重型車輛SCR系統原理與常見故障

摘?要：隨著國Ⅴ排放標準頒布執行，重型車輛氮氧化物排放量，較國Ⅳ排放標準需降低43%。降低氮氧化物排放量技術裝置是SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原處理系統，SCR已成為重型車輛的標準配置。針對上述原因，分析介紹SCR系統原理、組成、工作過程、常見故障及原因。

關鍵詞：SCR結構;SCR工作過程; SCR故障

中圖分類號：U472?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.033

作者簡介：徐立平（1981-），男， 黑龍江大慶人 ，碩士，副教授，研究方向：液壓與汽車電控技術。

1?重型車輛SCR系統原理

重型車輛要求運行經濟性好，因此大部分重型車輛使用柴油機做為動力源。柴油燃燒生成二氧化碳、氮氧化合物、碳氫化合物、顆粒、一氧化碳等。二氧化碳沒有排放量控制要求，但二氧化碳過量會產生溫室效應。國家法規要求控制氮氧化合物、碳氫化合物、顆粒、一氧化碳排放量。SCR（Selective Catalytic Reduction）選擇性催化還原處理系統，主要用于降低氮氧化合物排放量。

SCR系統工作原理是在催化劑作用下，氨氣（NH3）優先選擇與尾氣中的氮氧化合物（NOX）發生反應，生成氮氣和水，而不是和氧氣發生反應。氨氣（NH3）是有強烈刺激性氣味的無色氣體，存儲運輸不便，工程實踐中，車輛存儲還原劑為尿素和水的溶液，尿素在壓力作用下噴入排氣管，霧化尿素遇熱分解，生成氨氣，參與反應。SCR基本化學反應原理如下：

2?重型車輛SCR系統結構組成

重型車輛SCR系統由還原劑、還原劑箱、管路、混合裝置、液位傳感器、溫度傳感器、氮氧化合物傳感器、催化轉化消音器、SCR控制單元等組成，見圖1為SCR系統結構。

2.1?還原劑

還原劑由質量分數32.5%尿素和質量分數77.5%水組成。純凈的尿素是白色晶體，尿素水溶液無毒。還原劑冰點是-11 ℃，存儲溫度高于50 ℃，將轉變成氨氣。還原劑中的尿素干燥后會結晶，晶體是白色或灰棕色沉積物，晶體鋒利可以割斷密封圈、密封墊。因此在SCR系統工作時，要保持所有管路干凈，防止殘留還原劑中的尿素結晶。尿素晶體能堵塞管路，晶體在熱水中快速溶解，但是高密度晶體需要刮除，每次要更換新密封圈并徹底干燥，防止結晶。

還原劑對柴油敏感，極少量柴油混入就會產生故障，還原劑被水稀釋到某一個水平也可以工作，但是消耗量會增加。還原劑的密度可以用密度計檢測尿素質量分數，使用試紙檢測還原劑是否含油。

還原劑用量大約是燃油消耗量的5%，受到發動機工況、還原劑溫度等因素影響。還原劑溫度低于0 ℃后噴射量逐漸減小，直到-11 ℃停止噴射。根據還原劑消耗數量，計算供應壓縮空氣數量，SCR控制單元根據節流孔前后壓差計算空氣流量。催化轉化器溫度小于200 ℃和500～600 ℃兩個溫度區間不工作。

2.2?還原劑箱

還原劑箱除存儲還原劑以外，還安裝有溫度傳感器、液位傳感器、初級濾清器、加熱裝置。液位傳感器檢測還原劑的剩余量，剩余量不足時，發送報警信息給駕駛員，提醒及時加注。加熱裝置給還原劑加熱，防止結冰。

還原劑箱配備通氣閥管路。還原劑和管路是通過發動機冷卻液加熱，當環境溫度在-12～8 ℃之間，并且發動機工作，冷卻液溫度高于60 ℃時，系統啟動還原劑加熱功能并打開冷卻液閥門，利用冷卻液的熱量加熱還原劑和管路。環境溫度低時，經過反復嘗試仍不能加熱還原劑，系統將產生故障碼。

2.3?還原劑泵

還原劑泵從還原劑箱抽取還原劑，送到噴嘴。

2.4?壓縮空氣控制裝置

壓縮空氣供應裝置，使用車輛氣源。SCR控制單元，根據噴入還原劑數量，計算出壓縮空氣供應量，進而控制空氣電磁閥工作。

2.5?混合裝置

混合裝置將還原劑和壓縮空氣混合，兩者混合的越好，轉化效率越高。混合裝置上安裝有電磁閥控制還原劑的噴入量。

2.6?噴嘴

噴嘴將空氣和還原劑的混合物噴入催化轉化器之前的排氣管里，還原劑被分解成氨氣和水。噴嘴常見故障是結晶堵塞，其原因是，噴嘴停止工作時，噴嘴內留有還原劑，殘余的熱量使還原劑中的水蒸發并形成晶體。

2.7?催化消音器

催化消音器具備消音和催化轉化兩種功能，由載體、催化劑、消聲器等組成。還原劑從噴嘴噴出霧化后和尾氣混合，在催化消音器內的載體上附著的催化劑的作用下，與尾氣中的氮氧化物發生還原反應分解成氮氣和水。若安裝時塑料、石塊等混入，會造成堵塞，引起發動機排氣背壓過高，動力不足。 排氣管內尿素殘留較多，會結晶堆積在消音器內，造成排氣背壓高，進而導致發動機功率不足。

2.8?氮氧化合物傳感器

氮氧化合物傳感器，安裝在催化轉化器后面，用于檢測處理后尾氣中氮氧化合物的含量，實現閉環控制。通過CAN網絡將信息傳遞到SCR控制單元，進而發送到發動機控制單元，氮氧化合物傳感器對機油敏感，當尾氣中含有機油時會引起傳感器失效。如果氮氧化合物傳感器檢測到氮氧化物含量在一段時間內過高，則控制單元會將發動機扭矩降低40%。

2.9?排氣溫度傳感器

排氣溫度傳感器用于探測催化消音器溫度，安裝在催化消音器之前。該溫度是系統計算噴射尿素量的依據。排氣溫度傳感器使用正溫度系數熱敏電阻， 隨著排氣溫度升高，傳感器電阻變大。

2.10?還原劑液位溫度傳感器

該傳感器安裝在還原劑箱內，用以檢測還原劑的溫度和剩余量， 還原劑溫度是加熱系統控制依據。 還原劑剩余值會通過儀表顯示，以便及時補充和調整。

3?SCR 系統工作過程

3.1?SCR 系統啟動

SCR 系統接到發動機啟動指令后，會執行啟動程序。SCR控制單元會收集發動機及SCR 系統的參數，判斷是否滿足啟動條件。主要檢查以下項目：壓縮空氣壓力值，還原劑罐內液位，排氣溫度值，還原劑的溫度，車輛是否處于怠速或發動機運行在低溫狀態下。如果還原劑溫度過低，將啟動加熱程序加熱還原劑管路和還原劑箱。

3.2?SCR 系統工作

發動機ECU根據噴油量，計算生成的氮氧化合物數量。發動機ECU依據計算出氮氧化合物數量及通過 SCR 系統各傳感器實時參數值，計算出供給的還原劑和壓縮空氣的量。SCR 控制單元按照發動機控制單元的要求，對還原劑和壓縮空氣的供給量進行控制。實現向催化消音器內噴射合適數量空氣和還原劑功能。

氮氧化合物傳感器的值用于調節還原劑計量。 如果觸媒轉換器下游的排放量低于預計排放量，則將調低還原劑量。 如果觸媒轉換器下游的排放量高于預計排放量，則將調高還原劑量。

3.3?SCR 系統關閉程序

發動機被關閉并且SCR系統處于工作狀態，即管路中有正常壓力還原劑時，SCR 系統會執行關閉程序。

關閉程序任務是利用壓縮空氣，排空管路和噴嘴內的還原劑，防止還原劑結冰、結晶，堵塞SCR系統管路，出現故障。排空路徑是空氣經壓縮空氣電磁閥、混合裝置、還原劑排空電磁閥將還原劑吹回到還原劑箱。

4?常見故障及原因

4.1?還原劑管路壓力異常

SCR系統執行啟動程序失敗，還原劑泵將停止工作，系統無法建立壓力。重點檢查與啟動程序相關零件，如：排氣溫度感器、氮氧化合物傳感器、還原劑箱溫度傳感器、還原劑箱液位傳感器、還原劑泵、加熱繼電器、加熱電磁閥、環境溫度傳感器等。車輛處于低溫環境時，首先檢查還原劑加熱系統，確保加熱功能正常，及時排除電子部件之間的連接線束存在的故障。

還原劑壓力過低主要原因：管路接頭泄露，初級濾清器、主濾清器堵塞，壓力傳感器異常。

4.2?尾氣中NOx數值異常

NOx傳感器測量值異常或故障將導致發動機限扭。測量值異常主要原因有：還原劑電磁閥故障（如卡滯，控制單元不能判斷機械故障等），還原劑噴射量偏小，將導致NOx傳感器的測量值偏大。還原劑管路有泄漏，壓力低于正常值，實際還原劑噴射量少，將導致NOx傳感器的測量值偏大。還原劑中尿素含量低，將導致實際噴入尿素量減少，導致NOx傳感器的測量值偏大。

4.3?還原劑結晶

還原劑噴射超量是結晶的原因之一，發動機進氣壓力、發動機溫度、發動機進氣量、發動機轉速是計算還原劑噴射量的依據，如信號異常，將導致還原劑噴射量相對增加。噴油器故障，如果噴油器實際噴油量比設定噴油量少，將導致還原劑噴射量的相對偏大。排氣溫度是修正還原劑噴射量條件之一。若還原劑壓力值偏差太大，將引起還原劑噴射量修正偏大，進而導致還原劑噴射過量。還原劑噴嘴若卡死在常開位置，將導致還原劑噴射量大幅超過設定值，使還原劑噴射過量。還原劑噴射過量尾氣中有氨氣味，原因是還原劑中的尿素分解生成氨氣過多，沒有使用，從尾氣管排出。

參考文獻：

[1] 金軍平.柴油機SCR后處理系統原理及常見故障診斷[J].工程機械與維修，2015（12）：58-60.

[2]?鐘云剛.柴油車SCR系統故障引起發動機限扭原因研究[J].汽車與駕駛維修，2018（6）：114-118.

[3]?陸超.柴油機SCR系統的故障診斷與排除[J].昆明冶金高等專科學校學報，2017（10）：39-42.

[4]?楊君喜.SCR后處理系統催化器堵塞失效原因分析[J].農機使用與維修，2020（3）：82-83.

[5]?衛云貴.商用車后處理控制技術的原理與檢測[J].汽車與駕駛維修，2019（6）：66-67.

[6]?蔡宇.柴油機SCR后處理系統原理及常見故障[J].機電設備與儀器儀表，2019（5）：50-51.

[7]?徐立平.重型柴油機HPI燃油噴射系統原理與故障分析[J].科技創新與應用，2016（12）：132-133.