康明斯ISG柴油發動機SCR系統的工作過程分析

寧波市鄞州職業高級中學 顏世凱

康明斯ISG柴油發動機采用SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原反應）系統來處理氮氧化合物（NOx）的排放量，其功能是將柴油發動機排氣中的NOx轉化為氮氣（N2）和水（H2O）。如圖1所示，SCR系統的工作原理為：發動機控制模塊（ECM）控制噴射單元將一定量的液體尿素（DEF）噴射到SCR催化器上游的排氣管中，然后通過還原反應將NOx轉化成氮氣和水，最終排放到大氣中。

DEF是一種尿素濃度為32.5%（按重量）的尿素水溶液，具有液體清澈、不可燃、無毒、無污染的特性，但有輕微的氨氣味，且泄漏出來的DEF很容易因為水分蒸發而變成白色的晶體。DEF在-11 ℃時開始結冰。雖然DEF無毒，但應避免進入眼睛，如果DEF進入眼睛，應立即使用大量清水沖洗15 min。

康明斯ISG柴油發動機SCR系統的工作過程可分為4個階段，即初始化階段、預注階段（快速排空、系統建壓）、噴射階段（準備噴射、計量噴射）和排空階段。

1 初始化階段

接通點火開關但不起動發動機，SCR系統初始化并自檢。

2 預注階段

當滿足以下條件時才能進入預注階段：環境溫度、DEF罐內溫度及噴射單元內溫度均應高于-7 ℃（如果溫度過低，系統要先進行加熱解凍）；發動機運轉超過120 s或SCR催化器進口排氣溫度超過150 ℃。預注階段分為快速排空和系統建壓2個過程。

圖1 SCR系統的工作原理示意

圖2 快速排空過程

2.1 快速排空

快速排空的目的是排空系統內部所有可能存在的DEF和管道內的雜質，釋放噴射單元內部管路的殘余壓力。如圖2所示，快速排空時空氣切斷閥、DEF計量器和回流閥均打開，壓縮空氣流經2條通路：流經混合室和DEF噴射器；流經DEF計量器、噴射單元濾清器、回流閥和DEF罐。快速排空過程大約會持續10 s以上，快速排空后關閉空氣切斷閥。

2.2 系統建壓

發動機起動后，在第1個預注過程，隔膜泵把DEF的壓力提高至560 kPa～570 kPa。建壓開始后，可以聽見噴射單元內隔膜泵運轉一段時間。如果建壓成功，空氣切斷閥自動打開，空氣將流出噴射單元。如果建壓不成功，ECM會命令系統再進行1次預注。預注重復3次后，若建壓仍失敗，系統將強制停止隔膜泵，并存儲故障代碼1682。在停止隔膜泵前，系統同樣也會執行1次完整的排空階段。整個系統建壓過程大約持續2 min，其過程如圖3所示。

圖3 系統建壓過程

3 噴射階段

噴射階段分為準備噴射階段和計量噴射階段。在預注成功后，空氣切斷閥打開，隔膜泵進入待機狀態，此時進入準備噴射階段。計量噴射階段由ECM直接控制，是否計量噴射取決于NOx的產生量和相應的排氣溫度。在SCR催化器進口排氣溫度達到210 ℃之前，噴射單元不會噴射DEF到排氣管中。但是壓縮空氣會一直通過噴射單元、DEF噴射器噴入排氣管。在DEF噴射器和噴射管路沒有泄漏的情況下，壓縮空氣壓力被控制在400 kPa左右。噴入壓縮空氣的作用主要有壓縮空氣將DEF帶入排氣管、輔助DEF的霧化、防止DEF噴射器堵塞、冷卻DEF噴射器等。

3.1 準備噴射

在準備噴射階段，只有壓縮空氣被噴入排氣管，噴射單元內的隔膜泵停止運轉，等待ECM給出噴射指令。

3.2 計量噴射

當滿足一些工作條件后ECM控制DEF計量器開始噴射，即：DEF罐液位高于0%；壓縮空氣壓力高于300 kPa；DEF壓力高于480 kPa；SCR催化器進口排氣溫度超過220 ℃；進、出口2個排氣溫傳感器的平均溫度超過210 ℃；不存在當前SCR系統故障代碼。DEF計量器不停地打開和關閉，將DEF噴入混合室。DEF和壓縮空氣在混合室內混合，然后流進DEF噴射器。隔膜泵持續運轉并保持DEF壓力（550 kPa）。

4 排空階段

正常情況下，斷開點火開關后，系統自動執行1次排空作業。如果SCR系統存儲了當前故障代碼，ECM將會停止SCR系統的工作，但在停止SCR系統工作前會執行1次排空以清除內部殘余的DEF。對于由故障代碼造成的排空，排空結束后，空氣切斷閥仍保持為打開狀態，直到點火開關斷電，才會關閉空氣切斷閥。

排空的最初階段與預注階段的快速排空基本相同，空氣切斷閥打開，流經混合室和DEF噴射器，壓縮空氣帶走系統內部殘留的DEF，以避免噴射單元內的閥體及DEF噴射器堵塞；回流閥打開，噴射單元內部DEF的壓力泄回至DEF罐；DEF計量器打開，壓縮空氣通過DEF計量器進入噴射單元內DEF通路，在壓縮空氣壓力下噴射單元內殘留的DEF通過回流閥流回至DEF罐。在排空的最后階段，隔膜泵運轉將殘留在隔膜泵中的DEF排出。排空階段持續30 s后，系統停止工作。為保證排空順利完成，不得在車輛熄火后30 s內切斷常電源（如切斷電源總開關、拆卸蓄電池等）。