康明斯ISG柴油发动机SCR系统的工作过程分析

宁波市鄞州职业高级中学 颜世凯

康明斯ISG柴油发动机采用SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原反应）系统来处理氮氧化合物（NOx）的排放量，其功能是将柴油发动机排气中的NOx转化为氮气（N2）和水（H2O）。如图1所示，SCR系统的工作原理为：发动机控制模块（ECM）控制喷射单元将一定量的液体尿素（DEF）喷射到SCR催化器上游的排气管中，然后通过还原反应将NOx转化成氮气和水，最终排放到大气中。

DEF是一种尿素浓度为32.5%（按重量）的尿素水溶液，具有液体清澈、不可燃、无毒、无污染的特性，但有轻微的氨气味，且泄漏出来的DEF很容易因为水分蒸发而变成白色的晶体。DEF在-11 ℃时开始结冰。虽然DEF无毒，但应避免进入眼睛，如果DEF进入眼睛，应立即使用大量清水冲洗15 min。

康明斯ISG柴油发动机SCR系统的工作过程可分为4个阶段，即初始化阶段、预注阶段（快速排空、系统建压）、喷射阶段（准备喷射、计量喷射）和排空阶段。

1 初始化阶段

接通点火开关但不起动发动机，SCR系统初始化并自检。

2 预注阶段

当满足以下条件时才能进入预注阶段：环境温度、DEF罐内温度及喷射单元内温度均应高于-7 ℃（如果温度过低，系统要先进行加热解冻）；发动机运转超过120 s或SCR催化器进口排气温度超过150 ℃。预注阶段分为快速排空和系统建压2个过程。

图1 SCR系统的工作原理示意

图2 快速排空过程

2.1 快速排空

快速排空的目的是排空系统内部所有可能存在的DEF和管道内的杂质，释放喷射单元内部管路的残余压力。如图2所示，快速排空时空气切断阀、DEF计量器和回流阀均打开，压缩空气流经2条通路：流经混合室和DEF喷射器；流经DEF计量器、喷射单元滤清器、回流阀和DEF罐。快速排空过程大约会持续10 s以上，快速排空后关闭空气切断阀。

2.2 系统建压

发动机起动后，在第1个预注过程，隔膜泵把DEF的压力提高至560 kPa～570 kPa。建压开始后，可以听见喷射单元内隔膜泵运转一段时间。如果建压成功，空气切断阀自动打开，空气将流出喷射单元。如果建压不成功，ECM会命令系统再进行1次预注。预注重复3次后，若建压仍失败，系统将强制停止隔膜泵，并存储故障代码1682。在停止隔膜泵前，系统同样也会执行1次完整的排空阶段。整个系统建压过程大约持续2 min，其过程如图3所示。

图3 系统建压过程

3 喷射阶段

喷射阶段分为准备喷射阶段和计量喷射阶段。在预注成功后，空气切断阀打开，隔膜泵进入待机状态，此时进入准备喷射阶段。计量喷射阶段由ECM直接控制，是否计量喷射取决于NOx的产生量和相应的排气温度。在SCR催化器进口排气温度达到210 ℃之前，喷射单元不会喷射DEF到排气管中。但是压缩空气会一直通过喷射单元、DEF喷射器喷入排气管。在DEF喷射器和喷射管路没有泄漏的情况下，压缩空气压力被控制在400 kPa左右。喷入压缩空气的作用主要有压缩空气将DEF带入排气管、辅助DEF的雾化、防止DEF喷射器堵塞、冷却DEF喷射器等。

3.1 准备喷射

在准备喷射阶段，只有压缩空气被喷入排气管，喷射单元内的隔膜泵停止运转，等待ECM给出喷射指令。

3.2 计量喷射

当满足一些工作条件后ECM控制DEF计量器开始喷射，即：DEF罐液位高于0%；压缩空气压力高于300 kPa；DEF压力高于480 kPa；SCR催化器进口排气温度超过220 ℃；进、出口2个排气温传感器的平均温度超过210 ℃；不存在当前SCR系统故障代码。DEF计量器不停地打开和关闭，将DEF喷入混合室。DEF和压缩空气在混合室内混合，然后流进DEF喷射器。隔膜泵持续运转并保持DEF压力（550 kPa）。

4 排空阶段

正常情况下，断开点火开关后，系统自动执行1次排空作业。如果SCR系统存储了当前故障代码，ECM将会停止SCR系统的工作，但在停止SCR系统工作前会执行1次排空以清除内部残余的DEF。对于由故障代码造成的排空，排空结束后，空气切断阀仍保持为打开状态，直到点火开关断电，才会关闭空气切断阀。

排空的最初阶段与预注阶段的快速排空基本相同，空气切断阀打开，流经混合室和DEF喷射器，压缩空气带走系统内部残留的DEF，以避免喷射单元内的阀体及DEF喷射器堵塞；回流阀打开，喷射单元内部DEF的压力泄回至DEF罐；DEF计量器打开，压缩空气通过DEF计量器进入喷射单元内DEF通路，在压缩空气压力下喷射单元内残留的DEF通过回流阀流回至DEF罐。在排空的最后阶段，隔膜泵运转将残留在隔膜泵中的DEF排出。排空阶段持续30 s后，系统停止工作。为保证排空顺利完成，不得在车辆熄火后30 s内切断常电源（如切断电源总开关、拆卸蓄电池等）。