中國重汽空氣輔助式SCR系統簡介

王秋花，高發廷，劉永春，潘飛

（中國重汽集團技術發展中心，山東濟南　250002）

中國重汽空氣輔助式SCR系統簡介

王秋花，高發廷，劉永春，潘飛

（中國重汽集團技術發展中心，山東濟南250002）

介紹中國重汽自主研發的空氣輔助式SCR尿素噴射系統，闡述其系統結構組成、工作原理及系統使用時的注意事項。

空氣輔助；SCR系統；國IV排放；尿素噴射

目前大氣污染日益嚴重，其中柴油動力的汽車是一個重要污染源。為了保護環境，世界各國相繼出臺了控制汽車尾氣排放的相關法規。越來越嚴格的排放法規使得單純的機內凈化技術很難滿足法規要求，必須依靠機外后處理技術予以輔助。目前主要技術路線就是選擇性催化還原（SCR），通過向廢氣內噴射尿素溶液的方法，將廢氣中的NOx還原為無害的氮氣、二氧化碳和水。隨著汽車工業的發展，對SCR系統的需求也就越來越大。本文介紹中國重汽研發生產的一款空氣輔助式SCR系統。

1　實現國IV排放的技術路線

隨著發動機排放法規的日益嚴格，很多國家都在開發排放控制技術。這些技術基本上可分機內優化措施和排氣后處理兩類。表1列出了排放控制技術的基本工作原理以及各自的缺點。

從重型柴油機的發展來看，第I階段一般采用增壓技術來滿足排放要求，第Ⅱ階段進行了增壓中冷，第Ⅲ階段引入了電控燃油噴射技術，第Ⅳ階段需要在上述基礎上對排氣進行后處理。目前國內均采用選擇性催化還原技術（SCR），技術路線如下：優化柴油機的噴油MAP，把顆粒排放降低到某一適中水平，同時允許NOx排放升高，然后再通過選擇性催化還原技術把NOx的排放降低。采用這一路線可以同時達到減低顆粒排放、NOx排放以及優化油耗的目的［5］。

2　空氣輔助SCR系統的組成及工作原理

中國重汽空氣輔助SCR后處理系統由中國重汽完全自主研發，采用選擇性催化還原裝置（SCR）。該系統可靠性好、成本低，完全符合國Ⅳ／歐Ⅳ排放標準，具備OBDⅡ功能。目前已標配在MC11、MC07、MC05及D10B等發動機機型上。表2為目前中國重汽的主要車系及安裝后處理情況。

2.1系統工作原理

SCR系統由催化消聲器、尿素泵箱、尿素罐、尿素噴嘴、后處理控制單元（DCU）及相應管路和線束構成，如圖1所示。

圖1　空氣輔助SCR系統原理圖

表1　排放控制技術工作原理及特點

表2　中國重型汽車及安裝SCR系統情況

2.2SCR系統工作過程

系統上電后，車輛控制單元DCU檢測發動機和整車工作狀態，根據車輛和發動機電控系統提供的參數，以及氮氧化物傳感器提供的數據，判定是否需要SCR系統工作。如果需要SCR系統工作，DCU控制系統開關電磁閥打開，發動機儲氣筒的壓縮空氣經減壓穩壓閥將壓力降低并穩定在0.2MPa，經噴射器的外噴口噴入發動機排氣管；同時，DCU控制尿素泵抽取尿素溶液，當第一壓力傳感器檢測到蓄能器壓力出現上升時，確認尿素管路已充滿，可以進入尿素噴射狀態。DCU計算當前工況下的尿素需求量，控制尿素泵進行精確計量，向排氣管內噴入尿素溶液。工作過程中，后處理控制單元DCU根據排氣溫度傳感器檢測的排氣溫度和氮氧化物傳感器檢測的排氣中氮氧化物NOx濃度，調整噴射量。如果出現NOx濃度超標的情況，則DCU進行報警或限制發動機功率。發動機停止工作后，DCU停止尿素噴射，同時控制管路排空電磁閥打開，壓縮空氣進入尿素泵入口的負壓管路，尿素泵繼續工作，將壓縮空氣泵入尿素泵至尿素噴嘴的壓力管路，將尿素泵、尿素壓力管、尿素噴嘴中的殘余尿素排出，同時在壓縮空氣的壓力作用下，尿素負壓管和尿素濾清器中的殘余尿素溶液也被壓回尿素儲存箱，避免尿素低溫結冰或結晶，堵塞尿素管路或損壞尿素泵和濾清器。

由于液體尿素在-11℃以下會結晶，因此行駛在寒區的車輛需要加熱裝置除霜解凍。需要加熱的部分分別是尿素箱、尿素管和尿素泵，其中尿素管采用電加熱，尿素箱及尿素泵采用發動機冷卻液加熱。目前加熱系統為選配。

2.3系統部件組成

中國重汽空氣輔助SCR系統主要由如下部件構成，參照表3。

表3　中國重汽空氣輔助SCR系統構成

2.3.1尿素液位溫度傳感器與尿素泵箱集成式系統

尿素液位溫度傳感器與尿素泵箱集成式系統包括：尿素溶液泵、尿素壓力傳感器、氣壓傳感器、減壓穩壓電磁閥、尿素濾芯、尿素液位溫度傳感器、冷卻水單向閥等部件。SCR尿素噴射系統如圖2所示。

圖2　SCR尿素噴射系統

2.3.2尿素液位測量及溫度探測

尿素液位傳感器將液位信號轉變為電阻信號，高低不同的液位反饋出不同的電阻，加電后向控制單元傳輸不同的電流信號，控制單元依此判斷實際尿素液位，并直觀地顯示到儀表上。當尿素液位不高于10%時，儀表板上指示燈會長亮，提示用戶及時添加尿素溶液。尿素液位測量及顯示如圖3所示。

圖3　尿素液位測量及顯示

2.3.3尿素濾芯可更換設計

如果車輛工作環境惡劣，需要經常更換濾芯。為方便拆裝濾芯以及節省成本，尿素泵設計為可從外部更換濾芯的結構，如圖4所示。

2.3.4DCU的設計與開發

DCU主要功能是采集各傳感器的信號，并根據CAN總線上的發動機工況信息和各傳感器信號，控制尿素的噴射時刻和噴射量，控制策略的合理與否直接影響到NOx轉化率的高低與氨氣泄漏的水平。還可以對整個系統進行實時診斷，對系統出現的不同狀態做出及時反應，實現車載診斷（OBD）功能。

DCU硬件設計包括電源模塊、單片機接口模塊、輸出驅動模塊、輸入信號處理模塊、CAN總線通信模塊，其系統框圖如圖5所示。

圖4　從外部更換濾芯的設計

圖5　DCU硬件系統框圖

3　系統安裝要求

3.1DCU安裝要求

DCU外形尺寸為181mm×123mm×57 mm，工作環境溫度為-40～85℃，防護等級為IP67，其外觀如圖6所示。

3.1.1散熱要求

DCU在正常工作過程中會產生一定的熱量，必須通過傳導、對流以及輻射等方式將熱量散發出去，以保證DCU的工作溫度處于合理的范圍內。因此，DCU的布置必須合理，保證散熱良好，注意事項如下。

圖6　后處理控制單元DCU及缺口示意圖

1）DCU布置應通風良好，且附近有一定的空間（建議有100mm以上的距離），以利于DCU散熱。

2）嚴禁DCU被隔熱材料包裹，或布置在密閉空間內。

3）DCU一定要避免布置在排氣管與增壓器等高熱源直接輻射范圍內。

4）嚴禁DCU的外殼被灰塵、泥土等污垢覆蓋。

3.1.2振動要求

由于發動機周期性旋轉運動、變速箱振動以及車身振動等因素，DCU會受到各種頻率振動的影響，因此在布置DCU時，應注意以下事項。

1）通過4個固定螺栓固定在尿素箱支架上。

2）應遠離振動源，如發動機、起動機以及氣泵等。

3）DCU線束在接入前應捆扎和固定牢靠，避免將振動傳遞到DCU上。

4）正常工作時，DCU的振動頻率應小于500Hz。

3.1.3外部環境要求

DCU的布置位置應盡量高而且干燥，注意事項如下。

1）該控制系統滿足車載使用要求，使用環境溫度為-25～85℃，耐震、耐油、防水。

2）避免接觸油、水以及腐蝕性液體，特別是DCU插接件的防護，避免被油、水浸泡。

3）避免油、水等液體在DCU表面，特別是線束插接件表面的附著與殘留。

4）DCU的布置位置應遠離地面、車輪等容易出現濺水、濺泥、濺石與水霧等地方。

3.1.4安裝方向

1）豎直安裝，避免油、水等在DCU表面滯留。

2）DCU殼體上“缺口”朝上布置，保證線束插接件的出線位置朝下（圖6）。

3）線束接入DCU前應捆扎牢靠。

3.1.5EMC和EMI要求

1）應遠離強電磁場或大功率電器，如起動機、發電機等。

2）與起動機等大功率電器的最小距離為50cm。

3）避免線束中未使用的導線接入DCU，從而導致天線效應。

3.2氮氧傳感器

NOx傳感器用于測量催化器反應后NOx的濃度，其信號用于添藍噴射的閉環控制和OBD功能。由感應器和控制單元兩部分組成，之間的電纜長908mm。感應器安裝在催化消聲器上設制的安裝孔內，扭緊力矩50±10Nm，控制單元安裝在附近的車架上。

調整催化消聲器的軸向安裝角度，盡量使NOx傳感器安裝孔位于催化消聲器的上半圓位置（圖7），NOx傳感器不能位于催化消聲器的最低位置，因為排氣中的水蒸氣冷凝形成的液態水濺到傳感器上或者積液浸泡，都會造成該傳感器的損壞。

圖7　NOx傳感器及安裝方向示意

NOx傳感器電纜感應器端的最后一個固定點到感應器之間的電纜，要留出安全彎，此部分留長的電纜是為了補償車輛行走時催化消聲器的振動，以免拉斷電纜，如圖8所示。

圖8　NOx傳感器電纜留長示意

3.3SCR尿素噴射系統

尿素噴射系統的作用是將尿素溶液按照需求量送到噴嘴，然后噴入排氣管。其內部集成尿素溶液泵、集成式空氣電磁閥、冷卻水電磁閥等功能。外形尺寸為170mm×158mm×192mm（含液位溫度傳感器為170 mm×158 mm×609 mm），重約2.9 kg，其外觀及接口功能如圖9所示。其安裝要求如下。

1）為空氣管、加熱管、噴射管和尿素濾芯預留足夠的拆裝空間。

2）泵外輪廓以外100 mm范圍內，不能布置阻止拆裝的部件，如圖10a所示。

3）尿素濾芯一側需要留150mm的空間，如圖10b所示。

4）為便于泵及傳感器在底盤上拆裝，需給予泵上方一個拆裝空間，如圖10c所示。

5）預留空間最小Hmin=225mm。

6）將泵及傳感器總成全部拆出，需預留空間H= 525mm。

圖9　SCR尿素噴射系統外觀及接口功能

圖10　尿素濾芯安裝要求

3.4尿素噴嘴

尿素噴嘴是一個不銹鋼噴射器，安裝在排氣管的噴嘴底座上，其安裝位置及要求如圖11所示。

為避免尾氣管的熱流上升，導致噴射模塊額外的熱傳遞，應避免在排氣管上旋轉角度315°～45°之間（圖11d橙色）的范圍內安裝尿素噴嘴。推薦安裝位置在45°～85°之間及275°～315°之間（圖11d綠色）的角度范圍內。噴嘴定位銷要求朝向氣流的方向。

3.5排溫傳感器

排溫傳感器應布置在SCR催化轉化器的上游，將溫度傳感器固定在排氣管的排溫傳感器座上，具體安裝位置及安裝示意圖見圖12。

圖11　尿素噴嘴安裝位置及要求

圖12　排溫傳感器

4　結束語

中國重汽柴油機性能優異、耐久性好、性價比高，已經在國內柴油機市場形成了品牌優勢。目前中國重汽電控高壓共軌+空氣輔助SCR后處理系統的國Ⅳ柴油機，已開始為整車廠配套。

［1］張永棟.柴油機Urea-SCR尾氣處理系統的技術研究［D］.華南理工大學，2011.

［2］周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，2005. 253-266.

［3］王賢.改善機車柴油機排放的試驗研究［M］.內燃機車，2006（386）：1-5.

［4］N.Hakim，J.Hoelzer，Y.Liu.NOx Absorbers for Heavy Duty Truck Engines Testing and Simulation.Daimler-Chrysler.1-28.

［5］劉丙善.Urea-SCR排氣后處理系統在重型柴油機中的應用［D］.武漢理工大學，2010.

（編輯心翔）

Introduction of CNHTC Air-assisted SCR System

WANG Qiu-hua，GAO Fa-ting，LIU Yong-chun，PAN Fei
（China National Heavy Duty Truck Group R&D Centre，Jinan 250002，China）

This paper introduces an air-assisted SCR urea injection system that is independently developed by CNHTC，demonstrates its system structure components，working principals and using instruction.

air-assisted；SCR system；national standard level IV emission；urea injection

U463.6

B

1003-8639（2016）07-0011-05

2015-11-30；

2015-12-14

王秋花（1984-），女，碩士，主要從事柴油機電控系統的開發研究。