客车SCR后处理系统的匹配应用

詹可炬

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

前言

当前国内商用车有两条尾气后处理技术路线：其一是EGR+DPF/DOC(废气再循环系统+颗粒捕集器/氧化型催化转化器)路线，即先通过废气再循环降低燃烧过程中 NOx的生成量，再通过颗粒捕集器捕集因采用EGR技术而略有增加的颗粒物，同时使用氧化型催化转化器定期再生颗粒捕集器；其二是优化燃烧+SCR路线，即是先通过优化燃烧降低颗粒物排放，同时允许NOx生成量有所增加，然后通过选择性催化还原技术来降低因优化燃烧而产生的NOx排放量，从而达到同时降低NOx和PM的效果。因为国内油品难达到EGR使用要求，同时尿素低廉，所以目前国内客车行业基本上采用SCR技术。

1 系统功能及要求

1.1 系统功能

对国四（或欧四）以上（含国四或欧四）发动机排放出的尾气进行及外净化处理，后处理器（EGP）排气噪声的降噪处理，以期达到国家（或国际）相关规定的整车排放标准，保护大气环境及公共环境。

1.2 系统要求

1.2.1 满足一般排气系统的要求

1.2.1.1 SCR后处理系统方案的选择需要考虑后处理器（EGP）、尿素罐、尿素泵等部件在整车上的布置是否有足够的空间。

1.2.1.2 排气管道的布置与油箱、油管路的距离应大于200mm，距离在100mm～200mm时，必须增加隔热板防护，距离小于100mm时，必须用岩棉类等隔热材料防护。

1.2.1.3 排气管道的任何部位(除排气尾管的排气口外)都不允许发生漏气现象，以防止产生振动的噪声。

1.2.1.4 后处理器（EGP）进气管第一段原则上应与动力总成固定在一起，以确保增压器所承受的弯矩不超过发动机的限值要求。

1.2.1.5 在涡轮增压器出口和催化消声器之间应使用金属减震管连接，后处理器（EGP）在整车(车架)上要用软垫进行支承和固定，一是减缓振动传递，二是补偿发动机和后处理器（EGP）之间的相对运动。

1.2.1.6 在布置后处理器时，在满足系统要求的情况下尽可能保证最大的离地间隙，所有部件均不能超出底盘离去角，以保证车辆的通过性要求。

1.2.2 SCR系统自身特殊要求

1.2.2.1 必须保证SCR系统的电控零部件对应发动机型号是正确的。

1.2.2.2 排气背压不能超过发动机数据表中的限值。

1.2.2.3 在尿素存在区域不能使用黄铜、锌、铜或者低碳钢，按照ISO22241-3查看推荐材料。

1.2.2.4 整车制造商必须保证车辆满足OBD法规要求。

1.2.2.5 尿素冰点为-11°C，如果车辆行驶在低于-5°C的区域，整车制造商必须提供对尿素罐和管路加热的装置。

1.2.2.6 整车制造商必须保证尿素罐、尿素罐滤网、进液管、回流管、尿素泵和接头、空气滤清器、尿素喷嘴、喷射管及接头等零部件清洁度满足清洁度要求，具体见表1与表2。

表1 尿素罐内部清洁度要求

表2 SCR系统其他部件的清洁度要求

1.2.2.7 尿素罐、计量泵、排气管喷嘴相对位置布置不影响SCR系统尿素喷射及维修。

1.2.2.8 喷嘴在排气管路中位置布置保证气流均匀，尿素与尾气反应彻底，不产生结晶。

1.2.2.9 喷嘴上游 200mm 处开始一直到下游 EGP 的排气系统管路必须采用304或439级不锈钢。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

全文均以康明斯发动机所匹配的 Emitec系统为例做说明，完整的SCR后处理系统见图 1，主要包含以下部件：

图 1 SCR后处理系统组成图

2.2 系统工作原理

AdBlue（尿素液）存储在一个安装在底盘上的尿素罐中。尿素罐向同样也安装在底盘上的定量给料单元(DU)供应溶液。DU 由发动机控制模块(ECM)控制。DU 使用来自车辆系统的压缩空气来产生AdBlue喷雾，通过非常精确的计量和泵送系统输送到发动机排气系统内的喷嘴处。喷入排气中的AdBlue数量由ECM控制，在任意转速和负载状况下都能与发动机的NOx输出相匹配。当与高温排气接触时，水迅速蒸发，尿素变成氨。氨与NOx在催化器内反应，这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的氮气(N2)和水(H2O)。具体反应过程如下：

尿素喷入高温排气后分解：NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2

分解后氨与氮氧化物反应：NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O 4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O 2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O

3 设计步骤

3.1 后处理系统关键件的选用

SCR后处理系统已成为国内客车国四及以上排放技术主流路线，因为后处理系统涉及发动机排放公告，所以SCR后处理系统目前基本随发动机厂家供货。

3.2 后处理器(EGP)布置及固定方式

3.2.1 后处理器构成

后处理器(EGP)是一个整体式的催化和消声装置（见图2和图3），装在一个密封的不锈钢外壳或“罐”中。在 EGP 内有三个串联、独立的单元，分别是氨扩散器、催化器和消声装置。扩散器负责将氨均匀分散在催化器表面上。催化器进行 NOx 转换的化学过程，消声装置消除排气系统的噪音。催化器内的化学反应过程依赖于温度（最低200°C）。

图2 方桶形后处理器

图3 圆桶形后处理器

3.2.2 后处理器布置位置

后处理器类似欧三发动机的排气消声器，为减少管路长度，一般布置在与发动机增压器同侧，并与周边系统协调考虑。如与进气系统、空调压缩机布置在同一侧，则要同步设计，避免空间干涉或拆装不便。

3.2.3 后处理器固定方式

同体积的后处理器大约是同等传统消声器的两倍重量，重量的增加意味着目前的消声器安装系统可能不足以支撑更重的 EGP。因此：

a）一般后处理器固定采用增强的软垫吊挂式抱箍固定，使其足以承受 EGP 明显增加的重量。

b）因后处理器是一个封装总体，抱箍抱后处理器位置尽可能位于EGP图纸上推荐的位置。

c）EGP 应尽可能水平安装。关于垂直或其他安装系统，应向发动机厂家应用工程师咨询。对于垂直安装的 EGP，其尾部应有防雨保护。

3.3 排气管路设计、喷嘴位置的确定

3.3.1 排气管材料选取

因为尿素液具有腐蚀性，而排气管道是尿素产生化学反应的重要部位，所以管路材质必须选择耐尿素腐蚀材质，如SUS304不锈钢、中高密度聚乙烯等。

3.3.2 排气管径选取

排气管通径首先必须大于涡轮机出气口的通径，具体的管径选取可以参照表3。

表3 发动机排量对应排气管径（康明斯推荐）

通常情况下，为了降低排气背压（此参数以发动机厂家提供为准），排气管路尽量设计的短一些，并且管径略微大于前面的推荐值。长度在500-600mm左右最佳。形状上尽量只采用一个直角弯头。以便能够避免不必要的排气背压损失。

3.3.3 排气管走向及喷嘴位置确定

SCR后处理系统工作的好坏，与喷嘴安装位置有很大关系，因此喷嘴在排气管的安装位置有严格的要求，具体如下：

喷嘴上游的直段管长不可小于 100mm，喷嘴下游的直段管长不可小于270mm。喷嘴应在管内截面最高位置，喷嘴有3个直径为0.55mm的孔，具有径向喷雾排列形状（见图4 ）。为防止出现尿素结晶，混合器下游500mm内焊缝管道内壁一定要光滑平整，不能有高于1mm的突起飞边，同理，喷嘴与催化器之间不能使用内壁凹凸不平的管接头和金属软管。

图4 喷嘴在排气管位置示意图

允许的喷嘴安装角度（喷嘴绝对不可安装在下图显示的阴影部分），见图5和图6。

图5 水平布置的排气系统

图6 垂直布置的排气系统

3.4 排气管固定支架的确定

因SCR后处理器喷嘴前后排气管的直段要求，使排气管路悬臂较长且弯头数量增多，需考虑辅助支撑。一般排气管辅助支撑都是固定在离涡轮机出气口附近的缸体上，这样结构紧凑，且不会出现运动干涉。以下是一种我司典型辅助支撑，图7，供参考。

图7 排气管辅助支撑示意图

图8 Emitec泵安装示意图

3.5 排气管路连接的密封性及隔热降噪

排气管法兰之间的密封垫总成一般选择采用不锈钢和膨胀石墨材料，不允许采用石棉或其它易被尿素腐蚀的材料。

3.6 计量喷射泵安装

3.6.1 工作电压12V或24V。

3.6.2 计量喷射泵必须按照正确的方向固定，如图8所示，计量喷射泵必须垂直安装。

3.6.3 发动机熄火后应有延迟电源给尿素泵继续供电至少30s，以清除残留在喷嘴及喷射管中的尿素。

3.6.4 计量喷射泵不能布置在发动机舱内或暴露于温度超过85°C的区域，同时不能布置在有可能使尿素超过50℃的区域。

3.7 尿素罐设计

3.7.1 尿素罐总成要求

尿素罐总成要求如表4。

表4 尿素罐总成要求

3.7.2 尿素罐布置

尿素罐布置一般有两种典型布置方案，见图9。

图9 尿素罐布置方案示意图

图10 Emitec系统尿素罐、计量泵、喷嘴相对位置

3.8 尿素罐、计量泵和喷嘴相对位置的确定

尿素罐、计量泵和喷嘴相对位置布置主要按以下要求：

尿素泵高于尿素罐最低液位的距离最大为1.5m，低于尿素罐最高液位的距离最大为0.5m。二者的相对距离不能超过此范围要求，因为有可能引起从尿素罐内尿素的虹吸。参看下图10。

3.9 尿素罐、计量泵和喷嘴管路连接及走向布置

图11 进回液管走向示意图

图12 喷液管走向示意图

尿素罐到计量泵管路不可出现凹陷和回环，必须是平顺的，见图10。计量泵到喷嘴管路必须是持续向下的，见图11。

4 常见问题及纠正措施

SCR后处理器系统最常见的问题就是尿素结晶，碰到此类问题一般从以下几个方面入手：

a）排气管布置不合理，在尿素喷入点后出现局部涡流或者气体流速较低的区域，尿素溶液喷雾在此聚集形成湿壁，受热水份蒸发，形成结晶，晶体逐渐长大，堵塞排气管。

解决方案为：这种情况需要更改排气管布置及走向。

b）尿素喷射系统故障，喷射雾化不良，尿素不能完全蒸发分解，而残留在排气管壁上出现结晶，或者大的液滴到达催化剂表面也不能蒸发分解，在催化剂表面形成结晶，堵塞催化剂孔道。

解决方案为：这种情况修复喷射系统即可解决问题。

c）由于运行线路交通复杂，车辆低速行驶，频繁停车，造成发动机运行负荷低，排气温度低，再加上外界气温低，排气管壁温度低，喷出的尿素不容易蒸发，在排气管内部出现结晶。

解决方案为：这种情况可通过排气管外壁保温，提高尿素喷射温度，改变驾驶习惯等解决问题。

5 结束语

SCR后处理系统是客车欧四以上（含欧四）发动机很重要的一个系统，它关系到发动机的寿命、整车油耗、尾气排放等方面。一般来说，依照上述原则和要求来匹配后处理系统，都能满足使用要求。但因SCR后处理系统的使用还处于初步阶段，不可避免产生一些新的问题。笔者总结的这份资料希望能使大家更了解客车SCR后处理的匹配应用，为设计同行提供帮助。