重型車輛SCR系統(tǒng)原理與常見故障

摘?要：隨著國Ⅴ排放標準頒布執(zhí)行，重型車輛氮氧化物排放量，較國Ⅳ排放標準需降低43%。降低氮氧化物排放量技術(shù)裝置是SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原處理系統(tǒng)，SCR已成為重型車輛的標準配置。針對上述原因，分析介紹SCR系統(tǒng)原理、組成、工作過程、常見故障及原因。

關(guān)鍵詞：SCR結(jié)構(gòu);SCR工作過程; SCR故障

中圖分類號：U472?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.033

作者簡介：徐立平（1981-），男， 黑龍江大慶人 ，碩士，副教授，研究方向：液壓與汽車電控技術(shù)。

1?重型車輛SCR系統(tǒng)原理

重型車輛要求運行經(jīng)濟性好，因此大部分重型車輛使用柴油機做為動力源。柴油燃燒生成二氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、顆粒、一氧化碳等。二氧化碳沒有排放量控制要求，但二氧化碳過量會產(chǎn)生溫室效應(yīng)。國家法規(guī)要求控制氮氧化合物、碳氫化合物、顆粒、一氧化碳排放量。SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原處理系統(tǒng)，主要用于降低氮氧化合物排放量。

SCR系統(tǒng)工作原理是在催化劑作用下，氨氣（NH3）優(yōu)先選擇與尾氣中的氮氧化合物（NOX）發(fā)生反應(yīng)，生成氮氣和水，而不是和氧氣發(fā)生反應(yīng)。氨氣（NH3）是有強烈刺激性氣味的無色氣體，存儲運輸不便，工程實踐中，車輛存儲還原劑為尿素和水的溶液，尿素在壓力作用下噴入排氣管，霧化尿素遇熱分解，生成氨氣，參與反應(yīng)。SCR基本化學反應(yīng)原理如下：

2?重型車輛SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

重型車輛SCR系統(tǒng)由還原劑、還原劑箱、管路、混合裝置、液位傳感器、溫度傳感器、氮氧化合物傳感器、催化轉(zhuǎn)化消音器、SCR控制單元等組成，見圖1為SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.1?還原劑

還原劑由質(zhì)量分數(shù)32.5%尿素和質(zhì)量分數(shù)77.5%水組成。純凈的尿素是白色晶體，尿素水溶液無毒。還原劑冰點是-11 ℃，存儲溫度高于50 ℃，將轉(zhuǎn)變成氨氣。還原劑中的尿素干燥后會結(jié)晶，晶體是白色或灰棕色沉積物，晶體鋒利可以割斷密封圈、密封墊。因此在SCR系統(tǒng)工作時，要保持所有管路干凈，防止殘留還原劑中的尿素結(jié)晶。尿素晶體能堵塞管路，晶體在熱水中快速溶解，但是高密度晶體需要刮除，每次要更換新密封圈并徹底干燥，防止結(jié)晶。

還原劑對柴油敏感，極少量柴油混入就會產(chǎn)生故障，還原劑被水稀釋到某一個水平也可以工作，但是消耗量會增加。還原劑的密度可以用密度計檢測尿素質(zhì)量分數(shù)，使用試紙檢測還原劑是否含油。

還原劑用量大約是燃油消耗量的5%，受到發(fā)動機工況、還原劑溫度等因素影響。還原劑溫度低于0 ℃后噴射量逐漸減小，直到-11 ℃停止噴射。根據(jù)還原劑消耗數(shù)量，計算供應(yīng)壓縮空氣數(shù)量，SCR控制單元根據(jù)節(jié)流孔前后壓差計算空氣流量。催化轉(zhuǎn)化器溫度小于200 ℃和500～600 ℃兩個溫度區(qū)間不工作。

2.2?還原劑箱

還原劑箱除存儲還原劑以外，還安裝有溫度傳感器、液位傳感器、初級濾清器、加熱裝置。液位傳感器檢測還原劑的剩余量，剩余量不足時，發(fā)送報警信息給駕駛員，提醒及時加注。加熱裝置給還原劑加熱，防止結(jié)冰。

還原劑箱配備通氣閥管路。還原劑和管路是通過發(fā)動機冷卻液加熱，當環(huán)境溫度在-12～8 ℃之間，并且發(fā)動機工作，冷卻液溫度高于60 ℃時，系統(tǒng)啟動還原劑加熱功能并打開冷卻液閥門，利用冷卻液的熱量加熱還原劑和管路。環(huán)境溫度低時，經(jīng)過反復嘗試仍不能加熱還原劑，系統(tǒng)將產(chǎn)生故障碼。

2.3?還原劑泵

還原劑泵從還原劑箱抽取還原劑，送到噴嘴。

2.4?壓縮空氣控制裝置

壓縮空氣供應(yīng)裝置，使用車輛氣源。SCR控制單元，根據(jù)噴入還原劑數(shù)量，計算出壓縮空氣供應(yīng)量，進而控制空氣電磁閥工作。

2.5?混合裝置

混合裝置將還原劑和壓縮空氣混合，兩者混合的越好，轉(zhuǎn)化效率越高。混合裝置上安裝有電磁閥控制還原劑的噴入量。

2.6?噴嘴

噴嘴將空氣和還原劑的混合物噴入催化轉(zhuǎn)化器之前的排氣管里，還原劑被分解成氨氣和水。噴嘴常見故障是結(jié)晶堵塞，其原因是，噴嘴停止工作時，噴嘴內(nèi)留有還原劑，殘余的熱量使還原劑中的水蒸發(fā)并形成晶體。

2.7?催化消音器

催化消音器具備消音和催化轉(zhuǎn)化兩種功能，由載體、催化劑、消聲器等組成。還原劑從噴嘴噴出霧化后和尾氣混合，在催化消音器內(nèi)的載體上附著的催化劑的作用下，與尾氣中的氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)分解成氮氣和水。若安裝時塑料、石塊等混入，會造成堵塞，引起發(fā)動機排氣背壓過高，動力不足。 排氣管內(nèi)尿素殘留較多，會結(jié)晶堆積在消音器內(nèi)，造成排氣背壓高，進而導致發(fā)動機功率不足。

2.8?氮氧化合物傳感器

氮氧化合物傳感器，安裝在催化轉(zhuǎn)化器后面，用于檢測處理后尾氣中氮氧化合物的含量，實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過CAN網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到SCR控制單元，進而發(fā)送到發(fā)動機控制單元，氮氧化合物傳感器對機油敏感，當尾氣中含有機油時會引起傳感器失效。如果氮氧化合物傳感器檢測到氮氧化物含量在一段時間內(nèi)過高，則控制單元會將發(fā)動機扭矩降低40%。

2.9?排氣溫度傳感器

排氣溫度傳感器用于探測催化消音器溫度，安裝在催化消音器之前。該溫度是系統(tǒng)計算噴射尿素量的依據(jù)。排氣溫度傳感器使用正溫度系數(shù)熱敏電阻， 隨著排氣溫度升高，傳感器電阻變大。

2.10?還原劑液位溫度傳感器

該傳感器安裝在還原劑箱內(nèi)，用以檢測還原劑的溫度和剩余量， 還原劑溫度是加熱系統(tǒng)控制依據(jù)。 還原劑剩余值會通過儀表顯示，以便及時補充和調(diào)整。

3?SCR 系統(tǒng)工作過程

3.1?SCR 系統(tǒng)啟動

SCR 系統(tǒng)接到發(fā)動機啟動指令后，會執(zhí)行啟動程序。SCR控制單元會收集發(fā)動機及SCR 系統(tǒng)的參數(shù)，判斷是否滿足啟動條件。主要檢查以下項目：壓縮空氣壓力值，還原劑罐內(nèi)液位，排氣溫度值，還原劑的溫度，車輛是否處于怠速或發(fā)動機運行在低溫狀態(tài)下。如果還原劑溫度過低，將啟動加熱程序加熱還原劑管路和還原劑箱。

3.2?SCR 系統(tǒng)工作

發(fā)動機ECU根據(jù)噴油量，計算生成的氮氧化合物數(shù)量。發(fā)動機ECU依據(jù)計算出氮氧化合物數(shù)量及通過 SCR 系統(tǒng)各傳感器實時參數(shù)值，計算出供給的還原劑和壓縮空氣的量。SCR 控制單元按照發(fā)動機控制單元的要求，對還原劑和壓縮空氣的供給量進行控制。實現(xiàn)向催化消音器內(nèi)噴射合適數(shù)量空氣和還原劑功能。

氮氧化合物傳感器的值用于調(diào)節(jié)還原劑計量。 如果觸媒轉(zhuǎn)換器下游的排放量低于預計排放量，則將調(diào)低還原劑量。 如果觸媒轉(zhuǎn)換器下游的排放量高于預計排放量，則將調(diào)高還原劑量。

3.3?SCR 系統(tǒng)關(guān)閉程序

發(fā)動機被關(guān)閉并且SCR系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，即管路中有正常壓力還原劑時，SCR 系統(tǒng)會執(zhí)行關(guān)閉程序。

關(guān)閉程序任務(wù)是利用壓縮空氣，排空管路和噴嘴內(nèi)的還原劑，防止還原劑結(jié)冰、結(jié)晶，堵塞SCR系統(tǒng)管路，出現(xiàn)故障。排空路徑是空氣經(jīng)壓縮空氣電磁閥、混合裝置、還原劑排空電磁閥將還原劑吹回到還原劑箱。

4?常見故障及原因

4.1?還原劑管路壓力異常

SCR系統(tǒng)執(zhí)行啟動程序失敗，還原劑泵將停止工作，系統(tǒng)無法建立壓力。重點檢查與啟動程序相關(guān)零件，如：排氣溫度感器、氮氧化合物傳感器、還原劑箱溫度傳感器、還原劑箱液位傳感器、還原劑泵、加熱繼電器、加熱電磁閥、環(huán)境溫度傳感器等。車輛處于低溫環(huán)境時，首先檢查還原劑加熱系統(tǒng)，確保加熱功能正常，及時排除電子部件之間的連接線束存在的故障。

還原劑壓力過低主要原因：管路接頭泄露，初級濾清器、主濾清器堵塞，壓力傳感器異常。

4.2?尾氣中NOx數(shù)值異常

NOx傳感器測量值異?；蚬收蠈е掳l(fā)動機限扭。測量值異常主要原因有：還原劑電磁閥故障（如卡滯，控制單元不能判斷機械故障等），還原劑噴射量偏小，將導致NOx傳感器的測量值偏大。還原劑管路有泄漏，壓力低于正常值，實際還原劑噴射量少，將導致NOx傳感器的測量值偏大。還原劑中尿素含量低，將導致實際噴入尿素量減少，導致NOx傳感器的測量值偏大。

4.3?還原劑結(jié)晶

還原劑噴射超量是結(jié)晶的原因之一，發(fā)動機進氣壓力、發(fā)動機溫度、發(fā)動機進氣量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速是計算還原劑噴射量的依據(jù)，如信號異常，將導致還原劑噴射量相對增加。噴油器故障，如果噴油器實際噴油量比設(shè)定噴油量少，將導致還原劑噴射量的相對偏大。排氣溫度是修正還原劑噴射量條件之一。若還原劑壓力值偏差太大，將引起還原劑噴射量修正偏大，進而導致還原劑噴射過量。還原劑噴嘴若卡死在常開位置，將導致還原劑噴射量大幅超過設(shè)定值，使還原劑噴射過量。還原劑噴射過量尾氣中有氨氣味，原因是還原劑中的尿素分解生成氨氣過多，沒有使用，從尾氣管排出。

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