劉曉攀 陳亞男

摘要：相較于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步收緊，“國(guó)V”標(biāo)準(zhǔn)被“國(guó)VI”標(biāo)準(zhǔn)取代是大勢(shì)所趨。SCR（選擇性催化還原技術(shù)）作為國(guó)內(nèi)有效降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的排放后處理技術(shù)，無(wú)論是維修技術(shù)人員還是從事專(zhuān)業(yè)教學(xué)者都有必要在掌握其相應(yīng)構(gòu)造和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)針對(duì)一些常見(jiàn)故障加以分析和處理。

關(guān)鍵詞：SCR系統(tǒng);構(gòu)造;工作原理;檢修策略

0? 引言

柴油機(jī)的主要排放污染物包括顆粒（PM）和氮氧化合物（NOx）。通過(guò)提升燃油噴射技術(shù)、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒效果可以降低PM的排放。高溫、富氧是產(chǎn)生NOx的兩大前提條件，為保證柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，SCR是目前作為有效降低NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)手段。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于環(huán)保理念的認(rèn)知愈加深刻。SCR系統(tǒng)伴隨著柴油機(jī)在輕、重型載貨汽車(chē)上的使用越來(lái)越普遍，加之當(dāng)下的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)普遍采用CAN總線(xiàn)作為信號(hào)與指令傳輸?shù)那?，?chē)載自診斷系統(tǒng)（OBD）在明確NOx排放超標(biāo)的前提下將信號(hào)反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元在已設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)下會(huì)強(qiáng)制性限制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和扭矩、故障燈點(diǎn)亮。筆者在滇西德宏境內(nèi)走訪(fǎng)了十余家中小型規(guī)模的汽車(chē)修理廠(chǎng)，發(fā)現(xiàn)維修人員在柴油機(jī)SCR系統(tǒng)引發(fā)的故障方面往往無(wú)從下手，甚至因?yàn)榉治霾粶?zhǔn)確導(dǎo)致誤判誤修的情況時(shí)有發(fā)生。例如筆者所在地一家修理廠(chǎng)一起因SCR系統(tǒng)故障誤判為噴油器問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)、比對(duì)和裝拆噴油器，結(jié)果故障依舊沒(méi)有得到排除的案例。因此，學(xué)習(xí)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的難點(diǎn)在于弄清楚其構(gòu)造及相關(guān)部件的功能及控制原理，并把相關(guān)知識(shí)點(diǎn)連貫起來(lái)達(dá)到掌握工作原理的目標(biāo)，才能在故障檢測(cè)與診斷分析時(shí)做到有的放矢。

1? 柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的構(gòu)造及工作原理

1.1 SCR系統(tǒng)簡(jiǎn)介

按有無(wú)壓縮空氣輔助將柴油機(jī)SCR系統(tǒng)分為氣助式和非氣助式兩種。國(guó)內(nèi)以德國(guó)博世研發(fā)的非氣助式SCR系統(tǒng)為主，玉柴、濰柴、一汽解放、康明斯等主機(jī)廠(chǎng)都選擇匹配博世的SCR系統(tǒng)，包括云南省的云內(nèi)動(dòng)力也在使用博世研發(fā)的SCR系統(tǒng)。本文以目前大多數(shù)主機(jī)廠(chǎng)為滿(mǎn)足“國(guó)VI”標(biāo)準(zhǔn)而配備的德國(guó)博世DeNOx5.3系統(tǒng)為主進(jìn)行闡述。

1.2 SCR系統(tǒng)組成

SCR系統(tǒng)主要由尿素供給系統(tǒng)、噴射控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、催化系統(tǒng)組成。尿素供給系統(tǒng)：尿素箱（包含過(guò)濾器）、尿素供給模塊（包括尿素泵）、換向閥、尿素供給管路。氣助式SCR系統(tǒng)還包括壓縮空氣系統(tǒng);噴射控制系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)（ECU）、噴射控制單元（DCU）;噴射系統(tǒng)：尿素液壓管路、噴嘴;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：尿素溶液加熱控制單元（GCU）及加熱部件、尿素液面位置傳感器、排氣溫度傳感器、NOx傳感器等，也包括ECU和DCU;催化系統(tǒng)：SCR催化器（包含氨擴(kuò)散混合氣、催化轉(zhuǎn)換器和消聲器）。

1.3 SCR系統(tǒng)各部件功能

尿素箱用于儲(chǔ)存質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的尿素溶液，尿素箱里裝有液位傳感器、溫度傳感器和粗濾器，底部設(shè)有放出殘液螺栓孔。當(dāng)溫度低于零下11℃度時(shí)尿素溶液會(huì)發(fā)生結(jié)冰，因此尿素箱里的溫度傳感器主要是用來(lái)檢測(cè)尿素溶液溫度，通過(guò)加熱控制單元（GCU）使尿素溶液溫度保持在15℃左右;尿素箱出口集成了尿素供給模塊，其主要部件尿素泵在SCR控制單元DCU的控制下輸送尿素溶液并為噴嘴發(fā)揮噴射功能建立液壓;噴嘴的主要功能是在SCR系統(tǒng)控制單元DCU的精確控制下將尿素溶液噴射到SCR催化器的混合器中;換向閥在尿素供給的時(shí)候保持單向供給，在停止供給的時(shí)候反向回路打開(kāi)將殘留的尿素溶液抽回尿素箱，避免尿素結(jié)晶產(chǎn)生;尿素溶液在高溫條件下分解產(chǎn)生的NH3與尾氣里的NOx在SCR混合器中充分混合后進(jìn)入SCR催化器的催化轉(zhuǎn)換器，在催化劑的作用下NOx被NH3 還原生成N2和H2O排到外界環(huán)境;氮氧傳感器的功能主要是采集NOx的濃度，針對(duì)不同的安裝位置其功能又有所差別，如圖1，在DOC前面的氮氧傳感器主要是感知排氣中NOx的原始濃度，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，DCU按標(biāo)定值向尿素噴嘴發(fā)出指令，將精確尿素量噴入排氣管中，在催化器中將NOx進(jìn)行催化還原。SCR催化器前后兩個(gè)氮氧傳感器主要是為分析比較NOx催化還原效果而設(shè)置，當(dāng)然，SCR催化器后面的氮氧傳感器的主要功能還是為了檢測(cè)經(jīng)SCR系統(tǒng)處理后的氮氧化合物濃度是否達(dá)到系統(tǒng)中已設(shè)置的國(guó)家有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 SCR系統(tǒng)工作原理

DCU通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU建立分層控制的通訊連接關(guān)系，DCU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、催化器排氣溫度、氮氧化合物濃度等信號(hào)，在DOC前面排氣溫度傳感器采集到溫度高于180℃、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于550r/min的時(shí)候，尿素泵開(kāi)始建壓。排氣溫度到達(dá)200℃后，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制SCR系統(tǒng)工作發(fā)揮催化還原NOx的功能，將計(jì)算好的尿素水溶液噴入SCR催化器前端SCR混合器，尿素（（NH2）2CO）在高溫下發(fā)生熱解和水解反應(yīng)，最終分解成CO2和NH3，NH3在催化劑的催化作用下將NOx還原成NO2和H2O，其中涉及到的化學(xué)反應(yīng)為：

（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2，NOx+NH3→N2+H2O，NOx主要有NO2和NO。

SCR系統(tǒng)裝有自診斷系統(tǒng)（OBD），能實(shí)時(shí)監(jiān)控相關(guān)部件，發(fā)現(xiàn)與排放有關(guān)部件出故障時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)將故障信息發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)故障種類(lèi)及故障屬性做出相關(guān)響應(yīng)，儲(chǔ)存故障代碼、點(diǎn)亮故障燈，必要時(shí)減少?lài)娪土?，限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出[1]。

具體說(shuō)，即當(dāng)監(jiān)測(cè)到NOx排放量超過(guò)5g/kW·h但小于7g/kW·h時(shí)，排放故障報(bào)警燈點(diǎn)亮但扭矩輸出正常，當(dāng)NOx排放量超過(guò)7g/kW·h，排放故障報(bào)警燈點(diǎn)亮同時(shí)限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出，扭矩限制到60%[2]。上文中筆者提到的因SCR系統(tǒng)故障誤判為噴油器問(wèn)題即是如此，后經(jīng)診斷排查是SCR系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)晶堵塞所致，其主要問(wèn)題表現(xiàn)為在進(jìn)行路試時(shí)加不起油，掛到5檔、6檔，踩足油門(mén)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上不去，時(shí)速最高也不超過(guò)70km/h。

2? 柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的常見(jiàn)故障檢修策略

NOx排放超標(biāo)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)ECU限制功率和扭矩輸出的情況是SCR系統(tǒng)當(dāng)下比較典型的問(wèn)題。SCR系統(tǒng)問(wèn)題影響柴油機(jī)NOx排放超標(biāo)的原因主要有電控系統(tǒng)故障、尿素溶液、催化功能、機(jī)械故障等四個(gè)方面。

2.1 電控系統(tǒng)故障

電控系統(tǒng)故障方面主要包括信號(hào)中斷、傳感器故障。各傳感器（包括溫度傳感器、氮氧化合物濃度傳感器、尿素液面位置傳感器）與SCR系統(tǒng)控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間的信號(hào)中斷，或是SCR系統(tǒng)控制單元與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間的信號(hào)中斷。傳感器在排氣管高溫的條件下工作，加之廢氣中硫化物的腐蝕性加劇，傳感器受損導(dǎo)致采集信號(hào)功能受限。這些信號(hào)中斷或信號(hào)采集受限的情況都有可能導(dǎo)致SCR系統(tǒng)不能正常工作，排放的NOx濃度超標(biāo)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭矩、功率。電控系統(tǒng)方面的故障應(yīng)綜合以故障診斷儀、萬(wàn)用表、示波器、試燈等專(zhuān)用工具加以診斷檢測(cè)，在對(duì)電控系統(tǒng)故障診斷的基礎(chǔ)上可以對(duì)傳感器電阻、信號(hào)電壓或波形加以檢測(cè)分析。

2.2 尿素溶液

尿素溶液方面的問(wèn)題主要有與尿素結(jié)晶、尿素溶液質(zhì)量。尿素水溶液在水分蒸發(fā)后尿素結(jié)晶析出，尿素在低溫（零下11℃）時(shí)也容易結(jié)晶導(dǎo)致尿素水溶液濃度降低，在冬季或是高寒地區(qū)因尿素加熱系統(tǒng)功能受損時(shí)尿素水溶液還會(huì)結(jié)冰。所選用的尿素溶液本身濃度低（標(biāo)準(zhǔn)32.5%±0.5%），也會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵性還原劑NH3產(chǎn)生量不足、NOx轉(zhuǎn)換率低，尾氣中的氮氧化合物濃度超標(biāo)。因此，發(fā)現(xiàn)尿素箱有結(jié)晶情況發(fā)生時(shí)要重點(diǎn)檢查尿素溶液加熱系統(tǒng)是否存在故障，原則上在維修過(guò)程中禁用不達(dá)標(biāo)或是劣質(zhì)的尿素水溶液。

2.3 催化功能

催化功能方面主要有催化劑“中毒”和SCR催化器堵塞。如果燃油質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，燃油里面的硫、磷等物質(zhì)會(huì)吸附在催化器上，未完全燃燒物一氧化碳、鉛、錳等也會(huì)有吸附在催化器上作用，造成SCR催化器堵塞。這些原因都會(huì)造成SCR催化劑堵塞中毒失效，所謂的“中毒”指的是催化載體層表面被其他物質(zhì)覆蓋，阻止了廢氣中的有害成分與之接觸而失去催化作用，這就是人們常說(shuō)的SCR催化器“中毒”[3]。燃油品質(zhì)、缸內(nèi)燃燒狀況不良等因素會(huì)導(dǎo)致PM增多以致阻塞、污染SCR催化器。嚴(yán)重的情況下因排氣不暢會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)。市場(chǎng)上SCR催化器成本高昂，對(duì)于催化劑“中毒”或是SCR催化器堵塞的情況，在能不更換的前提下建議以弱酸、弱堿類(lèi)的高壓水沖洗催化器恢復(fù)催化效果。催化器表面高溫?zé)g、破碎、水中毒等，也會(huì)大幅降低催化器的催化轉(zhuǎn)換率致使NOx濃度超標(biāo)。因高溫?zé)g、破碎、水中毒等導(dǎo)致的不可逆、永久性失效的情況，只有更換SCR催化器總成才能恢復(fù)催化還原功能。

2.4 機(jī)械故障

機(jī)械故障有尿素泵、噴嘴、換向閥等機(jī)械動(dòng)作功能障礙。尿素泵里裝有尿素泵電機(jī)、壓力傳感器、換向閥、加熱電阻絲等元器件，尿素泵電機(jī)和換向閥由于長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)泵壓及開(kāi)啟回流的機(jī)械動(dòng)作，因此可能會(huì)發(fā)生磨損或是其他機(jī)械故障。壓力傳感器及加熱電阻絲也會(huì)因?yàn)檫^(guò)壓或是過(guò)載導(dǎo)致?lián)p壞。換向閥功能受損極易導(dǎo)致殘留在管路中的尿素溶液無(wú)法回流而結(jié)晶，進(jìn)而影響尿素溶液的正常供給。噴嘴在磨損過(guò)甚產(chǎn)生機(jī)械故障的基礎(chǔ)上也會(huì)因?yàn)槟蛩亟Y(jié)晶產(chǎn)生堵塞的情況。相關(guān)元器件損壞的情況建議以更換為主。噴嘴被結(jié)晶堵塞時(shí)，可使用50～60℃的純凈水浸泡，噴嘴浸泡6h仍堵塞，可更換[4]。

3? 結(jié)語(yǔ)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)是當(dāng)下中、重型柴油車(chē)必須裝備的尾氣排放處理系統(tǒng)，相關(guān)故障的產(chǎn)生涉及多方面的原因不止是本文中所列的幾種因素。比如，SCR系統(tǒng)的尿素結(jié)晶堵塞不僅是與水分蒸發(fā)或是低溫有關(guān)，還與駕駛員的操控習(xí)慣有關(guān)，后處理系統(tǒng)最后一個(gè)工作步驟會(huì)自動(dòng)排除系統(tǒng)和管路里殘留的尿素溶液以防止結(jié)冰或結(jié)晶，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后等待1分鐘以上的時(shí)間才可關(guān)閉電源總開(kāi)關(guān)，這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行排空過(guò)程，駕駛員長(zhǎng)期習(xí)慣于熄火隨即關(guān)閉總電源的情況下，容易導(dǎo)致殘留在供給系統(tǒng)（管路）中的尿素溶液在低溫下結(jié)冰，或是結(jié)晶堵塞。當(dāng)然，針對(duì)不同的故障應(yīng)采取相應(yīng)的判別檢修策略，以故障診斷儀（解碼器）診斷為主、其他檢測(cè)工具為輔，只有在掌握常規(guī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才是排除柴油發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)故障的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

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