中国重汽空气辅助式SCR系统简介

王秋花，高发廷，刘永春，潘飞

（中国重汽集团技术发展中心，山东济南　250002）

中国重汽空气辅助式SCR系统简介

王秋花，高发廷，刘永春，潘飞

（中国重汽集团技术发展中心，山东济南250002）

介绍中国重汽自主研发的空气辅助式SCR尿素喷射系统，阐述其系统结构组成、工作原理及系统使用时的注意事项。

空气辅助；SCR系统；国IV排放；尿素喷射

目前大气污染日益严重，其中柴油动力的汽车是一个重要污染源。为了保护环境，世界各国相继出台了控制汽车尾气排放的相关法规。越来越严格的排放法规使得单纯的机内净化技术很难满足法规要求，必须依靠机外后处理技术予以辅助。目前主要技术路线就是选择性催化还原（SCR），通过向废气内喷射尿素溶液的方法，将废气中的NOx还原为无害的氮气、二氧化碳和水。随着汽车工业的发展，对SCR系统的需求也就越来越大。本文介绍中国重汽研发生产的一款空气辅助式SCR系统。

1　实现国IV排放的技术路线

随着发动机排放法规的日益严格，很多国家都在开发排放控制技术。这些技术基本上可分机内优化措施和排气后处理两类。表1列出了排放控制技术的基本工作原理以及各自的缺点。

从重型柴油机的发展来看，第I阶段一般采用增压技术来满足排放要求，第Ⅱ阶段进行了增压中冷，第Ⅲ阶段引入了电控燃油喷射技术，第Ⅳ阶段需要在上述基础上对排气进行后处理。目前国内均采用选择性催化还原技术（SCR），技术路线如下：优化柴油机的喷油MAP，把颗粒排放降低到某一适中水平，同时允许NOx排放升高，然后再通过选择性催化还原技术把NOx的排放降低。采用这一路线可以同时达到减低颗粒排放、NOx排放以及优化油耗的目的［5］。

2　空气辅助SCR系统的组成及工作原理

中国重汽空气辅助SCR后处理系统由中国重汽完全自主研发，采用选择性催化还原装置（SCR）。该系统可靠性好、成本低，完全符合国Ⅳ／欧Ⅳ排放标准，具备OBDⅡ功能。目前已标配在MC11、MC07、MC05及D10B等发动机机型上。表2为目前中国重汽的主要车系及安装后处理情况。

2.1系统工作原理

SCR系统由催化消声器、尿素泵箱、尿素罐、尿素喷嘴、后处理控制单元（DCU）及相应管路和线束构成，如图1所示。

图1　空气辅助SCR系统原理图

表1　排放控制技术工作原理及特点

表2　中国重型汽车及安装SCR系统情况

2.2SCR系统工作过程

系统上电后，车辆控制单元DCU检测发动机和整车工作状态，根据车辆和发动机电控系统提供的参数，以及氮氧化物传感器提供的数据，判定是否需要SCR系统工作。如果需要SCR系统工作，DCU控制系统开关电磁阀打开，发动机储气筒的压缩空气经减压稳压阀将压力降低并稳定在0.2MPa，经喷射器的外喷口喷入发动机排气管；同时，DCU控制尿素泵抽取尿素溶液，当第一压力传感器检测到蓄能器压力出现上升时，确认尿素管路已充满，可以进入尿素喷射状态。DCU计算当前工况下的尿素需求量，控制尿素泵进行精确计量，向排气管内喷入尿素溶液。工作过程中，后处理控制单元DCU根据排气温度传感器检测的排气温度和氮氧化物传感器检测的排气中氮氧化物NOx浓度，调整喷射量。如果出现NOx浓度超标的情况，则DCU进行报警或限制发动机功率。发动机停止工作后，DCU停止尿素喷射，同时控制管路排空电磁阀打开，压缩空气进入尿素泵入口的负压管路，尿素泵继续工作，将压缩空气泵入尿素泵至尿素喷嘴的压力管路，将尿素泵、尿素压力管、尿素喷嘴中的残余尿素排出，同时在压缩空气的压力作用下，尿素负压管和尿素滤清器中的残余尿素溶液也被压回尿素储存箱，避免尿素低温结冰或结晶，堵塞尿素管路或损坏尿素泵和滤清器。

由于液体尿素在-11℃以下会结晶，因此行驶在寒区的车辆需要加热装置除霜解冻。需要加热的部分分别是尿素箱、尿素管和尿素泵，其中尿素管采用电加热，尿素箱及尿素泵采用发动机冷却液加热。目前加热系统为选配。

2.3系统部件组成

中国重汽空气辅助SCR系统主要由如下部件构成，参照表3。

表3　中国重汽空气辅助SCR系统构成

2.3.1尿素液位温度传感器与尿素泵箱集成式系统

尿素液位温度传感器与尿素泵箱集成式系统包括：尿素溶液泵、尿素压力传感器、气压传感器、减压稳压电磁阀、尿素滤芯、尿素液位温度传感器、冷却水单向阀等部件。SCR尿素喷射系统如图2所示。

图2　SCR尿素喷射系统

2.3.2尿素液位测量及温度探测

尿素液位传感器将液位信号转变为电阻信号，高低不同的液位反馈出不同的电阻，加电后向控制单元传输不同的电流信号，控制单元依此判断实际尿素液位，并直观地显示到仪表上。当尿素液位不高于10%时，仪表板上指示灯会长亮，提示用户及时添加尿素溶液。尿素液位测量及显示如图3所示。

图3　尿素液位测量及显示

2.3.3尿素滤芯可更换设计

如果车辆工作环境恶劣，需要经常更换滤芯。为方便拆装滤芯以及节省成本，尿素泵设计为可从外部更换滤芯的结构，如图4所示。

2.3.4DCU的设计与开发

DCU主要功能是采集各传感器的信号，并根据CAN总线上的发动机工况信息和各传感器信号，控制尿素的喷射时刻和喷射量，控制策略的合理与否直接影响到NOx转化率的高低与氨气泄漏的水平。还可以对整个系统进行实时诊断，对系统出现的不同状态做出及时反应，实现车载诊断（OBD）功能。

DCU硬件设计包括电源模块、单片机接口模块、输出驱动模块、输入信号处理模块、CAN总线通信模块，其系统框图如图5所示。

图4　从外部更换滤芯的设计

图5　DCU硬件系统框图

3　系统安装要求

3.1DCU安装要求

DCU外形尺寸为181mm×123mm×57 mm，工作环境温度为-40～85℃，防护等级为IP67，其外观如图6所示。

3.1.1散热要求

DCU在正常工作过程中会产生一定的热量，必须通过传导、对流以及辐射等方式将热量散发出去，以保证DCU的工作温度处于合理的范围内。因此，DCU的布置必须合理，保证散热良好，注意事项如下。

图6　后处理控制单元DCU及缺口示意图

1）DCU布置应通风良好，且附近有一定的空间（建议有100mm以上的距离），以利于DCU散热。

2）严禁DCU被隔热材料包裹，或布置在密闭空间内。

3）DCU一定要避免布置在排气管与增压器等高热源直接辐射范围内。

4）严禁DCU的外壳被灰尘、泥土等污垢覆盖。

3.1.2振动要求

由于发动机周期性旋转运动、变速箱振动以及车身振动等因素，DCU会受到各种频率振动的影响，因此在布置DCU时，应注意以下事项。

1）通过4个固定螺栓固定在尿素箱支架上。

2）应远离振动源，如发动机、起动机以及气泵等。

3）DCU线束在接入前应捆扎和固定牢靠，避免将振动传递到DCU上。

4）正常工作时，DCU的振动频率应小于500Hz。

3.1.3外部环境要求

DCU的布置位置应尽量高而且干燥，注意事项如下。

1）该控制系统满足车载使用要求，使用环境温度为-25～85℃，耐震、耐油、防水。

2）避免接触油、水以及腐蚀性液体，特别是DCU插接件的防护，避免被油、水浸泡。

3）避免油、水等液体在DCU表面，特别是线束插接件表面的附着与残留。

4）DCU的布置位置应远离地面、车轮等容易出现溅水、溅泥、溅石与水雾等地方。

3.1.4安装方向

1）竖直安装，避免油、水等在DCU表面滞留。

2）DCU壳体上“缺口”朝上布置，保证线束插接件的出线位置朝下（图6）。

3）线束接入DCU前应捆扎牢靠。

3.1.5EMC和EMI要求

1）应远离强电磁场或大功率电器，如起动机、发电机等。

2）与起动机等大功率电器的最小距离为50cm。

3）避免线束中未使用的导线接入DCU，从而导致天线效应。

3.2氮氧传感器

NOx传感器用于测量催化器反应后NOx的浓度，其信号用于添蓝喷射的闭环控制和OBD功能。由感应器和控制单元两部分组成，之间的电缆长908mm。感应器安装在催化消声器上设制的安装孔内，扭紧力矩50±10Nm，控制单元安装在附近的车架上。

调整催化消声器的轴向安装角度，尽量使NOx传感器安装孔位于催化消声器的上半圆位置（图7），NOx传感器不能位于催化消声器的最低位置，因为排气中的水蒸气冷凝形成的液态水溅到传感器上或者积液浸泡，都会造成该传感器的损坏。

图7　NOx传感器及安装方向示意

NOx传感器电缆感应器端的最后一个固定点到感应器之间的电缆，要留出安全弯，此部分留长的电缆是为了补偿车辆行走时催化消声器的振动，以免拉断电缆，如图8所示。

图8　NOx传感器电缆留长示意

3.3SCR尿素喷射系统

尿素喷射系统的作用是将尿素溶液按照需求量送到喷嘴，然后喷入排气管。其内部集成尿素溶液泵、集成式空气电磁阀、冷却水电磁阀等功能。外形尺寸为170mm×158mm×192mm（含液位温度传感器为170 mm×158 mm×609 mm），重约2.9 kg，其外观及接口功能如图9所示。其安装要求如下。

1）为空气管、加热管、喷射管和尿素滤芯预留足够的拆装空间。

2）泵外轮廓以外100 mm范围内，不能布置阻止拆装的部件，如图10a所示。

3）尿素滤芯一侧需要留150mm的空间，如图10b所示。

4）为便于泵及传感器在底盘上拆装，需给予泵上方一个拆装空间，如图10c所示。

5）预留空间最小Hmin=225mm。

6）将泵及传感器总成全部拆出，需预留空间H= 525mm。

图9　SCR尿素喷射系统外观及接口功能

图10　尿素滤芯安装要求

3.4尿素喷嘴

尿素喷嘴是一个不锈钢喷射器，安装在排气管的喷嘴底座上，其安装位置及要求如图11所示。

为避免尾气管的热流上升，导致喷射模块额外的热传递，应避免在排气管上旋转角度315°～45°之间（图11d橙色）的范围内安装尿素喷嘴。推荐安装位置在45°～85°之间及275°～315°之间（图11d绿色）的角度范围内。喷嘴定位销要求朝向气流的方向。

3.5排温传感器

排温传感器应布置在SCR催化转化器的上游，将温度传感器固定在排气管的排温传感器座上，具体安装位置及安装示意图见图12。

图11　尿素喷嘴安装位置及要求

图12　排温传感器

4　结束语

中国重汽柴油机性能优异、耐久性好、性价比高，已经在国内柴油机市场形成了品牌优势。目前中国重汽电控高压共轨+空气辅助SCR后处理系统的国Ⅳ柴油机，已开始为整车厂配套。

［1］张永栋.柴油机Urea-SCR尾气处理系统的技术研究［D］.华南理工大学，2011.

［2］周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2005. 253-266.

［3］王贤.改善机车柴油机排放的试验研究［M］.内燃机车，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］刘丙善.Urea-SCR排气后处理系统在重型柴油机中的应用［D］.武汉理工大学，2010.

（编辑心翔）

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，硕士，主要从事柴油机电控系统的开发研究。