重型车辆SCR系统原理与常见故障
摘?要：随着国Ⅴ排放标准颁布执行，重型车辆氮氧化物排放量，较国Ⅳ排放标准需降低43%。降低氮氧化物排放量技术装置是SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原处理系统，SCR已成为重型车辆的标准配置。针对上述原因，分析介绍SCR系统原理、组成、工作过程、常见故障及原因。
关键词：SCR结构;SCR工作过程; SCR故障
中图分类号：U472?文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.033
作者簡介：徐立平（1981-），男， 黑龙江大庆人 ，硕士，副教授，研究方向：液压与汽车电控技术。
1?重型车辆SCR系统原理
重型车辆要求运行经济性好，因此大部分重型车辆使用柴油机做为动力源。柴油燃烧生成二氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、颗粒、一氧化碳等。二氧化碳没有排放量控制要求，但二氧化碳过量会产生温室效应。国家法规要求控制氮氧化合物、碳氢化合物、颗粒、一氧化碳排放量。SCR（Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原处理系统，主要用于降低氮氧化合物排放量。
SCR系统工作原理是在催化剂作用下，氨气（NH3）优先选择与尾气中的氮氧化合物（NOX）发生反应，生成氮气和水，而不是和氧气发生反应。氨气（NH3）是有强烈刺激性气味的无色气体，存储运输不便，工程实践中，车辆存储还原剂为尿素和水的溶液，尿素在压力作用下喷入排气管，雾化尿素遇热分解，生成氨气，参与反应。SCR基本化学反应原理如下：
2?重型车辆SCR系统结构组成
重型车辆SCR系统由还原剂、还原剂箱、管路、混合装置、液位传感器、温度传感器、氮氧化合物传感器、催化转化消音器、SCR控制单元等组成，见图1为SCR系统结构。
2.1?还原剂
还原剂由质量分数32.5%尿素和质量分数77.5%水组成。纯净的尿素是白色晶体，尿素水溶液无毒。还原剂冰点是-11 ℃，存储温度高于50 ℃，将转变成氨气。还原剂中的尿素干燥后会结晶，晶体是白色或灰棕色沉积物，晶体锋利可以割断密封圈、密封垫。因此在SCR系统工作时，要保持所有管路干净，防止残留还原剂中的尿素结晶。尿素晶体能堵塞管路，晶体在热水中快速溶解，但是高密度晶体需要刮除，每次要更换新密封圈并彻底干燥，防止结晶。
还原剂对柴油敏感，极少量柴油混入就会产生故障，还原剂被水稀释到某一个水平也可以工作，但是消耗量会增加。还原剂的密度可以用密度计检测尿素质量分数，使用试纸检测还原剂是否含油。
还原剂用量大约是燃油消耗量的5%，受到发动机工况、还原剂温度等因素影响。还原剂温度低于0 ℃后喷射量逐渐减小，直到-11 ℃停止喷射。根据还原剂消耗数量，计算供应压缩空气数量，SCR控制单元根据节流孔前后压差计算空气流量。催化转化器温度小于200 ℃和500～600 ℃两个温度区间不工作。
2.2?还原剂箱
还原剂箱除存储还原剂以外，还安装有温度传感器、液位传感器、初级滤清器、加热装置。液位传感器检测还原剂的剩余量，剩余量不足时，发送报警信息给驾驶员，提醒及时加注。加热装置给还原剂加热，防止结冰。
还原剂箱配备通气阀管路。还原剂和管路是通过发动机冷却液加热，当环境温度在-12～8 ℃之间，并且发动机工作，冷却液温度高于60 ℃时，系统启动还原剂加热功能并打开冷却液阀门，利用冷却液的热量加热还原剂和管路。环境温度低时，经过反复尝试仍不能加热还原剂，系统将产生故障码。
2.3?还原剂泵
还原剂泵从还原剂箱抽取还原剂，送到喷嘴。
2.4?压缩空气控制装置
压缩空气供应装置，使用车辆气源。SCR控制单元，根据喷入还原剂数量，计算出压缩空气供应量，进而控制空气电磁阀工作。
2.5?混合装置
混合装置将还原剂和压缩空气混合，两者混合的越好，转化效率越高。混合装置上安装有电磁阀控制还原剂的喷入量。
2.6?喷嘴
喷嘴将空气和还原剂的混合物喷入催化转化器之前的排气管里，还原剂被分解成氨气和水。喷嘴常见故障是结晶堵塞，其原因是，喷嘴停止工作时，喷嘴内留有还原剂，残余的热量使还原剂中的水蒸发并形成晶体。
2.7?催化消音器
催化消音器具备消音和催化转化两种功能，由载体、催化剂、消声器等组成。还原剂从喷嘴喷出雾化后和尾气混合，在催化消音器内的载体上附着的催化剂的作用下，与尾气中的氮氧化物发生还原反应分解成氮气和水。若安装时塑料、石块等混入，会造成堵塞，引起发动机排气背压过高，动力不足。 排气管内尿素残留较多，会结晶堆积在消音器内，造成排气背压高，进而导致发动机功率不足。
2.8?氮氧化合物传感器
氮氧化合物传感器，安装在催化转化器后面，用于检测处理后尾气中氮氧化合物的含量，实现闭环控制。通过CAN网络将信息传递到SCR控制单元，进而发送到发动机控制单元，氮氧化合物传感器对机油敏感，当尾气中含有机油时会引起传感器失效。如果氮氧化合物传感器检测到氮氧化物含量在一段时间内过高，则控制单元会将发动机扭矩降低40%。
2.9?排气温度传感器
排气温度传感器用于探测催化消音器温度，安装在催化消音器之前。该温度是系统计算喷射尿素量的依据。排气温度传感器使用正温度系数热敏电阻， 随着排气温度升高，传感器电阻变大。
2.10?还原剂液位温度传感器
该传感器安装在还原剂箱内，用以检测还原剂的温度和剩余量， 还原剂温度是加热系统控制依据。 还原剂剩余值会通过仪表显示，以便及时补充和调整。
3?SCR 系统工作过程
3.1?SCR 系统启动
SCR 系统接到发动机启动指令后，会执行启动程序。SCR控制单元会收集发动机及SCR 系统的参数，判断是否满足启动条件。主要检查以下项目：压缩空气压力值，还原剂罐内液位，排气温度值，还原剂的温度，车辆是否处于怠速或发动机运行在低温状态下。如果还原剂温度过低，将启动加热程序加热还原剂管路和还原剂箱。
3.2?SCR 系统工作
发动机ECU根据喷油量，计算生成的氮氧化合物数量。发动机ECU依据计算出氮氧化合物数量及通过 SCR 系统各传感器实时参数值，计算出供给的还原剂和压缩空气的量。SCR 控制单元按照发动机控制单元的要求，对还原剂和压缩空气的供给量进行控制。实现向催化消音器内喷射合适数量空气和还原剂功能。
氮氧化合物传感器的值用于调节还原剂计量。 如果触媒转换器下游的排放量低于预计排放量，则将调低还原剂量。 如果触媒转换器下游的排放量高于預计排放量，则将调高还原剂量。
3.3?SCR 系统关闭程序
发动机被关闭并且SCR系统处于工作状态，即管路中有正常压力还原剂时，SCR 系统会执行关闭程序。
关闭程序任务是利用压缩空气，排空管路和喷嘴内的还原剂，防止还原剂结冰、结晶，堵塞SCR系统管路，出现故障。排空路径是空气经压缩空气电磁阀、混合装置、还原剂排空电磁阀将还原剂吹回到还原剂箱。
4?常见故障及原因
4.1?还原剂管路压力异常
SCR系统执行启动程序失败，还原剂泵将停止工作，系统无法建立压力。重点检查与启动程序相关零件，如：排气温度感器、氮氧化合物传感器、还原剂箱温度传感器、还原剂箱液位传感器、还原剂泵、加热继电器、加热电磁阀、环境温度传感器等。车辆处于低温环境时，首先检查还原剂加热系统，确保加热功能正常，及时排除电子部件之间的连接线束存在的故障。
还原剂压力过低主要原因：管路接头泄露，初级滤清器、主滤清器堵塞，压力传感器异常。
4.2?尾气中NOx数值异常
NOx传感器测量值异常或故障将导致发动机限扭。测量值异常主要原因有：还原剂电磁阀故障（如卡滞，控制单元不能判断机械故障等），还原剂喷射量偏小，将导致NOx传感器的测量值偏大。还原剂管路有泄漏，压力低于正常值，实际还原剂喷射量少，将导致NOx传感器的测量值偏大。还原剂中尿素含量低，将导致实际喷入尿素量减少，导致NOx传感器的测量值偏大。
4.3?还原剂结晶
还原剂喷射超量是结晶的原因之一，发动机进气压力、发动机温度、发动机进气量、发动机转速是计算还原剂喷射量的依据，如信号异常，将导致还原剂喷射量相对增加。喷油器故障，如果喷油器实际喷油量比设定喷油量少，将导致还原剂喷射量的相对偏大。排气温度是修正还原剂喷射量条件之一。若还原剂压力值偏差太大，将引起还原剂喷射量修正偏大，进而导致还原剂喷射过量。还原剂喷嘴若卡死在常开位置，将导致还原剂喷射量大幅超过设定值，使还原剂喷射过量。还原剂喷射过量尾气中有氨气味，原因是还原剂中的尿素分解生成氨气过多，没有使用，从尾气管排出。
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