一种混合动力客车SCR排气控制系统的设计

（上海汽车商用车技术中心，上海200438）

一种混合动力客车SCR排气控制系统的设计

朱俏斌，孙磊，董悦航，刘德华

（上海汽车商用车技术中心，上海200438）

混合动力客车可以大幅度降低燃料消耗和污染物排放，NO的催化还原技术是满足未来的超低排放法规的主要技术路径。详细介绍了选择性催化还原（SCR）技术的原理，以及在混合动力客车上的安装运用，经过批量使用，性能可靠，达到了设计要求。

SCR系统排气控制车载诊断

1 前言

随着我国经济向低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式转变，环境保护被提升到前所未有的高度。现代社会，汽车扮演着越来越重要的角色，但同时汽车排放也日益受到了关注。从2009年10月31日后，凡是注册上海牌照的车辆，将实施相关的国Ⅳ排放标准。随着上海世博会的召开，世博园区周边布置达到国Ⅳ标准的混合动力公交车实现低排放。该车通过使用选择性催化还原（SCR）技术，利用尿素溶液对柴油机尾气中的氮氧化合物进行处理。本文对此后处理系统的设计进行了详细介绍。

2 柴油机后处理系统

2.1 柴油机污染的产生

柴油机排气中含有不完全燃烧的产物和燃烧反应的中间产物。这些成分的质量总和在柴油机排气中所占的比例虽然还不到1%，但是它们大部分是有害的，有害成分的比例：NO约占35.4%，CO约占35.3%，HC约占8.54%，PM及SO约占20.76%[1]。柴油机在工作过程的化学反应式：

氮氧化物NO是NO和NO2的统称，它导致了大量的环境问题，包括对对流层臭氧、土壤、水酸化的影响。NO有刺激性气味，大量地吸入会有害于呼吸系统。高效运行的柴油机是通过高温、高压及过量空气充分燃烧而进行的，这一情况导致了氮氧化合物的增加。当然，这一特性也降低了二氧化碳的排放。

2.2 SCR工作原理

SCR是Selective Catalytic Reduction选择性催化还原的英文缩写[2]。SCR系统目前采用的还原剂是尿素。因为氨气是有毒的气体，所以通常使用化学分解反应获得氨气来取代纯氨气。尿素CO(NH2)2加水H2O在高温下分解成氨气NH3和二氧化碳CO2，氨气NH3和排气中的一氧化氮NO和二氧化氮NO2反应产生氮气和水，如图1所示[3]。

图1 SCR化学反应

在发动机整个使用寿命过程中，为防止氨气的泄漏，SCR催化器后设有氨催化器，在这个催化器中NH3与O2反应生成氮气和水：

4NH3+3O2→2N2+6H2O

与原先的国III标准相比，国IV标准要求氮氧化合物的排放下降30%，颗粒物的排放下降80%。在柴油发动机使用SCR技术后，其燃烧效率可保持不变，但可以有效降低氮氧化物和颗粒物的排放[4]。

2.3 SCR系统构成

该混合动力车的SCR系统由催化消声器、计量喷射泵、喷嘴、传感器、添蓝罐、后处理控制单元及相应管路和线束构成[2]，如图2所示。SCR系统用的标准化尿素水溶液（符合DIN 70070），称为添蓝（Adblue）。

后处理控制单元控制整个后处理系统的工作包括传感器信号的处理、添蓝喷射量的计算和各种执行器的控制。后处理控制单元通过CAN总线与发动机ECU通讯，获得发动机的运行参数，再加上催化器温度信号，计算出添蓝的喷射量，添蓝将被先雾化，控制喷嘴喷射适量的添蓝到排气管内，使其与废气在SCR净化器中充分混合。喷射量由计量控制器（DCU,Dosing Control Unit）系统精确控制，以保证在各种运行工况下都可以达到最佳减少排放的效果。喷嘴安装在排气管上，靠不断回流的添蓝冷却，喷嘴的作用是按照后处理控制单元的命令计量并喷射添蓝到发动机排气管内。

图2 SCR系统平面布置

排气系统中的热量，将使得尿素转换成氨水和二氧化碳。氨水是净化过程中的有效物质和关键因素，在催化还原转化器中，它将使氮氧化物转为无害的氮与水蒸汽。当反应温度高于200℃时，这一催化化学反应才能顺利地进行。

3 排气系统的设计

与传统的排气系统相比，采用SCR技术后增加了废气催化还原装置。

3.1 催化消声器

催化消声器是SCR催化器和排气消声器的集成体，其主要作用是催化氮氧化物的还原反应、防止氨气泄漏和降低发动机的排气噪声。整体材料为不锈钢，内装SCR催化器芯和消声管路，运行过程中表面平均温度低于200℃。法兰面接口为入口，连接发动机排气管；光管接口为出口，连接排气尾管。催化器前后设有温度和NO传感器安装孔。该混合动力车配备的是箱式催化消声器，整体重量70 kg，外形尺寸468×363×583（mm），如图3所示。催化消声器支架和车辆大梁的连接使用弹性减震装置，使内部陶瓷催化器芯免受剧烈振动。

催化器内的化学反应依赖于温度（最低180℃），所以催化消声器布置靠近发动机，且排气管包裹保温层。对于公交车辆，经保温处理的排气管路可提高NO的转化效率。

3.2 添蓝喷嘴

喷嘴又称计量模块，其作用是在DCU的控制下将添蓝按照所需要的量成雾状喷到排气管中。喷嘴的主体是一个电磁阀，周围包围着添蓝流道，起到冷却作用，另外上端设有添蓝的进回液口，侧面设有电器接口，外围设有隔热罩。对于非竖直走向的排气管最理想的安装角度是6 0°～7 0°范围。喷嘴允许的安装角度是4 5°～9 0°和2 7 0°～3 1 5°范围。315°～45°热流量大，温度较高，禁止安装。90°～270°位置添蓝容易回落在喷嘴上结晶引起喷嘴堵塞，禁止安装，如图4。

图3 箱型催化消声器

图4 喷嘴安装角度

混合器最好比催化消声器入口高，为了保证更好的混合效果，混合器出口离催化器入口尽量远。混合器要求安装在排气管的直管段，混合器上游150mm和下游200mm范围内不能有弯头和变径，混合器安装位置参见图5，添蓝喷嘴与前后弯角的距离参照表1。如这些条件不能满足，由于弯头或变径引起的紊流会引起混合器位置局部气流流动速度低，从而导致添蓝聚集于此，水分蒸发后造成尿素结晶，进而堵塞排气管，引起发动机严重故障。

图5 混合器安装位置示意图

表1 添蓝喷嘴与前后弯角的距离

3.3 添蓝罐

添蓝罐用于盛装添蓝，该车配备的是容量为27 L的L型添蓝罐，外形尺寸598×431×239（mm），整体材料为塑料。顶部装有传感器和加热器的集成体，接口定义见图6。传感器可感应液面高度和温度。加热器可利用发动机冷却水加热，防止结冰。通气阀用于平衡罐内外气体压力。罐内装有添蓝粗滤器，以防大于0.1mm的大颗粒进入喷射系统。添蓝罐加注口符合DIN 70070标准，与油箱口不同，可防止加错。

图6 混合器安装位置示意图

3.4 计量喷射泵

计量喷射泵的作用是将添蓝按照需求量送到喷嘴，内部集成添蓝泵、滤清器、加热器、DCU。该单元有四个液体接头和DCU电器接头，具体位置见图7。DCU电器接口包括了蓄电池电源接口、点火开关、J1939高、低和屏蔽端子。DCU的CAN接口无终端电阻。

计量喷射泵供液能力为20 kg/h，压力5 kPa。允许的添蓝温度-5～70℃。DCU具有OBD功能，正常运行时，打开钥匙后能听到泵运转时发出的短促的声音。当发动机起动后，内部添蓝泵开始运转，添蓝管道内建立起压力，使管道内压力始终维持在5 kPa，为喷射添蓝做好准备。如果排气温度高于200℃，DCU控制喷嘴喷射添蓝。当起动钥匙关闭后，泵自动倒转30 s，将管道内的残液吸回添蓝罐，避免因添蓝结晶而造成管路堵塞，所以DCU的总电源线不能由点火开关控制。

图7 计量喷射泵接口

计量喷射泵的安装方式有多种，该车采用的安装方式是添蓝喷嘴高于计量喷射泵，见图8。液位的不同点在于连接添蓝喷嘴的压力管的最高点高于罐中添蓝的最高液位。这样布置的优点是断电后能避免添蓝罐至添蓝喷嘴间添蓝的流动。

4 系统OBD功能

OBD（On-Board Diagnostics for vehicle emission control systems），指排放控制用的车载诊断系统，它具有识别可能导致排放超标的故障区域的功能，并以故障代码的方式将该信息储存在电控单元存储器内，同时点亮故障指示灯[5]。

氮氧化物的监控包括：（1）排气中NOx含量的水平；（2）尿素的水平；（3）排放控制监控中出现的问题。

当排放后处理系统的监控被激活后，会发生以下的情况：（1）监控系统会向驾驶员发出“故障信息”，并有警告灯；（2）会有一个“不能自动清除的故障码”；（3）使发动机功率下降。

图8 计量喷射泵布置示意图

当问题解决后，警告灯熄灭，仪表显示屏上的信息也将不再显示。对于属于NOx尾气监控的故障，一旦故障码被激活，就算故障被解决，故障码也不能自动消除，相关故障码会被保存400天。当一个“不能自动清除的故障码”出现时，系统就会自动记录下来，并计算在故障激活后发动机的累计工作时间。这样就可知道，在排放有问题的情况下，发动机累计的运行时间。

当排气后处理系统出现问题，或排放到达或超过一定的限值后，如氮氧化物水平超过7 g/(kW· h)，发动机扭矩会下降40%左右。在功率下降之前，控制灯和警告灯会亮起。

5 结束语

随着国内排放法规要求的提高，SCR在商用车领域的装车率逐步上升[6]。SCR技术中对废气处理的关键是使用添蓝，对于国Ⅳ标准车辆，每升燃料需消耗3%～4%的添蓝，上海的添蓝加注站还比较少，只在部分国Ⅳ公交客车的集中停车场修建。如要推广SCR技术在国Ⅳ机的使用，还需进一步解决添蓝加注站的布局及相应成本等问题。

1王领辉.混合动力客车排放特性分析研究[D].武汉理工大学，2008.

2崔勇.欧IV商用车SCR排气控制系统的设计[J].客车技术与研究，2009(5)：30-33.

3王泽平，任杰，王黎明.客车柴油机排放及其控制技术[J].客车技术与研究，2010(1)：17-19.

4聂彦蠢，李孟良，余乐.混合动力客车与常规车排放对比研究[J].商用车与发动机，2009(30).

5郑颖，刘清.柴油机电控燃油喷射系统的发展及研究现状[J].交通节能与环保，2007(3).

6姚层林，李素华.柴油机电控技术的发展[J].农业装备与车辆工程，2007(7).

A Design of SCR ExhaustControlSystem for Hybrid Electric Bus

Zhu Qiaobin,Sun Lei,Dong Yuehang,Liu Dehua
（CommercialVehicle TechnicalCenterof SAICMotor Ltd.,Co.,Shanghai200438,China）

Hybrid electric vehicles can reduce fuel consumption and pollutantemissions significantly. Catalytic reduction technology of NO is amain technical solution for future ultra-low emission.The theory of selective catalytic reduction(SCR)technology as well as installation and application of the system on hybrid busesare introduced in detail,A batch application shows that the system is reliable andmeetsdesign requirements.

SCRsystem,exhaust emissioncontrol,on-boarddiagnostics

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.002

来稿日期：2010-07-02

朱俏斌（1972-），男，工程师，主要研究方向为新能源动力系统。