1、1欧四柴油机选择性催化转化系统（SCR）应用工程手册一、 引言压燃式柴油机由于柴油及其燃烧方式的特征，排放的 HC、CO相对汽油机少的多，但排放的 NOx 和 PM 大量并存。因此，柴油机排放控制的重点应该是降低颗粒物和 NOx 的排放量。为了满足欧及以上排放要求，柴油机单靠燃烧改进等机内净化技术已经很难满足越来越严格的排放法规，尾气必须通过柴油机外的排放后处理装置才能达标，而 SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）是实现欧/最快捷的途径，也是实现欧 的必要手段。同时，采用 SCR 技术的发动机可以更有效的降低 NOx 的排放，并且有明显的节能特点
2、。SCR 是指安装在柴油汽车排气系统中，将柴油机排放中的NOx 催化还原成 N2 和 O2 的催化还原装置，选择尿素水溶液作为还原剂。尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中，在废气温度和气流的作用下气化分解为 CO2 和氨水，氨水作为还原剂将NOx 还原成无污染的氮气和水。尿素溶液必须根据发动机工况状况定量喷射，所以定量喷射单元的逻辑控制电路是与发动机控制单元相连接的。SCR 的工作效率取决与气体温度，如果在 200到500的温度工作，其效率是 85%，实际车辆的操作条件都可以达到这个要求。欧标准要求转化率 50%，欧 标准要求转化率 70%，所以 SCR 系统完全满足要求。2目前，国内的柴
3、油机生产企业应对即将到来的第阶段和第阶段排放标准的方案已趋于一致，即 SCR 技术路线是我国重型柴油机达到第阶段排放标准的最佳选择。二、 凯龙 SCR 系统介绍1、基本组成SCR 系统主要由尿素罐、尿素泵、尿素喷嘴、催化消声器、尿素管路及控制单元等组成，如下图所示：2、工作原理当 SCR 系统工作时，电控单元采集柴油机的转速和扭矩信号、排气管中的排气温度信号、催化器温度信号后电控单元根据输入参数，查找存储的尿素喷射脉谱图，计算出此时所需的尿素量。经过驱动电路，转化为喷射脉冲信号，控制尿素泵动作。尿素泵将一定量的尿素从尿素罐中抽出，加压过滤后送到计量控制单元，形成具有一定压力的尿素待用。同时压缩
4、空气接通，当发动机的排气温度3达到要求时，计量控制单元将一定量的尿素喷出并与压缩空气混合喷入 SCR 催化器入口前端。在排气管的混合区，尿素遇高温分解成 NH3 和 H2O，与排气充分混合后进入 SCR 反映装置。在催化反应区，NH 3 和 NOx 反应生成 N2 和 H2O，排到大气中。SCR 系统的基本反映如下所示：CO(NH2)2 +H2O2NH 3+CO2 (1) 4NH3+4NO+O24N 2+6H2O (2)4NH3+2NO+2NO24N 2+6H2O (3)4NH3+2NO2+O23N 2+6H2O (4) 反应式（1）为尿素的分解反应， （2）-（4）为基本的 SCR 反应，其
5、中（3）的反应速率最快， （2）为标准 SCR 反应。 三、 SCR 系统零部件介绍及安装布置要求1、 催化消声器催化消声器是一个集催化器和消声器于一体的催化消声装置（如需尾气加热功能还可集成尾气加热器） ，代替了传统的消声器系统。催化消声器内部有三个串联并相互独立的单元组成，包括氨扩散器、催化器和消声器。扩散器负责将带有氨的排气均匀的分布在催化器的表面，催化器负责加速 NOX 的还原，消声器消除发动机排气系统的噪音。为了防止氨气腐蚀，催化消声器整体采用不锈钢材料制造，其内部催化器工作过程中需要表面最低温度达到200，因此布置时应尽量靠近发动机，催化器入口必须位于距增压器出口 14m 的地方。
6、催化器前后设有两个温度传感器，用于4检测催化器前后温度，以此来判断催化器表面温度，确定 AdBlue的喷射量。凯龙催化消声器的形状为圆柱形，其出口和入口构造可根据客户要求设计，若需提供其它外形的催化消声器可向凯龙技术部咨询。由于增加了扩散器和催化器，使得催化消声器的重量有所增加，大约是同等传统消声器的两倍。因此建议客户根据催化消声器的重量更新催化消声器安装系统的设计，使其能够承受催化消声器增加的重量。为了防止催化消声器内部陶瓷载体免受剧烈震动，安装系统需要采取减震设计，催化消声器支架与车辆大梁之间需要使用弹性减震装置。涡轮增压器出口和催化消声器之间使用金属软管链接，可使催化消声器内的催化器免受
7、震动。添蓝具有腐蚀性，再加上热量，会急剧腐蚀低碳钢部件。因此在排气管路中，从添蓝喷嘴上游 200mm 处开始一直到下游催化消声器的排气系统管路必须采用 304 或 439 级不锈钢。5催化消声器应尽量水平布置，若需要其它布置方式请向凯龙技术部咨询。2、添蓝罐凯龙提供的添蓝罐采用聚乙烯材料，具有坚实可靠，耐腐蚀性强，结构简单，使用方便等特点。SCR 系统所使用的是 32.5%的尿素水溶液，即添蓝。添蓝罐的体积由添蓝用量决定，对于欧 4 系统，用量相当于燃油消耗量的 5%，对于欧五系统，用量是燃油消耗量的 7%。添蓝在-11 时开始结冰，结冰时体积将膨胀 9%，因此添蓝罐内将提供 10%的膨胀容积
8、。添蓝罐还提供了液位和温度感应装置。系统诊断、空罐指示、尿素用量监控和驱动仪表板仪表都需要有连续的液位传感器。当罐内液位到最低点以下时，将发出液位警告。如果罐变空，将发出空罐警告。液位传感器能检测出 3.0 升的罐容积变化。在传感器指示100%满后，在增加的罐储量不应超过 2.0 升。当罐用经过认证的6防溅喷嘴住满时，液位传感器应该指示 100%的液位。溶液温度传感器将监测添蓝的温度，以确定何时启动罐加热器，以及检测加热器工作是否正常和过热。如果溶液温度低于 0 摄氏度，将启动加热器，在温度升到 7 摄氏度之前加热器将保持打开。罐上部设有通气阀，用于平衡罐内外气体压力。罐内装有添蓝粗滤器，以防
9、止大于0.1mm 的大颗粒进入喷射系统。罐的底部设有残液放出螺栓孔。添蓝罐安装与油箱同侧，距离油箱近一些，方便加液。但不能贴在一起，因为油箱温度较高，有可能加热添蓝，引起添蓝性质变化，造成后处理系统不能正常工作。罐体要采用竖直布置形式，上方留出空间便于清洗罐中的滤清器，同时尿素溶液的加注口应朝外，便于加液。添蓝罐布置要远离热源，布置时留出尿素管路走向空间。尿素罐不能布置在整车的最低点，采用支架给尿素罐以支撑。3、计量泵计量泵是一个高精度单元，用来将所需要的添蓝喷入排气后处理系统内。该部件应轻拿轻放，如果跌落会损坏内部的精密控制部件，导致计量泵损坏。计量泵内部由一个 24V 电动泵和计量系统组成
10、，与来自车辆压缩空气系统的空气共同作用，将雾化的添蓝通过喷嘴喷入催化器上游的排气系统内。计量泵需要从车辆系统获得 612 巴的供气压力。压力调节器（4.5 巴）和阀总成安装在计量泵上。空气电磁阀工作时温度较高，不应封闭起来或位于易受热量影响的底盘部件附近。为保护计量泵，使压缩空气系统中污染物不能进入，在所有配7备 SCR 的车辆上都要求使用一个专用的 5 微米的滤清器。计量泵上分布有一个来自添蓝罐的添蓝进液口、一个通往喷嘴的添蓝出液口、一个通往添蓝罐的添蓝回液口和一个压缩空气进口。系统正常运行时，打开钥匙后能听到泵运转时发出的短促的声音，计量泵内部开始运转，当发动机起动时，泵进入“起动加注”模
11、式，尿素通过供给管输送，通过回流管回到罐中。这将至少持续三十秒。在这三十秒起动加注结束时，泵将起动空气电磁阀。如果存在空气压力而且泵成功完成起动加注，泵将转换到“定量给料”模式，为喷射添蓝做好准备。当排气温度达到 200时，ACU 控制计量泵开始喷射添蓝。当起动钥匙关闭后，计量泵会继续运转30s,利用压缩空气将管路中的添蓝吹净，避免因添蓝结晶而造成管路堵塞，所以 ACU 总电源不能由点火开关控制。计量泵正常工作时的持续电量为 32W，内部加热器工作后，稳态耗电量200W。加热时的峰值耗电量300W ，最长持续 30 秒。计量泵的微处理器由 SCR 系统的 DCU 通过一个线束连接控制。8计量泵
12、的安装位置的震动加速度需小于 6G，如不满足要求需使用减震垫。计量泵只能安装在一个方向上，在底盘上的位置必须保证 Z 轴垂直，使用四个螺栓固定，安装平面度要求 0.5 毫米以内。在车辆上安装时，计量泵一般不需要专门防护。建议将其安装在雨水飞溅和泥污较少的位置，避免过多的暴露或对电器接头和液体接头造成潜在的损坏。如果计量泵位于容易受损的位置，须有防护罩。计量泵工作时 ACU 需要散热，所以要注意此部分的通风，不能靠近排气管、催化消声器、增压器等热源太近。计量泵与喷嘴之间的接管应使用软管，以允许其和排气管之间的相对震动。4、喷嘴喷嘴具有四个直径为 0.5mm 的孔，具有径向喷雾排列形状。喷嘴在管内
13、必须居中且最好安装在直的排气管上，但可以安装在与排气管中心线垂直的任意径向角度。最好能将喷嘴放在最不容易受压缩空气进口添蓝出口（至喷嘴）添蓝回液口（至添蓝罐）添蓝进口（来自添蓝罐）9到路面损坏的地方。喷嘴的安装点距催化消声器入口端不少于 440mm。喷嘴不应位于弯管下游 150mm 和上游 100mm 的范围内。5、管路添蓝管是连接添蓝罐、计量泵和喷嘴，以供添蓝在系统内部流动的管路。系统共有三条添蓝管路，从添蓝罐到计量泵的添蓝进液管，从计量泵到喷嘴的添蓝喷射管，从计量泵到添蓝罐的添蓝回液管。三条添蓝管路要求材质耐添蓝腐蚀，PTFE、PFA、VITON 、EPDM，不要使用丁钠橡胶-N、氯丁橡胶
14、、硅、聚乙烯或类似的材料，因为他们会与添蓝发生化学反应。管的内衬应为 PTFE 材料，以减少尿素结晶附着在管壁上的危险。管路必须有足够的强度，不会因为抽吸产生的真空而被压扁。从添蓝罐到计量泵的添蓝进液管工作时的流速为 25 升/小时，推荐的管路内径为 6mm。从计量泵到添蓝罐的添蓝回液管内径应为 4mm。理想的罐和计量泵应尽可能的靠近，以缩短管长，减少节流和残留空气的影响。当罐和计量泵不相邻时，可能需要增加回流管的内径。添蓝罐和计量泵之间的管路长度要求小于 3 米。当计量泵感应到“堵塞”的高阻力时会点亮 MIL。10从计量泵到喷嘴的管路应该是柔性的，可允许计量泵和排气系统之间有相对的移动。在与
15、喷嘴相连的“热”端，管路应具有耐高温性。为了保证准确性、向喷嘴快速供给添蓝和发动机停机时进行有效清洗，推荐的管内径为 3mm。在发动机停机、点火钥匙开关关闭以后，供给侧的湿区被压缩空气吹洗 30 秒。推荐的管路长为 1 米，但可接受最大长度为 2 米。为防止发动机停机后任何未清除的添蓝产生结晶，管路走向不应有倾斜，以免截留添蓝。最佳的路径是从计量泵“向下”到喷嘴。6、添蓝罐、计量泵、喷嘴的相对位置计量泵可以安装在罐的上方或与罐顶相同的高度上。计量泵不应安装在罐的下方。喷嘴的安装高度应低于计量泵。7、环境温度对 SCR 系统和添蓝的影响添蓝在-11 时开始结冰。解冻时，添蓝返回正常溶液状态。为了
16、避免固体或结晶溶液带来的问题，推荐将添蓝保持在 15的温度下。这将使系统中的湿部件处于 4。可通过发动机冷却液来进行加热，但流量必须调节至确保发动机温度不会长时间运行在70以下。加热系统必须能调节热量，在 0时启动加热，在 7时关闭。溶液过热会因为蒸发造成浓度过高，在极端情况下形成结晶造成堵塞。推荐的添蓝最高温度为 60，但是正常运行温度应与环境空气近似。如果车辆长时间在非常低的转速下或静态中工作，添蓝的用量少，在炎热气候条件下，建议保护添蓝罐防止其受到阳光照射。11添蓝有接近 70%的水，在低于-11的温度下结冰时，将沿阻力最小的方向膨胀大约 9%。因此罐的结构应能承受冻结、解冻循环。需要为此以及无意中的加注过量提供膨胀空间。推荐在添蓝罐内提供 10%的膨胀容积。加热器的位置应靠近罐出口，以便能尽早使用一部分解冻的溶液。不要将探头和接头放在罐顶中心，因为当完全冻结成固体后会将其推出。
