某半挂牵引车排气后处理系统故障分析及改进

张鸿刚

摘 要：某6×4型半挂牵引车在使用不到3个月的时间里，多辆车出现排气后处理系统尿素结晶现象，造成发动机后处理系统故障灯常亮，出现发动机限扭情况。针对该问题提出了排气后处理系统优化改进方案，并对优化改进后的车辆进行了跟踪验证。试验结果表明，车辆排气后处理系统未再出现上述现象，用户反馈效果良好，从而验证了改进措施的可行性，对日后设计工作具有指导意义。

关键词：排气后处理系统 结晶 匹配 分析改进

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

排气后处理系统包括尿素箱总成、尿素液管路、尿素供给单元、喷射单元、尿素喷嘴、SCR催化转化器箱、电器线路、温度传感器和排气传感器等。尿素喷嘴按照控制器的指令来进行尿素溶液的喷射，但是因为各种原因排气后处理系统很容易出现堵塞、结晶等现象，一旦系统出现堵塞、结晶后发动机ECU电脑控制系统识别后会报警，形成排氣后处理系统故障，影响车辆运行，降低车辆出勤率。如何有效地避免排气后处理系统堵塞、结晶故障是设计时需重点考虑的问题，排气后处理系统示意图如图1所示。

2 排气后处理故障现象及原因分析

2.1 排气后处理故障现象

某用户团购6×4型半挂牵引车，在使用不到3个月的时间里，用户反映多台车出现排气后处理故障，主要表现为发动机后处理系统故障灯常亮，出现发动机限扭，影响车辆整车运行，经现场检查发现排气管路与SCR催化转化器箱接口法兰处出现尿素泄漏现象，以及SCR催化转化器箱内部出现尿素结晶现象（见图2）。

2.2 排气后处理故障原因分析

2.2.1 排气管路气密性校核

在车辆排气后处理系统的设计、装配时，尿素泵及各尿素管、排气管路等接头、接口处应保证不泄漏，以防止出现尿素结晶现象。所以针对排气管路与SCR催化转化器箱接口法兰处存在尿素泄漏现象，主要对排气管路气密性进行检查、校核。

排气管路与SCR催化转化器箱接口连接方式为V型卡箍加2mm石墨-金属复合垫片（见图3）。

a.检查校核石墨-金属复合垫片，垫片的最大压缩量为0.78mm，最大压缩率39%，满足设计性能要求;

b.校核排气管路连接V型卡箍匹配情况，V型卡箍与SCR催化转化器箱法兰匹配合理。但检查故障车辆使用过的V型卡箍时，发现V型卡箍一侧有明显的挤压痕迹（图4），且挤压侧的V型槽明显向变形外偏，并不是对称的“V”型，这样就造成法兰存在受力不均现象，加上长期存在振动及法兰贴合度不好，容易出现密封问题;

c.校核排气管和法兰装配关系，从图3中可看出排气管法兰及连接处（红圈处）存在台阶和凹槽，对尿素液体有一定阻碍作用，易造成尿素堆积;该区域气体流动性变差，该处温度进一步降低，易产生尿素结晶现象。

2.2.2 尿素喷射单元-喷射泵精度测试

尿素喷射泵的功能是将尿素溶液从尿素箱总成中抽出、加压，同时控制压缩空气的流动，按照后处理控制器（DCU）的指令控制输出尿素的流量，压缩空气和输出的尿素一起从出口流出，通过管路输送到喷嘴，压缩空气的作用是输送尿素并辅助雾化。喷射泵的精度过差，会造成过量喷射尿素溶液而导致尿素泄露和结晶问题发生。现场采用称重法进行测试，测试数据见表1：

从附表一中可看出，尿素喷射泵精度在7.2%～8.9%之间，尿素喷射泵的精度略大，但在允许误差精度范围内，不足以引起尿素喷射泵过量喷射尿素而导致尿素泄露和结晶问题发生。

2.2.3 尿素喷射单元-尿素喷嘴喷射碰壁情况检查校核

为保证尿素溶液在排气管内能够与发动机废气充分混合，应使喷射单元-尿素喷嘴之后到SCR催化转化器箱的排气管直段长度足够长，以保证尿素溶液的雾化和分解效果（图5）。如果直段长度不够，尿素喷嘴喷射尿素溶液后容易和排气管壁发生碰壁现象，造成尿素在排气管内壁沉淀，也造成尿素喷雾温度下降，影响尿素的雾化和分解效果，就会发生尿素喷雾碰壁后沉淀、结晶现象。因此，尿素喷嘴在排气管上的安装位置和安装角度就尤为重要。

a.在常温环境下，对尿素喷嘴尿素喷射距离进行检查校核。经实际测量，尿素喷嘴尿素喷射的贯穿距离约91cm（见图6）。但在高温气体中尿素溶液会进行热解，实际高温工作状态下尿素喷射贯穿距离会缩短;

b.排气后处理系统尿素喷嘴安装位置距离排气管弯头处设计距离280mm（图7）。经校核分析，尿素喷嘴之后直段长度不够，尿素溶液喷束会在排气管内碰壁，喷雾会以液体的状态向下流，在管路末端就会有比较明显的结晶。

3 改进方案制定及试验验证

3.1 改进方案制定

通过以上分析和试验可知，造成排气后处理系统发动机故障灯常亮，出现发动机限扭故障的原因主要有以下两点：

a.尿素喷射单元-尿素喷嘴之后到SCR催化转化器箱的排气管直段长度不够，尿素溶液喷束会在排气管内碰壁，尿素喷雾雾化分解不好，会以液体的状态向下流，在管路末端形成结晶;

b.匹配的排气管路连接V型卡箍强度不足，在车辆长期振动条件下，V型卡箍发生变形，造成排气管路密封性差。

针对上述两点故障分析原因，制定出相应的改进方案：

首先，为了保证车辆在长期振动条件下排气管路连接V型卡箍不发生变形，将V型卡箍优化为不带翻边的加强型V型卡箍，保证整个排气管路的气密性。

其次，将尿素喷射单元-尿素喷嘴位置由原图7所示位置优化到SCR催化转化器箱入口之前位置（图8），以增大尿素喷嘴到SCR催化转化器箱的直段距离，保证尿素溶液的充分雾化和分解效果，避免出现结晶、排放不达标故障，出现发动机后处理系统报故障、限扭问题发生。

3.2 试验验证

改进方案确定后，为充分验证方案的有效性和可靠性，如图9所示，对优化后排气后处理系统进行了SCR催化转化器箱结晶台架试验。

按照结晶试验规范，结晶循环试验是根据实际车辆采集的路谱进行选取135个工况，包括城市路况怠速、加减速，乡村路况、高速路况，单个循环进行340s，不断循环连续进行20h，总共212个循环。结晶试验结果表明，SCR催化转化器箱入口、出口处均无出现结晶现象，尿素喷嘴处喷孔清晰可见，无尿素结晶现象，试验结果合格（图10）。

SCR催化转化器箱结晶台架试验合格后，对用户车辆排气后处理系统按照制定方案进行了优化整改。改进后跟踪用户车辆使用情况6个月，车辆排气后处理系统再未出现上述故障，用户反馈效果良好，故障得到了彻底解决。

4 结论

本文针对某型号6×4型半挂牵引车排气后处理系统批量发生故障现象，通过对排气后处理系统的管路气密性、喷射泵精度、尿素喷嘴喷射碰壁等方面分析校核，得出在设计排气后处理系统时尿素喷嘴的安装位置到SCR催化转化器箱的排气管直段长度一定要足够长，建议≥500mm，另外一定要保證整个排气系统的气密性。按照分析结果对某型6×4半挂牵引车排气后处理系统进行了优化改进，通过结晶台架试验以及用户实车上的验证，证明了分析结果和实际试验结果是相符的，也证明了此结论的正确性，亦对日后的实际设计工作具有一定借鉴指导意义。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2]李兴虎.柴油车排气后处理技术[M].北京：国防工业出版社，2016.