氣管通徑首先必須大于渦輪機出氣口的通徑，具體的管徑選取可以參照表3。

表3 發(fā)動機排量對應(yīng)排氣管徑（康明斯推薦）

通常情況下，為了降低排氣背壓（此參數(shù)以發(fā)動機廠家提供為準），排氣管路盡量設(shè)計的短一些，并且管徑略微大于前面的推薦值。長度在500-600mm左右最佳。形狀上盡量只采用一個直角彎頭。以便能夠避免不必要的排氣背壓損失。

3.3.3 排氣管走向及噴嘴位置確定

SCR后處理系統(tǒng)工作的好壞，與噴嘴安裝位置有很大關(guān)系，因此噴嘴在排氣管的安裝位置有嚴格的要求，具體如下：

噴嘴上游的直段管長不可小于 100mm，噴嘴下游的直段管長不可小于270mm。噴嘴應(yīng)在管內(nèi)截面最高位置，噴嘴有3個直徑為0.55mm的孔，具有徑向噴霧排列形狀（見圖4 ）。為防止出現(xiàn)尿素結(jié)晶，混合器下游500mm內(nèi)焊縫管道內(nèi)壁一定要光滑平整，不能有高于1mm的突起飛邊，同理，噴嘴與催化器之間不能使用內(nèi)壁凹凸不平的管接頭和金屬軟管。

圖4 噴嘴在排氣管位置示意圖

允許的噴嘴安裝角度（噴嘴絕對不可安裝在下圖顯示的陰影部分），見圖5和圖6。

圖5 水平布置的排氣系統(tǒng)

圖6 垂直布置的排氣系統(tǒng)

3.4 排氣管固定支架的確定

因SCR后處理器噴嘴前后排氣管的直段要求，使排氣管路懸臂較長且彎頭數(shù)量增多，需考慮輔助支撐。一般排氣管輔助支撐都是固定在離渦輪機出氣口附近的缸體上，這樣結(jié)構(gòu)緊湊，且不會出現(xiàn)運動干涉。以下是一種我司典型輔助支撐，圖7，供參考。

圖7 排氣管輔助支撐示意圖

圖8 Emitec泵安裝示意圖

3.5 排氣管路連接的密封性及隔熱降噪

排氣管法蘭之間的密封墊總成一般選擇采用不銹鋼和膨脹石墨材料，不允許采用石棉或其它易被尿素腐蝕的材料。

3.6 計量噴射泵安裝

3.6.1 工作電壓12V或24V。

3.6.2 計量噴射泵必須按照正確的方向固定，如圖8所示，計量噴射泵必須垂直安裝。

3.6.3 發(fā)動機熄火后應(yīng)有延遲電源給尿素泵繼續(xù)供電至少30s，以清除殘留在噴嘴及噴射管中的尿素。

3.6.4 計量噴射泵不能布置在發(fā)動機艙內(nèi)或暴露于溫度超過85°C的區(qū)域，同時不能布置在有可能使尿素超過50℃的區(qū)域。

3.7 尿素罐設(shè)計

3.7.1 尿素罐總成要求

尿素罐總成要求如表4。

表4 尿素罐總成要求

3.7.2 尿素罐布置

尿素罐布置一般有兩種典型布置方案，見圖9。

圖9 尿素罐布置方案示意圖

圖10 Emitec系統(tǒng)尿素罐、計量泵、噴嘴相對位置

3.8 尿素罐、計量泵和噴嘴相對位置的確定

尿素罐、計量泵和噴嘴相對位置布置主要按以下要求：

尿素泵高于尿素罐最低液位的距離最大為1.5m，低于尿素罐最高液位的距離最大為0.5m。二者的相對距離不能超過此范圍要求，因為有可能引起從尿素罐內(nèi)尿素的虹吸。參看下圖10。

3.9 尿素罐、計量泵和噴嘴管路連接及走向布置

圖11 進回液管走向示意圖

圖12 噴液管走向示意圖

尿素罐到計量泵管路不可出現(xiàn)凹陷和回環(huán)，必須是平順的，見圖10。計量泵到噴嘴管路必須是持續(xù)向下的，見圖11。

4 常見問題及糾正措施

SCR后處理器系統(tǒng)最常見的問題就是尿素結(jié)晶，碰到此類問題一般從以下幾個方面入手：

a）排氣管布置不合理，在尿素噴入點后出現(xiàn)局部渦流或者氣體流速較低的區(qū)域，尿素溶液噴霧在此聚集形成濕壁，受熱水份蒸發(fā)，形成結(jié)晶，晶體逐漸長大，堵塞排氣管。

解決方案為：這種情況需要更改排氣管布置及走向。

b）尿素噴射系統(tǒng)故障，噴射霧化不良，尿素不能完全蒸發(fā)分解，而殘留在排氣管壁上出現(xiàn)結(jié)晶，或者大的液滴到達催化劑表面也不能蒸發(fā)分解，在催化劑表面形成結(jié)晶，堵塞催化劑孔道。

解決方案為：這種情況修復(fù)噴射系統(tǒng)即可解決問題。

c）由于運行線路交通復(fù)雜，車輛低速行駛，頻繁停車，造成發(fā)動機運行負荷低，排氣溫度低，再加上外界氣溫低，排氣管壁溫度低，噴出的尿素不容易蒸發(fā)，在排氣管內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)晶。

解決方案為：這種情況可通過排氣管外壁保溫，提高尿素噴射溫度，改變駕駛習(xí)慣等解決問題。

5 結(jié)束語

SCR后處理系統(tǒng)是客車歐四以上（含歐四）發(fā)動機很重要的一個系統(tǒng)，它關(guān)系到發(fā)動機的壽命、整車油耗、尾氣排放等方面。一般來說，依照上述原則和要求來匹配后處理系統(tǒng)，都能滿足使用要求。但因SCR后處理系統(tǒng)的使用還處于初步階段，不可避免產(chǎn)生一些新的問題。筆者總結(jié)的這份資料希望能使大家更了解客車SCR后處理的匹配應(yīng)用，為設(shè)計同行提供幫助。