国V SCR后处理系统工作原理及典型故障分析

2018-06-07席佩佩徐志雷

汽车电器 2018年5期

席佩佩，徐志雷

（山东唐骏欧铃汽车制造有限公司，山东淄博 255100）

SCR系统即选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduction System），是应用于发动机排气系统，将排气中的氮氧化物（NOx）进行选择性催化还原成氮气和水，以降低NOx排放量的排气后处理系统。SCR后处理系统是国V柴油机主流配置，分为空气辅助式和无气辅助式。

1 SCR系统构成

SCR系统由催化消声器、计量喷射系统、尿素罐、喷嘴、DCU、管路（尿素吸液管、喷射管、回液管，集成电加热功能）、空气滤清器（空气辅助式专用）、传感器和线束构成。SCR系统构成如图1所示。本文主要介绍SCR系统的电控部分。

1.1 DCU

DCU（Dosing Control Unit）即尿素喷射控制器，外形如图2所示。主要功能如下。

1）控制尿素喷射 DCU通过CAN总线和发动机ECU通信，获取发动机运行状态参数，同时采集催化器温度信号，实时计算尿素喷射量，并驱动计量泵从尿素箱抽取相应量的尿素，经压力管将尿素送到喷嘴，喷入催化消声器。

图1 SCR系统构成图

2）控制尿素加热系统工作尿素溶液在-11℃会结冰，为了保证SCR在寒冷的冬天也能正常工作，就必须将尿素溶液加热解冻；当DCU通过尿素箱温度传感器和环境温度传感器断定尿素溶液结冰后，DCU将会控制冷却水电磁阀（图3）打开，利用发动机冷却液，对尿素箱的尿素液进行解冻。同时控制尿素管路加热丝得电，对尿素管路进行加热，防止尿素管路结冰。

图2 DCU外形图

图3 冷却水电磁阀外形图

3）OBD诊断功能 DCU可通过CAN总线向ECU发送OBD信息。识别可能导致排放超标的故障区域，并以故障代码的形式储存在电控单元储存器中，同时点亮仪表OBD故障灯。当故障导致排放明显恶化时，激活发动机扭矩限制功能，避免排放进一步恶化，提醒驾驶员尽早进行维修。

4）仪表尿素液位显示/低液位报警功能组合仪表根据尿素箱液位传感器提供的信号，进行液位显示。在尿素液位低于12%液位时，点亮尿素液位报警灯。尿素液位显示有以下两种模式：①尿素液位PWM输出：DCU输出尿素液位PWM信号给组合仪表显示液位，PWM波频率为50 Hz，高电平所占比率对应的就是液位值，即液位为10%时，占空比为10%。占空比输出范围0%～100%。②尿素液位CAN信号输出：DCU通过CAN通信线发送液位报文给组合仪表。

1.2 计量喷射系统

计量喷射系统外形如图4所示，内部集成计量泵、压缩空气电磁阀（空气辅助式专用）、压力传感器、温度传感器等。

计量泵是计量喷射系统的重要组成部分。主要功能是抽取尿素箱的尿素溶液，并保持一定压力，然后输送到喷射单元，满足计量喷射系统对流量和压力的要求。

DCU或计量喷射系统通过控制压缩空气电磁阀向催化消声器喷入压缩空气，提升尿素溶液雾化效果。

1.3 NOx传感器

NOx传感器（图5）用于测量催化转换器反应后NOx的浓度，并将其监测信号通过CAN线反馈给DCU和发动机ECU，用以控制尿素喷射量和OBD监控。

图4 计量喷射系统外形图

图5 NOx传感器外形图

2 SCR后处理系统控制原理及工作过程

2.1 SCR后处理系统控制原理

不同厂家SCR后处理系统控制原理各不相同，表1列出了各厂家后处理系统主要区别。图6为凯龙SCR系统控制原理，图7、图8分别为艾可蓝计量泵和威孚力达计量泵控制原理。

凯龙DCU的电源系统包括：主继电器提供的常电（DCU控制，关钥匙30s后再断电）、钥匙开关ON挡信号、搭铁；DCU输入信号包括：环境温度传感器、前排气温度传感器、尿素温度和液位传感器；DCU控制执行器包括：冷却水电磁阀、尿素管加热丝、尿素喷阀，同时DCU通过CAN线和NOx传感器、发动机ECU、组合仪表进行通信，根据接收到的信号，精确计算尿素喷射量，控制尿素泵的动作。

计量喷射系统和DCU间的连接方式主要有以下3种：计量喷射系统和DCU通过硬线连接，如艾可蓝（图7）；计量喷射系统内部集成控制器，通过CAN线将检测到的温度、压力信号反馈给DCU，并接收DCU的控制信号，如威孚力达和依柯卡特（图8）；计量喷射系统和DCU集成在一起，无需单独接线，如凯龙和恒河。

2.2 空气辅助式SCR系统工作过程

1）气体检测当车辆钥匙开关打到ON挡时，DCU上电，计量喷射系统内部的空气电磁阀瞬间打开，DCU检测气体压力。若大于设定值则进入下个状态；若小于设定值，则进行数次气体检测，检测失败则报空气压力低故障。

2）填充当DCU检测到发动机起动后，计量泵从尿素箱中抽吸尿素溶液，将整个尿素喷射管路填充满尿素。目的是为了排除吸液管中的空气，防止后期尿素计量出现偏差。预注成功后压缩空气电磁阀打开，压缩空气将一直从喷嘴气孔吹出，给喷嘴降温，防止尿素结晶，并帮助尿素溶液更好地雾化。

3）喷射前等待该状态为一个过渡状态，尿素溶液填充完毕充满整个尿素管路，气体一直从喷嘴的气孔喷出。

4）喷射 DCU依据原始氮氧化物、循环油耗、发动机扭矩、进排气空气质量流量、排气温度等参数计算尿素喷射量，并将计算出来的喷射量发送给计量泵。计量泵定量地从尿素箱中抽取尿素溶液，从喷嘴喷射出来，同时压缩空气一直喷射。尿素溶液被喷射到排气管中，与发动机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气。

表1 不同厂家后处理系统主要区别

图6 凯龙SCR系统控制原理

图7 艾可蓝计量泵控制原理

图8 威孚力达计量泵控制原理

5）排空钥匙关闭后，计量泵由DCU控制的主继电器继续供电30 s，泵内部排空电磁阀上电打开，气体将计量泵和电加热尿素喷射管中的尿素吹走，防止尿素冻结堵塞损伤尿素管路。

3 典型故障处理

3.1 故障现象

某公司生产的一台国V云内4102发动机车型，装配威孚力达后处理系统。用户提车不久，出现OBD灯常亮问题。车辆没有限扭，可以正常行驶。服务站检查了后处理的供电系统，无问题。更换新的DCU，故障现象依旧，请求技术支持。

3.2 故障诊断与分析

用KT770诊断的故障码为：P3081——系统预注失败或建压失败，当前故障；P3082——进液管或进气管堵塞或脱落或空气电磁阀卡死。

1）故障处理本着先易后难的原则，先检查P3082故障。检查进液管、回液管、进气管没有亏折，因为是新车，接头处也无磨损、泄漏等现象，检查线束接头无端子脱落问题，但发现空气电磁阀线束接头未卡到位。拔下线束插头重新插，发现和空气电磁阀并不十分匹配，同时发现空气阀处线束装配明显偏紧，和冷却液电磁阀线束插头又外形相近（图9、图10、图11、图12），怀疑两插头接反。插头互换后，匹配合适。重新连接诊断仪，发现故障已为历史故障，清码后，OBD灯熄灭。对照线束图（图13），发现冷却液电磁阀和空气电磁阀在同一个分支，只是长度不同，车间装配时插错位置。

图9 空气电磁阀位置

图10 冷却液电磁阀位置

图11 空气电磁阀插头形状

图12 冷却液电磁阀插头形状

图13 空气电磁阀和冷却液电磁阀处线束图

2）故障分析本次故障是因为空气电磁阀和冷却液电磁阀线束插头插反导致。空气电磁阀接收不到计量泵发出的信号，不能正常打开，导致尿素雾化不好，影响催化还原反应，从而使NOx传感器检测到的氮氧化合物浓度偏高，当检测到NOX＞3.5g/kW·h时，点亮OBD灯。因没有空气注入，系统报进气管堵塞或脱落或空气电磁阀卡死故障、建压失败故障。

系统预注失败或建压失败的原因有：①没有尿素或尿素液位信号故障；②尿素泵故障；③尿素管路不通，如进液管、回液管、喷射管堵塞，喷嘴堵塞、故障等；④空气管堵塞；⑤排气温度传感器故障（排气温度低于200 ℃，尿素喷射系统不工作）；⑥加热系统故障，包括加热继电器、加热电磁阀、加热丝、尿素箱温度传感器等（此条主要是在寒冷环境下，会引起尿素结晶，尿素管路堵塞）；⑦以上部位线束插头退针、错位等故障。