淺析柴油發(fā)動機SCR系統(tǒng)工作原理及常見故障檢修策略

劉曉攀 陳亞男

摘要：相較于汽油發(fā)動機，柴油發(fā)動機在燃油經(jīng)濟性和動力性上具有明顯的優(yōu)勢。隨著機動車污染物排放標準將進一步收緊，“國V”標準被“國VI”標準取代是大勢所趨。SCR（選擇性催化還原技術）作為國內有效降低柴油發(fā)動機排放污染物的排放后處理技術，無論是維修技術人員還是從事專業(yè)教學者都有必要在掌握其相應構造和工作原理的基礎上，結合專業(yè)知識針對一些常見故障加以分析和處理。

關鍵詞：SCR系統(tǒng);構造;工作原理;檢修策略

0? 引言

柴油機的主要排放污染物包括顆粒（PM）和氮氧化合物（NOx）。通過提升燃油噴射技術、優(yōu)化缸內燃燒效果可以降低PM的排放。高溫、富氧是產(chǎn)生NOx的兩大前提條件，為保證柴油機燃油經(jīng)濟性和動力性，SCR是目前作為有效降低NOx排放的關鍵技術手段。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于環(huán)保理念的認知愈加深刻。SCR系統(tǒng)伴隨著柴油機在輕、重型載貨汽車上的使用越來越普遍，加之當下的柴油發(fā)動機電控系統(tǒng)普遍采用CAN總線作為信號與指令傳輸?shù)那溃囕d自診斷系統(tǒng)（OBD）在明確NOx排放超標的前提下將信號反饋給發(fā)動機控制單元，發(fā)動機控制單元在已設定的標準下會強制性限制發(fā)動機的輸出功率和扭矩、故障燈點亮。筆者在滇西德宏境內走訪了十余家中小型規(guī)模的汽車修理廠，發(fā)現(xiàn)維修人員在柴油機SCR系統(tǒng)引發(fā)的故障方面往往無從下手，甚至因為分析不準確導致誤判誤修的情況時有發(fā)生。例如筆者所在地一家修理廠一起因SCR系統(tǒng)故障誤判為噴油器問題，經(jīng)過反復按技術標準校驗、比對和裝拆噴油器，結果故障依舊沒有得到排除的案例。因此，學習柴油機SCR系統(tǒng)的難點在于弄清楚其構造及相關部件的功能及控制原理，并把相關知識點連貫起來達到掌握工作原理的目標，才能在故障檢測與診斷分析時做到有的放矢。

1? 柴油機SCR系統(tǒng)的構造及工作原理

1.1 SCR系統(tǒng)簡介

按有無壓縮空氣輔助將柴油機SCR系統(tǒng)分為氣助式和非氣助式兩種。國內以德國博世研發(fā)的非氣助式SCR系統(tǒng)為主，玉柴、濰柴、一汽解放、康明斯等主機廠都選擇匹配博世的SCR系統(tǒng)，包括云南省的云內動力也在使用博世研發(fā)的SCR系統(tǒng)。本文以目前大多數(shù)主機廠為滿足“國VI”標準而配備的德國博世DeNOx5.3系統(tǒng)為主進行闡述。

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)測系統(tǒng)、催化系統(tǒng)組成。尿素供給系統(tǒng)：尿素箱（包含過濾器）、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)動機（ECU）、噴射控制單元（DCU）;噴射系統(tǒng)：尿素液壓管路、噴嘴;監(jiān)測系統(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（包含氨擴散混合氣、催化轉換器和消聲器）。

1.3 SCR系統(tǒng)各部件功能

尿素箱用于儲存質量分數(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，底部設有放出殘液螺栓孔。當溫度低于零下11℃度時尿素溶液會發(fā)生結冰，因此尿素箱里的溫度傳感器主要是用來檢測尿素溶液溫度，通過加熱控制單元（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候保持單向供給，在停止供給的時候反向回路打開將殘留的尿素溶液抽回尿素箱，避免尿素結晶產(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入SCR催化器的催化轉換器，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)動機運行工況，DCU按標定值向尿素噴嘴發(fā)出指令，將精確尿素量噴入排氣管中，在催化器中將NOx進行催化還原。SCR催化器前后兩個氮氧傳感器主要是為分析比較NOx催化還原效果而設置，當然，SCR催化器后面的氮氧傳感器的主要功能還是為了檢測經(jīng)SCR系統(tǒng)處理后的氮氧化合物濃度是否達到系統(tǒng)中已設置的國家有關排放標準。

1.4 SCR系統(tǒng)工作原理

DCU通過發(fā)動機CAN總線與發(fā)動機ECU建立分層控制的通訊連接關系，DCU根據(jù)發(fā)動機轉速、扭矩、催化器排氣溫度、氮氧化合物濃度等信號，在DOC前面排氣溫度傳感器采集到溫度高于180℃、發(fā)動機轉速高于550r/min的時候，尿素泵開始建壓。排氣溫度到達200℃后，發(fā)動機ECU控制SCR系統(tǒng)工作發(fā)揮催化還原NOx的功能，將計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，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，其中涉及到的化學反應為：

（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），能實時監(jiān)控相關部件，發(fā)現(xiàn)與排放有關部件出故障時，通過CAN總線將故障信息發(fā)送給發(fā)動機ECU，發(fā)動機ECU根據(jù)故障種類及故障屬性做出相關響應，儲存故障代碼、點亮故障燈，必要時減少噴油量，限制發(fā)動機扭矩輸出[1]。

具體說，即當監(jiān)測到NOx排放量超過5g/kW·h但小于7g/kW·h時，排放故障報警燈點亮但扭矩輸出正常，當NOx排放量超過7g/kW·h，排放故障報警燈點亮同時限制發(fā)動機扭矩輸出，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題即是如此，后經(jīng)診斷排查是SCR系統(tǒng)產(chǎn)生結晶堵塞所致，其主要問題表現(xiàn)為在進行路試時加不起油，掛到5檔、6檔，踩足油門后發(fā)動機轉速上不去，時速最高也不超過70km/h。

2? 柴油機SCR系統(tǒng)的常見故障檢修策略

NOx排放超標導致發(fā)動機ECU限制功率和扭矩輸出的情況是SCR系統(tǒng)當下比較典型的問題。SCR系統(tǒng)問題影響柴油機NOx排放超標的原因主要有電控系統(tǒng)故障、尿素溶液、催化功能、機械故障等四個方面。

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)動機ECU之間的信號中斷，或是SCR系統(tǒng)控制單元與發(fā)動機ECU之間的信號中斷。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，傳感器受損導致采集信號功能受限。這些信號中斷或信號采集受限的情況都有可能導致SCR系統(tǒng)不能正常工作，排放的NOx濃度超標導致發(fā)動機限扭矩、功率。電控系統(tǒng)方面的故障應綜合以故障診斷儀、萬用表、示波器、試燈等專用工具加以診斷檢測，在對電控系統(tǒng)故障診斷的基礎上可以對傳感器電阻、信號電壓或波形加以檢測分析。

2.2 尿素溶液

尿素溶液方面的問題主要有與尿素結晶、尿素溶液質量。尿素水溶液在水分蒸發(fā)后尿素結晶析出，尿素在低溫（零下11℃）時也容易結晶導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)功能受損時尿素水溶液還會結冰。所選用的尿素溶液本身濃度低（標準32.5%±0.5%），也會導致關鍵性還原劑NH3產(chǎn)生量不足、NOx轉換率低，尾氣中的氮氧化合物濃度超標。因此，發(fā)現(xiàn)尿素箱有結晶情況發(fā)生時要重點檢查尿素溶液加熱系統(tǒng)是否存在故障，原則上在維修過程中禁用不達標或是劣質的尿素水溶液。

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。如果燃油質量不達標，燃油里面的硫、磷等物質會吸附在催化器上，未完全燃燒物一氧化碳、鉛、錳等也會有吸附在催化器上作用，造成SCR催化器堵塞。這些原因都會造成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，這就是人們常說的SCR催化器“中毒”[3]。燃油品質、缸內燃燒狀況不良等因素會導致PM增多以致阻塞、污染SCR催化器。嚴重的情況下因排氣不暢會導致發(fā)動機無法正常啟動。市場上SCR催化器成本高昂，對于催化劑“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、弱堿類的高壓水沖洗催化器恢復催化效果。催化器表面高溫燒蝕、破碎、水中毒等，也會大幅降低催化器的催化轉換率致使NOx濃度超標。因高溫燒蝕、破碎、水中毒等導致的不可逆、永久性失效的情況，只有更換SCR催化器總成才能恢復催化還原功能。

2.4 機械故障

機械故障有尿素泵、噴嘴、換向閥等機械動作功能障礙。尿素泵里裝有尿素泵電機、壓力傳感器、換向閥、加熱電阻絲等元器件，尿素泵電機和換向閥由于長時間重復泵壓及開啟回流的機械動作，因此可能會發(fā)生磨損或是其他機械故障。壓力傳感器及加熱電阻絲也會因為過壓或是過載導致?lián)p壞。換向閥功能受損極易導致殘留在管路中的尿素溶液無法回流而結晶，進而影響尿素溶液的正常供給。噴嘴在磨損過甚產(chǎn)生機械故障的基礎上也會因為尿素結晶產(chǎn)生堵塞的情況。相關元器件損壞的情況建議以更換為主。噴嘴被結晶堵塞時，可使用50～60℃的純凈水浸泡，噴嘴浸泡6h仍堵塞，可更換[4]。

3? 結語

柴油發(fā)動機SCR系統(tǒng)是當下中、重型柴油車必須裝備的尾氣排放處理系統(tǒng)，相關故障的產(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)的尿素結晶堵塞不僅是與水分蒸發(fā)或是低溫有關，還與駕駛員的操控習慣有關，后處理系統(tǒng)最后一個工作步驟會自動排除系統(tǒng)和管路里殘留的尿素溶液以防止結冰或結晶，發(fā)動機熄火后等待1分鐘以上的時間才可關閉電源總開關，這段時間內系統(tǒng)會自動進行排空過程，駕駛員長期習慣于熄火隨即關閉總電源的情況下，容易導致殘留在供給系統(tǒng)（管路）中的尿素溶液在低溫下結冰，或是結晶堵塞。當然，針對不同的故障應采取相應的判別檢修策略，以故障診斷儀（解碼器）診斷為主、其他檢測工具為輔，只有在掌握常規(guī)專業(yè)知識的基礎上不斷積累實踐經(jīng)驗，才是排除柴油發(fā)動機SCR系統(tǒng)故障的有效途徑。

參考文獻：

[1]劉波.電控柴油機SCR系統(tǒng)故障診斷策略[J].汽車維護與修理，2020（02）：73-74.

[2]鐘云剛.柴油車SCR系統(tǒng)故障引起發(fā)動機限扭原因研究[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018（06）：114-116，118.

[3]楊君喜.SCR后處理系統(tǒng)催化器堵塞失效原因分析[J].農(nóng)機使用與維修，2020（03）：82-83.

[4]陸超.柴油機SCR系統(tǒng)的故障診斷與排除[J].昆明冶金高等?？茖W校學報，2017，33（05）：39-42，62.