某半掛牽引車排氣后處理系統故障分析及改進

張鴻剛

摘 要：某6×4型半掛牽引車在使用不到3個月的時間里，多輛車出現排氣后處理系統尿素結晶現象，造成發動機后處理系統故障燈常亮，出現發動機限扭情況。針對該問題提出了排氣后處理系統優化改進方案，并對優化改進后的車輛進行了跟蹤驗證。試驗結果表明，車輛排氣后處理系統未再出現上述現象，用戶反饋效果良好，從而驗證了改進措施的可行性，對日后設計工作具有指導意義。

關鍵詞：排氣后處理系統 結晶 匹配 分析改進

Analysis and improvement of exhaust reprocessing system of a truck tractor

Zhang Honggang

Abstract：A model of 6×4 truck tractor in the use of less than three months time， urea crystallization occurred with exhaust reprocessing system in many tractors，resulting in engine torque limitation.Aiming at this problem，the optimization and improvement scheme of exhaust reprocessing system is put forward，and the tractor verification of the optimized and improved tractors have carried out.The test result show that exhaust reprocessing system of the vehicle has not been any such urea crystallization phenomenon， the user feedback effect is good， so as to verify the feasibility of the improvement measures， and has a guiding significance for the future design work.

Key words：exhaust reprocessing system， crystallization; matching， analysis and improvement

1 前言

排氣后處理系統包括尿素箱總成、尿素液管路、尿素供給單元、噴射單元、尿素噴嘴、SCR催化轉化器箱、電器線路、溫度傳感器和排氣傳感器等。尿素噴嘴按照控制器的指令來進行尿素溶液的噴射，但是因為各種原因排氣后處理系統很容易出現堵塞、結晶等現象，一旦系統出現堵塞、結晶后發動機ECU電腦控制系統識別后會報警，形成排氣后處理系統故障，影響車輛運行，降低車輛出勤率。如何有效地避免排氣后處理系統堵塞、結晶故障是設計時需重點考慮的問題，排氣后處理系統示意圖如圖1所示。

2 排氣后處理故障現象及原因分析

2.1 排氣后處理故障現象

某用戶團購6×4型半掛牽引車，在使用不到3個月的時間里，用戶反映多臺車出現排氣后處理故障，主要表現為發動機后處理系統故障燈常亮，出現發動機限扭，影響車輛整車運行，經現場檢查發現排氣管路與SCR催化轉化器箱接口法蘭處出現尿素泄漏現象，以及SCR催化轉化器箱內部出現尿素結晶現象（見圖2）。

2.2 排氣后處理故障原因分析

2.2.1 排氣管路氣密性校核

在車輛排氣后處理系統的設計、裝配時，尿素泵及各尿素管、排氣管路等接頭、接口處應保證不泄漏，以防止出現尿素結晶現象。所以針對排氣管路與SCR催化轉化器箱接口法蘭處存在尿素泄漏現象，主要對排氣管路氣密性進行檢查、校核。

排氣管路與SCR催化轉化器箱接口連接方式為V型卡箍加2mm石墨-金屬復合墊片（見圖3）。

a.檢查校核石墨-金屬復合墊片，墊片的最大壓縮量為0.78mm，最大壓縮率39%，滿足設計性能要求;

b.校核排氣管路連接V型卡箍匹配情況，V型卡箍與SCR催化轉化器箱法蘭匹配合理。但檢查故障車輛使用過的V型卡箍時，發現V型卡箍一側有明顯的擠壓痕跡（圖4），且擠壓側的V型槽明顯向變形外偏，并不是對稱的“V”型，這樣就造成法蘭存在受力不均現象，加上長期存在振動及法蘭貼合度不好，容易出現密封問題;

c.校核排氣管和法蘭裝配關系，從圖3中可看出排氣管法蘭及連接處（紅圈處）存在臺階和凹槽，對尿素液體有一定阻礙作用，易造成尿素堆積;該區域氣體流動性變差，該處溫度進一步降低，易產生尿素結晶現象。

2.2.2 尿素噴射單元-噴射泵精度測試

尿素噴射泵的功能是將尿素溶液從尿素箱總成中抽出、加壓，同時控制壓縮空氣的流動，按照后處理控制器（DCU）的指令控制輸出尿素的流量，壓縮空氣和輸出的尿素一起從出口流出，通過管路輸送到噴嘴，壓縮空氣的作用是輸送尿素并輔助霧化。噴射泵的精度過差，會造成過量噴射尿素溶液而導致尿素泄露和結晶問題發生。現場采用稱重法進行測試，測試數據見表1：

從附表一中可看出，尿素噴射泵精度在7.2%～8.9%之間，尿素噴射泵的精度略大，但在允許誤差精度范圍內，不足以引起尿素噴射泵過量噴射尿素而導致尿素泄露和結晶問題發生。

2.2.3 尿素噴射單元-尿素噴嘴噴射碰壁情況檢查校核

為保證尿素溶液在排氣管內能夠與發動機廢氣充分混合，應使噴射單元-尿素噴嘴之后到SCR催化轉化器箱的排氣管直段長度足夠長，以保證尿素溶液的霧化和分解效果（圖5）。如果直段長度不夠，尿素噴嘴噴射尿素溶液后容易和排氣管壁發生碰壁現象，造成尿素在排氣管內壁沉淀，也造成尿素噴霧溫度下降，影響尿素的霧化和分解效果，就會發生尿素噴霧碰壁后沉淀、結晶現象。因此，尿素噴嘴在排氣管上的安裝位置和安裝角度就尤為重要。

a.在常溫環境下，對尿素噴嘴尿素噴射距離進行檢查校核。經實際測量，尿素噴嘴尿素噴射的貫穿距離約91cm（見圖6）。但在高溫氣體中尿素溶液會進行熱解，實際高溫工作狀態下尿素噴射貫穿距離會縮短;

b.排氣后處理系統尿素噴嘴安裝位置距離排氣管彎頭處設計距離280mm（圖7）。經校核分析，尿素噴嘴之后直段長度不夠，尿素溶液噴束會在排氣管內碰壁，噴霧會以液體的狀態向下流，在管路末端就會有比較明顯的結晶。

3 改進方案制定及試驗驗證

3.1 改進方案制定

通過以上分析和試驗可知，造成排氣后處理系統發動機故障燈常亮，出現發動機限扭故障的原因主要有以下兩點：

a.尿素噴射單元-尿素噴嘴之后到SCR催化轉化器箱的排氣管直段長度不夠，尿素溶液噴束會在排氣管內碰壁，尿素噴霧霧化分解不好，會以液體的狀態向下流，在管路末端形成結晶;

b.匹配的排氣管路連接V型卡箍強度不足，在車輛長期振動條件下，V型卡箍發生變形，造成排氣管路密封性差。

針對上述兩點故障分析原因，制定出相應的改進方案：

首先，為了保證車輛在長期振動條件下排氣管路連接V型卡箍不發生變形，將V型卡箍優化為不帶翻邊的加強型V型卡箍，保證整個排氣管路的氣密性。

其次，將尿素噴射單元-尿素噴嘴位置由原圖7所示位置優化到SCR催化轉化器箱入口之前位置（圖8），以增大尿素噴嘴到SCR催化轉化器箱的直段距離，保證尿素溶液的充分霧化和分解效果，避免出現結晶、排放不達標故障，出現發動機后處理系統報故障、限扭問題發生。

3.2 試驗驗證

改進方案確定后，為充分驗證方案的有效性和可靠性，如圖9所示，對優化后排氣后處理系統進行了SCR催化轉化器箱結晶臺架試驗。

按照結晶試驗規范，結晶循環試驗是根據實際車輛采集的路譜進行選取135個工況，包括城市路況怠速、加減速，鄉村路況、高速路況，單個循環進行340s，不斷循環連續進行20h，總共212個循環。結晶試驗結果表明，SCR催化轉化器箱入口、出口處均無出現結晶現象，尿素噴嘴處噴孔清晰可見，無尿素結晶現象，試驗結果合格（圖10）。

SCR催化轉化器箱結晶臺架試驗合格后，對用戶車輛排氣后處理系統按照制定方案進行了優化整改。改進后跟蹤用戶車輛使用情況6個月，車輛排氣后處理系統再未出現上述故障，用戶反饋效果良好，故障得到了徹底解決。

4 結論

本文針對某型號6×4型半掛牽引車排氣后處理系統批量發生故障現象，通過對排氣后處理系統的管路氣密性、噴射泵精度、尿素噴嘴噴射碰壁等方面分析校核，得出在設計排氣后處理系統時尿素噴嘴的安裝位置到SCR催化轉化器箱的排氣管直段長度一定要足夠長，建議≥500mm，另外一定要保證整個排氣系統的氣密性。按照分析結果對某型6×4半掛牽引車排氣后處理系統進行了優化改進，通過結晶臺架試驗以及用戶實車上的驗證，證明了分析結果和實際試驗結果是相符的，也證明了此結論的正確性，亦對日后的實際設計工作具有一定借鑒指導意義。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[2]李興虎.柴油車排氣后處理技術[M].北京：國防工業出版社，2016.