國V SCR后處理系統工作原理及典型故障分析

席佩佩，徐志雷

（山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司，山東 淄博 255100）

SCR系統即選擇性催化還原系統（Selective Catalytic Reduction System），是應用于發動機排氣系統，將排氣中的氮氧化物（NOx）進行選擇性催化還原成氮氣和水，以降低NOx排放量的排氣后處理系統。SCR后處理系統是國V柴油機主流配置，分為空氣輔助式和無氣輔助式。

1 SCR系統構成

SCR系統由催化消聲器、計量噴射系統、尿素罐、噴嘴、DCU、管路（尿素吸液管、噴射管、回液管，集成電加熱功能）、空氣濾清器（空氣輔助式專用）、傳感器和線束構成。SCR系統構成如圖1所示。本文主要介紹SCR系統的電控部分。

1.1 DCU

DCU（Dosing Control Unit）即尿素噴射控制器，外形如圖2所示。主要功能如下。

1）控制尿素噴射 DCU通過CAN總線和發動機ECU通信，獲取發動機運行狀態參數，同時采集催化器溫度信號，實時計算尿素噴射量，并驅動計量泵從尿素箱抽取相應量的尿素，經壓力管將尿素送到噴嘴，噴入催化消聲器。

圖1 SCR系統構成圖

2）控制尿素加熱系統工作 尿素溶液在-11℃會結冰，為了保證SCR在寒冷的冬天也能正常工作，就必須將尿素溶液加熱解凍；當DCU通過尿素箱溫度傳感器和環境溫度傳感器斷定尿素溶液結冰后，DCU將會控制冷卻水電磁閥（圖3）打開，利用發動機冷卻液，對尿素箱的尿素液進行解凍。同時控制尿素管路加熱絲得電，對尿素管路進行加熱，防止尿素管路結冰。

圖2 DCU外形圖

圖3 冷卻水電磁閥外形圖

3）OBD診斷功能 DCU可通過CAN總線向ECU發送OBD信息。識別可能導致排放超標的故障區域，并以故障代碼的形式儲存在電控單元儲存器中，同時點亮儀表OBD故障燈。當故障導致排放明顯惡化時，激活發動機扭矩限制功能，避免排放進一步惡化，提醒駕駛員盡早進行維修。

4）儀表尿素液位顯示/低液位報警功能 組合儀表根據尿素箱液位傳感器提供的信號，進行液位顯示。在尿素液位低于12%液位時，點亮尿素液位報警燈。尿素液位顯示有以下兩種模式：①尿素液位PWM輸出：DCU輸出尿素液位PWM信號給組合儀表顯示液位，PWM波頻率為50 Hz，高電平所占比率對應的就是液位值，即液位為10%時，占空比為10%。占空比輸出范圍0%～100%。②尿素液位CAN信號輸出：DCU通過CAN通信線發送液位報文給組合儀表。

1.2 計量噴射系統

計量噴射系統外形如圖4所示，內部集成計量泵、壓縮空氣電磁閥（空氣輔助式專用）、壓力傳感器、溫度傳感器等。

計量泵是計量噴射系統的重要組成部分。主要功能是抽取尿素箱的尿素溶液，并保持一定壓力，然后輸送到噴射單元，滿足計量噴射系統對流量和壓力的要求。

DCU或計量噴射系統通過控制壓縮空氣電磁閥向催化消聲器噴入壓縮空氣，提升尿素溶液霧化效果。

1.3 NOx傳感器

NOx傳感器（圖5）用于測量催化轉換器反應后NOx的濃度，并將其監測信號通過CAN線反饋給DCU和發動機ECU，用以控制尿素噴射量和OBD監控。

圖4 計量噴射系統外形圖

圖5 NOx傳感器外形圖

2 SCR后處理系統控制原理及工作過程

2.1 SCR后處理系統控制原理

不同廠家SCR后處理系統控制原理各不相同，表1列出了各廠家后處理系統主要區別。圖6為凱龍SCR系統控制原理，圖7、圖8分別為艾可藍計量泵和威孚力達計量泵控制原理。

凱龍DCU的電源系統包括：主繼電器提供的常電（DCU控制，關鑰匙30s后再斷電）、鑰匙開關ON擋信號、搭鐵；DCU輸入信號包括：環境溫度傳感器、前排氣溫度傳感器、尿素溫度和液位傳感器；DCU控制執行器包括：冷卻水電磁閥、尿素管加熱絲、尿素噴閥，同時DCU通過CAN線和NOx傳感器、發動機ECU、組合儀表進行通信，根據接收到的信號，精確計算尿素噴射量，控制尿素泵的動作。

計量噴射系統和DCU間的連接方式主要有以下3種：計量噴射系統和DCU通過硬線連接，如艾可藍（圖7）；計量噴射系統內部集成控制器，通過CAN線將檢測到的溫度、壓力信號反饋給DCU，并接收DCU的控制信號，如威孚力達和依柯卡特（圖8）；計量噴射系統和DCU集成在一起，無需單獨接線，如凱龍和恒河。

2.2 空氣輔助式SCR系統工作過程

1）氣體檢測 當車輛鑰匙開關打到ON擋時，DCU上電，計量噴射系統內部的空氣電磁閥瞬間打開，DCU檢測氣體壓力。若大于設定值則進入下個狀態；若小于設定值，則進行數次氣體檢測，檢測失敗則報空氣壓力低故障。

2）填充 當DCU檢測到發動機起動后，計量泵從尿素箱中抽吸尿素溶液，將整個尿素噴射管路填充滿尿素。目的是為了排除吸液管中的空氣，防止后期尿素計量出現偏差。預注成功后壓縮空氣電磁閥打開，壓縮空氣將一直從噴嘴氣孔吹出，給噴嘴降溫，防止尿素結晶，并幫助尿素溶液更好地霧化。

3）噴射前等待 該狀態為一個過渡狀態，尿素溶液填充完畢充滿整個尿素管路，氣體一直從噴嘴的氣孔噴出。

4）噴射 DCU依據原始氮氧化物、循環油耗、發動機扭矩、進排氣空氣質量流量、排氣溫度等參數計算尿素噴射量，并將計算出來的噴射量發送給計量泵。計量泵定量地從尿素箱中抽取尿素溶液，從噴嘴噴射出來，同時壓縮空氣一直噴射。尿素溶液被噴射到排氣管中，與發動機排氣進行均勻混合并進行化學反應，凈化排氣。

表1 不同廠家后處理系統主要區別

圖6 凱龍SCR系統控制原理

圖7 艾可藍計量泵控制原理

圖8 威孚力達計量泵控制原理

5）排空 鑰匙關閉后，計量泵由DCU控制的主繼電器繼續供電30 s，泵內部排空電磁閥上電打開，氣體將計量泵和電加熱尿素噴射管中的尿素吹走，防止尿素凍結堵塞損傷尿素管路。

3 典型故障處理

3.1 故障現象

某公司生產的一臺國V云內4102發動機車型，裝配威孚力達后處理系統。用戶提車不久，出現OBD燈常亮問題。車輛沒有限扭，可以正常行駛。服務站檢查了后處理的供電系統，無問題。更換新的DCU，故障現象依舊，請求技術支持。

3.2 故障診斷與分析

用KT770診斷的故障碼為：P3081——系統預注失敗或建壓失敗，當前故障；P3082——進液管或進氣管堵塞或脫落或空氣電磁閥卡死。

1）故障處理 本著先易后難的原則，先檢查P3082故障。檢查進液管、回液管、進氣管沒有虧折，因為是新車，接頭處也無磨損、泄漏等現象，檢查線束接頭無端子脫落問題，但發現空氣電磁閥線束接頭未卡到位。拔下線束插頭重新插，發現和空氣電磁閥并不十分匹配，同時發現空氣閥處線束裝配明顯偏緊，和冷卻液電磁閥線束插頭又外形相近（圖9、圖10、圖11、圖12），懷疑兩插頭接反。插頭互換后，匹配合適。重新連接診斷儀，發現故障已為歷史故障，清碼后，OBD燈熄滅。對照線束圖（圖13），發現冷卻液電磁閥和空氣電磁閥在同一個分支，只是長度不同，車間裝配時插錯位置。

圖9 空氣電磁閥位置

圖10 冷卻液電磁閥位置

圖11 空氣電磁閥插頭形狀

圖12 冷卻液電磁閥插頭形狀

圖13 空氣電磁閥和冷卻液電磁閥處線束圖

2）故障分析 本次故障是因為空氣電磁閥和冷卻液電磁閥線束插頭插反導致。空氣電磁閥接收不到計量泵發出的信號，不能正常打開，導致尿素霧化不好，影響催化還原反應，從而使NOx傳感器檢測到的氮氧化合物濃度偏高，當檢測到NOX＞3.5g/kW·h時，點亮OBD燈。因沒有空氣注入，系統報進氣管堵塞或脫落或空氣電磁閥卡死故障、建壓失敗故障。

系統預注失敗或建壓失敗的原因有：①沒有尿素或尿素液位信號故障；②尿素泵故障；③尿素管路不通，如進液管、回液管、噴射管堵塞，噴嘴堵塞、故障等；④空氣管堵塞；⑤排氣溫度傳感器故障（排氣溫度低于200 ℃，尿素噴射系統不工作）；⑥加熱系統故障，包括加熱繼電器、加熱電磁閥、加熱絲、尿素箱溫度傳感器等（此條主要是在寒冷環境下，會引起尿素結晶，尿素管路堵塞）；⑦以上部位線束插頭退針、錯位等故障。

4 結論

本文對SCR后處理系統的構成、電控原理進行分析，同時對比了不同廠家后處理系統的控制原理。通過典型故障分析，為后處理系統的故障處理提供參考意見。

［1］ 凱龍后處理系統整車匹配說明［Z］.

［2］ 威孚力達后處理系統整車匹配說明［Z］.

［3］ 艾可藍后處理系統整車匹配說明［Z］.

［4］ 恒河后處理系統整車匹配說明［Z］.

［5］ 依柯卡特后處理系統整車匹配說明［Z］.