论文部分内容阅读
摘要：相较于汽油发动机，柴油发动机在燃油经济性和动力性上具有明显的优势。随着机动车污染物排放标准将进一步收紧，“国V”标准被“国VI”标准取代是大势所趋。SCR（选择性催化还原技术）作为国内有效降低柴油发动机排放污染物的排放后处理技术，无论是维修技术人员还是从事专业教学者都有必要在掌握其相应构造和工作原理的基础上，结合专业知识针对一些常见故障加以分析和处理。
关键词：SCR系统;构造;工作原理;检修策略
0 引言
柴油机的主要排放污染物包括颗粒（PM）和氮氧化合物（NOx）。通过提升燃油喷射技术、优化缸内燃烧效果可以降低PM的排放。高温、富氧是产生NOx的两大前提条件，为保证柴油机燃油经济性和动力性，SCR是目前作为有效降低NOx排放的关键技术手段。随着国民经济的高速发展，对于环保理念的认知愈加深刻。SCR系统伴随着柴油机在轻、重型载货汽车上的使用越来越普遍，加之当下的柴油发动机电控系统普遍采用CAN总线作为信号与指令传输的渠道，车载自诊断系统（OBD）在明确NOx排放超标的前提下将信号反馈给发动机控制单元，发动机控制单元在已设定的标准下会强制性限制发动机的输出功率和扭矩、故障灯点亮。笔者在滇西德宏境内走访了十余家中小型规模的汽车修理厂，发现维修人员在柴油机SCR系统引发的故障方面往往无从下手，甚至因为分析不准确导致误判误修的情况时有发生。例如笔者所在地一家修理厂一起因SCR系统故障误判为喷油器问题，经过反复按技术标准校验、比对和装拆喷油器，结果故障依旧没有得到排除的案例。因此，学习柴油机SCR系统的难点在于弄清楚其构造及相关部件的功能及控制原理，并把相关知识点连贯起来达到掌握工作原理的目标，才能在故障检测与诊断分析时做到有的放矢。
1 柴油机SCR系统的构造及工作原理
1.1 SCR系统简介
按有无压缩空气辅助将柴油机SCR系统分为气助式和非气助式两种。国内以德国博世研发的非气助式SCR系统为主，玉柴、潍柴、一汽解放、康明斯等主机厂都选择匹配博世的SCR系统，包括云南省的云内动力也在使用博世研发的SCR系统。本文以目前大多数主机厂为满足“国VI”标准而配备的德国博世DeNOx5.3系统为主进行阐述。
1.2 SCR系统组成
SCR系统主要由尿素供给系统、喷射控制系统、监测系统、催化系统组成。尿素供给系统：尿素箱（包含过滤器）、尿素供给模块（包括尿素泵）、换向阀、尿素供给管路。气助式SCR系统还包括压缩空气系统;喷射控制系统：发动机（ECU）、喷射控制单元（DCU）;喷射系统：尿素液压管路、喷嘴;监测系统：尿素溶液加热控制单元（GCU）及加热部件、尿素液面位置传感器、排气温度传感器、NOx传感器等，也包括ECU和DCU;催化系统：SCR催化器（包含氨扩散混合气、催化转换器和消声器）。
1.3 SCR系统各部件功能
尿素箱用于储存质量分数为32.5%的尿素溶液，尿素箱里装有液位传感器、温度传感器和粗滤器，底部设有放出残液螺栓孔。当温度低于零下11℃度时尿素溶液会发生结冰，因此尿素箱里的温度传感器主要是用来检测尿素溶液温度，通过加热控制单元（GCU）使尿素溶液温度保持在15℃左右;尿素箱出口集成了尿素供给模块，其主要部件尿素泵在SCR控制单元DCU的控制下输送尿素溶液并为喷嘴发挥喷射功能建立液压;喷嘴的主要功能是在SCR系统控制单元DCU的精确控制下将尿素溶液喷射到SCR催化器的混合器中;换向阀在尿素供给的时候保持单向供给，在停止供给的时候反向回路打开将残留的尿素溶液抽回尿素箱，避免尿素结晶产生;尿素溶液在高温条件下分解产生的NH3与尾气里的NOx在SCR混合器中充分混合后进入SCR催化器的催化转换器，在催化剂的作用下NOx被NH3 还原生成N2和H2O排到外界环境;氮氧传感器的功能主要是采集NOx的浓度，针对不同的安装位置其功能又有所差别，如图1，在DOC前面的氮氧传感器主要是感知排气中NOx的原始浓度，根据发动机运行工况，DCU按标定值向尿素喷嘴发出指令，将精确尿素量喷入排气管中，在催化器中将NOx进行催化还原。SCR催化器前后两个氮氧传感器主要是为分析比较NOx催化还原效果而设置，当然，SCR催化器后面的氮氧传感器的主要功能还是为了检测经SCR系统处理后的氮氧化合物浓度是否达到系统中已设置的国家有关排放标准。
1.4 SCR系统工作原理
DCU通过发动机CAN总线与发动机ECU建立分层控制的通讯连接关系，DCU根据发动机转速、扭矩、催化器排气温度、氮氧化合物浓度等信号，在DOC前面排气温度传感器采集到温度高于180℃、发动机转速高于550r/min的时候，尿素泵开始建压。排气温度到达200℃后，发动机ECU控制SCR系统工作发挥催化还原NOx的功能，将计算好的尿素水溶液喷入SCR催化器前端SCR混合器，尿素（（NH2）2CO）在高温下发生热解和水解反应，最终分解成CO2和NH3，NH3在催化剂的催化作用下将NOx还原成NO2和H2O，其中涉及到的化学反应为：
（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2，NOx+NH3→N2+H2O，NOx主要有NO2和NO。
SCR系統装有自诊断系统（OBD），能实时监控相关部件，发现与排放有关部件出故障时，通过CAN总线将故障信息发送给发动机ECU，发动机ECU根据故障种类及故障属性做出相关响应，储存故障代码、点亮故障灯，必要时减少喷油量，限制发动机扭矩输出[1]。
具体说，即当监测到NOx排放量超过5g/kW·h但小于7g/kW·h时，排放故障报警灯点亮但扭矩输出正常，当NOx排放量超过7g/kW·h，排放故障报警灯点亮同时限制发动机扭矩输出，扭矩限制到60%[2]。上文中笔者提到的因SCR系统故障误判为喷油器问题即是如此，后经诊断排查是SCR系统产生结晶堵塞所致，其主要问题表现为在进行路试时加不起油，挂到5档、6档，踩足油门后发动机转速上不去，时速最高也不超过70km/h。 2 柴油机SCR系统的常见故障检修策略
NOx排放超标导致发动机ECU限制功率和扭矩输出的情况是SCR系统当下比较典型的问题。SCR系统问题影响柴油机NOx排放超标的原因主要有电控系统故障、尿素溶液、催化功能、机械故障等四个方面。
2.1 电控系统故障
电控系统故障方面主要包括信号中断、传感器故障。各传感器（包括温度传感器、氮氧化合物浓度传感器、尿素液面位置传感器）与SCR系统控制单元、发动机ECU之间的信号中断，或是SCR系统控制单元与发动机ECU之间的信号中断。传感器在排气管高温的条件下工作，加之废气中硫化物的腐蚀性加剧，传感器受损导致采集信号功能受限。这些信号中断或信号采集受限的情况都有可能导致SCR系统不能正常工作，排放的NOx浓度超标导致发动机限扭矩、功率。电控系统方面的故障应综合以故障诊断仪、万用表、示波器、试灯等专用工具加以诊断检测，在对电控系统故障诊断的基础上可以对传感器电阻、信号电压或波形加以检测分析。
2.2 尿素溶液
尿素溶液方面的问题主要有与尿素结晶、尿素溶液质量。尿素水溶液在水分蒸发后尿素结晶析出，尿素在低温（零下11℃）时也容易结晶导致尿素水溶液浓度降低，在冬季或是高寒地区因尿素加热系统功能受损时尿素水溶液还会结冰。所选用的尿素溶液本身浓度低（标准32.5%±0.5%），也会导致关键性还原剂NH3产生量不足、NOx转换率低，尾气中的氮氧化合物浓度超标。因此，发现尿素箱有结晶情况发生时要重点检查尿素溶液加热系统是否存在故障，原则上在维修过程中禁用不达标或是劣质的尿素水溶液。
2.3 催化功能
催化功能方面主要有催化剂“中毒”和SCR催化器堵塞。如果燃油质量不达标，燃油里面的硫、磷等物质会吸附在催化器上，未完全燃烧物一氧化碳、铅、锰等也会有吸附在催化器上作用，造成SCR催化器堵塞。这些原因都会造成SCR催化剂堵塞中毒失效，所谓的“中毒”指的是催化载体层表面被其他物质覆盖，阻止了废气中的有害成分与之接触而失去催化作用，这就是人们常说的SCR催化器“中毒”[3]。燃油品质、缸内燃烧状况不良等因素会导致PM增多以致阻塞、污染SCR催化器。严重的情况下因排气不畅会导致发动机无法正常启动。市场上SCR催化器成本高昂，对于催化剂“中毒”或是SCR催化器堵塞的情况，在能不更换的前提下建议以弱酸、弱堿类的高压水冲洗催化器恢复催化效果。催化器表面高温烧蚀、破碎、水中毒等，也会大幅降低催化器的催化转换率致使NOx浓度超标。因高温烧蚀、破碎、水中毒等导致的不可逆、永久性失效的情况，只有更换SCR催化器总成才能恢复催化还原功能。
2.4 机械故障
机械故障有尿素泵、喷嘴、换向阀等机械动作功能障碍。尿素泵里装有尿素泵电机、压力传感器、换向阀、加热电阻丝等元器件，尿素泵电机和换向阀由于长时间重复泵压及开启回流的机械动作，因此可能会发生磨损或是其他机械故障。压力传感器及加热电阻丝也会因为过压或是过载导致损坏。换向阀功能受损极易导致残留在管路中的尿素溶液无法回流而结晶，进而影响尿素溶液的正常供给。喷嘴在磨损过甚产生机械故障的基础上也会因为尿素结晶产生堵塞的情况。相关元器件损坏的情况建议以更换为主。喷嘴被结晶堵塞时，可使用50～60℃的纯净水浸泡，喷嘴浸泡6h仍堵塞，可更换[4]。
3 结语
柴油发动机SCR系统是当下中、重型柴油车必须装备的尾气排放处理系统，相关故障的产生涉及多方面的原因不止是本文中所列的几种因素。比如，SCR系统的尿素结晶堵塞不仅是与水分蒸发或是低温有关，还与驾驶员的操控习惯有关，后处理系统最后一个工作步骤会自动排除系统和管路里残留的尿素溶液以防止结冰或结晶，发动机熄火后等待1分钟以上的时间才可关闭电源总开关，这段时间内系统会自动进行排空过程，驾驶员长期习惯于熄火随即关闭总电源的情况下，容易导致残留在供给系统（管路）中的尿素溶液在低温下结冰，或是结晶堵塞。当然，针对不同的故障应采取相应的判别检修策略，以故障诊断仪（解码器）诊断为主、其他检测工具为辅，只有在掌握常规专业知识的基础上不断积累实践经验，才是排除柴油发动机SCR系统故障的有效途径。
参考文献：
[1]刘波.电控柴油机SCR系统故障诊断策略[J].汽车维护与修理，2020（02）：73-74.
[2]钟云刚.柴油车SCR系统故障引起发动机限扭原因研究[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（06）：114-116，118.
[3]杨君喜.SCR后处理系统催化器堵塞失效原因分析[J].农机使用与维修，2020（03）：82-83.
[4]陆超.柴油机SCR系统的故障诊断与排除[J].昆明冶金高等专科学校学报，2017，33（05）：39-42，62.
关键词：SCR系统;构造;工作原理;检修策略
0 引言
柴油机的主要排放污染物包括颗粒（PM）和氮氧化合物（NOx）。通过提升燃油喷射技术、优化缸内燃烧效果可以降低PM的排放。高温、富氧是产生NOx的两大前提条件，为保证柴油机燃油经济性和动力性，SCR是目前作为有效降低NOx排放的关键技术手段。随着国民经济的高速发展，对于环保理念的认知愈加深刻。SCR系统伴随着柴油机在轻、重型载货汽车上的使用越来越普遍，加之当下的柴油发动机电控系统普遍采用CAN总线作为信号与指令传输的渠道，车载自诊断系统（OBD）在明确NOx排放超标的前提下将信号反馈给发动机控制单元，发动机控制单元在已设定的标准下会强制性限制发动机的输出功率和扭矩、故障灯点亮。笔者在滇西德宏境内走访了十余家中小型规模的汽车修理厂，发现维修人员在柴油机SCR系统引发的故障方面往往无从下手，甚至因为分析不准确导致误判误修的情况时有发生。例如笔者所在地一家修理厂一起因SCR系统故障误判为喷油器问题，经过反复按技术标准校验、比对和装拆喷油器，结果故障依旧没有得到排除的案例。因此，学习柴油机SCR系统的难点在于弄清楚其构造及相关部件的功能及控制原理，并把相关知识点连贯起来达到掌握工作原理的目标，才能在故障检测与诊断分析时做到有的放矢。
1 柴油机SCR系统的构造及工作原理
1.1 SCR系统简介
按有无压缩空气辅助将柴油机SCR系统分为气助式和非气助式两种。国内以德国博世研发的非气助式SCR系统为主，玉柴、潍柴、一汽解放、康明斯等主机厂都选择匹配博世的SCR系统，包括云南省的云内动力也在使用博世研发的SCR系统。本文以目前大多数主机厂为满足“国VI”标准而配备的德国博世DeNOx5.3系统为主进行阐述。
1.2 SCR系统组成
SCR系统主要由尿素供给系统、喷射控制系统、监测系统、催化系统组成。尿素供给系统：尿素箱（包含过滤器）、尿素供给模块（包括尿素泵）、换向阀、尿素供给管路。气助式SCR系统还包括压缩空气系统;喷射控制系统：发动机（ECU）、喷射控制单元（DCU）;喷射系统：尿素液压管路、喷嘴;监测系统：尿素溶液加热控制单元（GCU）及加热部件、尿素液面位置传感器、排气温度传感器、NOx传感器等，也包括ECU和DCU;催化系统：SCR催化器（包含氨扩散混合气、催化转换器和消声器）。
1.3 SCR系统各部件功能
尿素箱用于储存质量分数为32.5%的尿素溶液，尿素箱里装有液位传感器、温度传感器和粗滤器，底部设有放出残液螺栓孔。当温度低于零下11℃度时尿素溶液会发生结冰，因此尿素箱里的温度传感器主要是用来检测尿素溶液温度，通过加热控制单元（GCU）使尿素溶液温度保持在15℃左右;尿素箱出口集成了尿素供给模块，其主要部件尿素泵在SCR控制单元DCU的控制下输送尿素溶液并为喷嘴发挥喷射功能建立液压;喷嘴的主要功能是在SCR系统控制单元DCU的精确控制下将尿素溶液喷射到SCR催化器的混合器中;换向阀在尿素供给的时候保持单向供给，在停止供给的时候反向回路打开将残留的尿素溶液抽回尿素箱，避免尿素结晶产生;尿素溶液在高温条件下分解产生的NH3与尾气里的NOx在SCR混合器中充分混合后进入SCR催化器的催化转换器，在催化剂的作用下NOx被NH3 还原生成N2和H2O排到外界环境;氮氧传感器的功能主要是采集NOx的浓度，针对不同的安装位置其功能又有所差别，如图1，在DOC前面的氮氧传感器主要是感知排气中NOx的原始浓度，根据发动机运行工况，DCU按标定值向尿素喷嘴发出指令，将精确尿素量喷入排气管中，在催化器中将NOx进行催化还原。SCR催化器前后两个氮氧传感器主要是为分析比较NOx催化还原效果而设置，当然，SCR催化器后面的氮氧传感器的主要功能还是为了检测经SCR系统处理后的氮氧化合物浓度是否达到系统中已设置的国家有关排放标准。
1.4 SCR系统工作原理
DCU通过发动机CAN总线与发动机ECU建立分层控制的通讯连接关系，DCU根据发动机转速、扭矩、催化器排气温度、氮氧化合物浓度等信号，在DOC前面排气温度传感器采集到温度高于180℃、发动机转速高于550r/min的时候，尿素泵开始建压。排气温度到达200℃后，发动机ECU控制SCR系统工作发挥催化还原NOx的功能，将计算好的尿素水溶液喷入SCR催化器前端SCR混合器，尿素（（NH2）2CO）在高温下发生热解和水解反应，最终分解成CO2和NH3，NH3在催化剂的催化作用下将NOx还原成NO2和H2O，其中涉及到的化学反应为：
（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2，NOx+NH3→N2+H2O，NOx主要有NO2和NO。
SCR系統装有自诊断系统（OBD），能实时监控相关部件，发现与排放有关部件出故障时，通过CAN总线将故障信息发送给发动机ECU，发动机ECU根据故障种类及故障属性做出相关响应，储存故障代码、点亮故障灯，必要时减少喷油量，限制发动机扭矩输出[1]。
具体说，即当监测到NOx排放量超过5g/kW·h但小于7g/kW·h时，排放故障报警灯点亮但扭矩输出正常，当NOx排放量超过7g/kW·h，排放故障报警灯点亮同时限制发动机扭矩输出，扭矩限制到60%[2]。上文中笔者提到的因SCR系统故障误判为喷油器问题即是如此，后经诊断排查是SCR系统产生结晶堵塞所致，其主要问题表现为在进行路试时加不起油，挂到5档、6档，踩足油门后发动机转速上不去，时速最高也不超过70km/h。 2 柴油机SCR系统的常见故障检修策略
NOx排放超标导致发动机ECU限制功率和扭矩输出的情况是SCR系统当下比较典型的问题。SCR系统问题影响柴油机NOx排放超标的原因主要有电控系统故障、尿素溶液、催化功能、机械故障等四个方面。
2.1 电控系统故障
电控系统故障方面主要包括信号中断、传感器故障。各传感器（包括温度传感器、氮氧化合物浓度传感器、尿素液面位置传感器）与SCR系统控制单元、发动机ECU之间的信号中断，或是SCR系统控制单元与发动机ECU之间的信号中断。传感器在排气管高温的条件下工作，加之废气中硫化物的腐蚀性加剧，传感器受损导致采集信号功能受限。这些信号中断或信号采集受限的情况都有可能导致SCR系统不能正常工作，排放的NOx浓度超标导致发动机限扭矩、功率。电控系统方面的故障应综合以故障诊断仪、万用表、示波器、试灯等专用工具加以诊断检测，在对电控系统故障诊断的基础上可以对传感器电阻、信号电压或波形加以检测分析。
2.2 尿素溶液
尿素溶液方面的问题主要有与尿素结晶、尿素溶液质量。尿素水溶液在水分蒸发后尿素结晶析出，尿素在低温（零下11℃）时也容易结晶导致尿素水溶液浓度降低，在冬季或是高寒地区因尿素加热系统功能受损时尿素水溶液还会结冰。所选用的尿素溶液本身浓度低（标准32.5%±0.5%），也会导致关键性还原剂NH3产生量不足、NOx转换率低，尾气中的氮氧化合物浓度超标。因此，发现尿素箱有结晶情况发生时要重点检查尿素溶液加热系统是否存在故障，原则上在维修过程中禁用不达标或是劣质的尿素水溶液。
2.3 催化功能
催化功能方面主要有催化剂“中毒”和SCR催化器堵塞。如果燃油质量不达标，燃油里面的硫、磷等物质会吸附在催化器上，未完全燃烧物一氧化碳、铅、锰等也会有吸附在催化器上作用，造成SCR催化器堵塞。这些原因都会造成SCR催化剂堵塞中毒失效，所谓的“中毒”指的是催化载体层表面被其他物质覆盖，阻止了废气中的有害成分与之接触而失去催化作用，这就是人们常说的SCR催化器“中毒”[3]。燃油品质、缸内燃烧状况不良等因素会导致PM增多以致阻塞、污染SCR催化器。严重的情况下因排气不畅会导致发动机无法正常启动。市场上SCR催化器成本高昂，对于催化剂“中毒”或是SCR催化器堵塞的情况，在能不更换的前提下建议以弱酸、弱堿类的高压水冲洗催化器恢复催化效果。催化器表面高温烧蚀、破碎、水中毒等，也会大幅降低催化器的催化转换率致使NOx浓度超标。因高温烧蚀、破碎、水中毒等导致的不可逆、永久性失效的情况，只有更换SCR催化器总成才能恢复催化还原功能。
2.4 机械故障
机械故障有尿素泵、喷嘴、换向阀等机械动作功能障碍。尿素泵里装有尿素泵电机、压力传感器、换向阀、加热电阻丝等元器件，尿素泵电机和换向阀由于长时间重复泵压及开启回流的机械动作，因此可能会发生磨损或是其他机械故障。压力传感器及加热电阻丝也会因为过压或是过载导致损坏。换向阀功能受损极易导致残留在管路中的尿素溶液无法回流而结晶，进而影响尿素溶液的正常供给。喷嘴在磨损过甚产生机械故障的基础上也会因为尿素结晶产生堵塞的情况。相关元器件损坏的情况建议以更换为主。喷嘴被结晶堵塞时，可使用50～60℃的纯净水浸泡，喷嘴浸泡6h仍堵塞，可更换[4]。
3 结语
柴油发动机SCR系统是当下中、重型柴油车必须装备的尾气排放处理系统，相关故障的产生涉及多方面的原因不止是本文中所列的几种因素。比如，SCR系统的尿素结晶堵塞不仅是与水分蒸发或是低温有关，还与驾驶员的操控习惯有关，后处理系统最后一个工作步骤会自动排除系统和管路里残留的尿素溶液以防止结冰或结晶，发动机熄火后等待1分钟以上的时间才可关闭电源总开关，这段时间内系统会自动进行排空过程，驾驶员长期习惯于熄火随即关闭总电源的情况下，容易导致残留在供给系统（管路）中的尿素溶液在低温下结冰，或是结晶堵塞。当然，针对不同的故障应采取相应的判别检修策略，以故障诊断仪（解码器）诊断为主、其他检测工具为辅，只有在掌握常规专业知识的基础上不断积累实践经验，才是排除柴油发动机SCR系统故障的有效途径。
参考文献：
[1]刘波.电控柴油机SCR系统故障诊断策略[J].汽车维护与修理，2020（02）：73-74.
[2]钟云刚.柴油车SCR系统故障引起发动机限扭原因研究[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（06）：114-116，118.
[3]杨君喜.SCR后处理系统催化器堵塞失效原因分析[J].农机使用与维修，2020（03）：82-83.
[4]陆超.柴油机SCR系统的故障诊断与排除[J].昆明冶金高等专科学校学报，2017，33（05）：39-42，62.