国四柴油机排放后处理系统组成及常见故障分析

摘要：非道路国四排放标准对NOx和颗粒物排放的要求，跟前三个阶段排放标准相比有很大区别，因为采用了后处理技术，使发动机外观发生了明显改变，同时维护和保养技术也有所不同。基于此，以沃尔沃EC950F型挖掘机配备的沃尔沃D16J型发动机为例，对国四柴油发动机后处理系统及保养维护、常见故障进行分析，希望对设备使用单位、维护人员有所帮助。

关键词：后处理；国四排放；DPF；SCR；DOC

1 后处理系统概述

柴油机排放气体主要包括N2、CO2、H2O、O2以及少量的污染物。在污染物中，主要包括氮氧化物NOx、碳氢化合物HC、一氧化碳CO，硫氧化物SOx以及颗粒物PM（Particulate Matter）等。这些物质对环境、对人体都是有害物质，虽然在整体排放中含量不多，但仍然需要进行控制，其中又以氮氧化物NOx排放最多，颗粒物PM对人体危害最大。

要使柴油机排放满足标准要求，须对柴油机本体进行技术升级、改进燃料品质并应用排气后处理器。柴油机本体排放与燃烧室结构、燃油系统、进排气系统等等有密切关系，例如采用高压共轨系统、改变燃油喷射时间、增压中冷技术、内部EGR（Exhaust Gas Recirculation废气再循环）系统等。

所谓后处理系统，英文为EATS（Exhaust After treatment system），即发动机排气后处理系统。后处理系统是在柴油发动机之外另外增加一套系统，主要目的是为了减少氮氧化物和颗粒物的排放，同时减少HC和CO的排放。而硫氧化物SOx一般是无法通过后处理解决的，只能通过提高燃油的品质，减少燃油本身的含硫量来解决。

针对非道路国一至国三排放标准，国内相关企业为了减少排放采取措施，例如针对国二排放标准普遍采用燃油共轨技术，针对国三排放标准普遍采用EGR技术等，但从发动机整体外观上看并没有非常明显的差别。非道路国四排放标准对NOx和颗粒物排放的要求，跟前三个阶段排放标准相比有很大区别，因为增加了后处理技术，使发动机外观发生了明显改变，同时维护和保养技术也有所不同。

2 后处理系统结构组成及工作原理

后处理主要是为了减少PM和NOx，因此柴油机所采取的国四路线均为使用DPF来减少颗粒物，使用EGR及SCR系统来减少NOx。

2.1 DPF

DPF为Diesel Particulate Filter的缩写，即柴油颗粒过滤器，即用来过滤柴油燃烧生成的颗粒物。DPF可分为纤维填充式、直流式以及壁流式等，其中壁流式DPF是柴油机颗粒过滤器中应用最为广泛和最为有效的装置。燃烧产生的颗粒物在到达DPF时，经过一系列的碰撞，从而被捕捉在DPF的壁上，所以DPF又被称作柴油颗粒捕捉器。颗粒物经过一段时间的积累，会累积在DPF的壁上，使过滤器的压降逐渐增大，导致排气阻力增大，使缸内燃烧恶化，影响柴油机动力输出和经济性。为了解决这个问题，必须利用再生技术将积累在DPF上的碳烟颗粒燃烧掉。所谓“再生”，顾名思义，即通过燃烧DPF内的碳烟颗粒，让DPF重新恢复正常的使用功能。

碳烟燃烧温度约为550～700℃，而柴油机排气温度约为180～450℃，颗粒物无法在柴油机正常工况下的排气中完全燃烧，因此需要采用辅助技术实现过滤体的再生。再生一般又分为被动再生和主动再生。被动再生的原理是利用催化剂降低颗粒物的氧化温度，使其能在较低的温度下氧化。主动再生包括喷油助燃再生、电加热再生、微波再生、红外再生等，其都是通过外加热源将尾气温度，提高至颗粒物的燃烧温度，使颗粒物与尾气中的氧气等反应，以清除颗粒物实现再生的目的。

2.2 a6t859qAeBdmUpNm+BClEw==DOC

为了能够实现主动再生，需在DPF前面增加另一部件DOC（Diesel Oxidation Catalyst），即柴油氧化催化器。在DOC中，碳氢化合物跟氧气发生反应，生成H2O和CO2，并产生热量，使排气达到使碳烟颗粒燃烧的温度。同时在DOC中，CO会跟O2发生反应生成CO2。DOC载体（基体）的表面通常涂覆一层涂层材料，催化剂位于涂层表面，直接与柴油机排气接触，以加速氧化反应。常见的载体材料有陶瓷（堇青石、碳化硅等）和金属两类。

2.3 再生

2.3.1 被动再生

被动再生过程中，碳烟颗粒可以在没有发动机管理系统干预情况下持续氧化燃烧，其再生效果随排气温度增加而增加。在被动再生期间，后处理系统中的温度不受ACM（后处理控制单元）控制，且不涉及任何操作员交互作用或任何排气后处理执行器的激活。

2.3.2 主动再生

在主动再生过程中，ECM（发动机控制单元）可改变发动机的运行条件，以便达到所需的排气温度。对于沃尔沃D16J型发动机，可采用进气节气门、EGR、VGT（Variable-

geometry turbochargers可变几何涡轮增压器）以及缸内后喷射等技术，提高排气温度。此外，还可通过AHI（Aftertreatment Hydrocarbon Injector）后处理碳氢化合物喷射，使额外的燃油添加到排气流中并汽化，为DOC加油，将排气温度升高到主动再生需要的温度580～625℃。

主动再生又分为停车再生和服务再生等。机器在正常使用过程中，一般通过被动再生即可清除DPF中大多数的碳烟颗粒。但如果机器长期怠速，或者在较低的环境温度下工作时间过长，则发动机排气温度无法达到被动再生的条件。在经过一定时间后，则需要进行停车再生，即将机器停止，使发动机高速运转，通过发动机后处理控制技术，进一步提高排气温度。如果在要求停车再生时，操作手多次取消停车再生，碳烟负荷进一步增大，则必须进行服务再生，即由服务人员使用服务电脑控制发动机进行再生。如果服务再生没有及时进行，当碳烟负荷再次扩大，则必须对DPF进行更换或清洗。

2.4 EGR

在国三排放的机型中，大多数制造商采用EGR（废气再循环）技术，以减少氮氧化物的排放。EGR可以通过外部环路把排出汽缸的部分废气由进气管引入，即EEGR（外部废气再循环），或通过可变气门定时，让上一个循环的部分废气保留到下一个循环，即IEGR（内部废气再循环）。由于EGR是将部分排气引入到进气道中，从而降低了进气的比热容，所以加热EGR气体比加热空气需要更多的能量。这些能量来自于燃烧过程， 因此EGR气体比新鲜空气吸收更多燃烧产生的能量，从而降低了燃烧温度峰值，减少了氮氧化物的排放。

在国三排放阶段，有些机型选用IEGR，但是到了国四阶段，IEGR无法满足对氮氧化物排放的要求，因此必须采用EEGR系统。图1为沃尔沃D16J型发动机的EGR系统示

意。其中文丘里管两端配有压差传感器、出口有温度传感器。这些传感器的信号传递给发动机ECU，ECU计算流经文丘里管的EGR气体流量，并通过控制VGT可变几何涡轮增压器和EGR控制阀来调节EGR排气量，形成闭环控制。

2.5 SCR

进入国四排放阶段，仅仅依靠EGR已经无法完全满足氮氧化物排放要求，因此在大多数发动机上需要安装SCR （Selective Catalytic Reduction） 即选择催化还原器。SCR是以碳氢或含氧碳氢燃料、氨气NH3及可释放氨气NH3的尿素水溶液等为还原剂，在催化剂作用下，还原剂有选择性地与排气中的NOX反应的净化方法。

尿素水溶液供给及控制系统的作用，是根据存储在ECU上的NOX的MAP图（开环控制），或NOX传感器和氨气传感器的实时检测信号（闭环反馈控制），以及排气流量和排气温度等，通过喷射器向排气管中喷入适量的尿素水溶液。常见的尿素溶液喷射器有2种：一种是空气辅助式喷射器。其利用还原剂供给量与柱塞运动的频率成正比这一原理，进行尿素溶液喷射量的计量与控制。另一种是无空气辅助的电磁阀喷嘴。它利用还原剂喷射速率和电磁阀开启时间成正比这一原理，进行尿素溶液喷射量的计量与控制。

在沃尔沃D16J发动机中，SCR系统是将尿素水溶液从尿素箱通过尿素泵泵出，跟压缩空气混合后，喷入SCR混合腔中，并转化为氨气NH3。在选择催化还原器SCR中，氨气与氮氧化物反应生成N2和H20，从而减少了氮氧化物的排放。沃尔沃D16J发动机SCR后处理系统如图2所示。

2.6 ASC

在SCR的末端，通常还有一个部件为ASC（Ammonia Slip Catalyst），即氨气逃逸催化器或氨气氧化催化器。在SCR中如果氨气没有完全反应，将会有部分氨气排到大气，造成新的空气污染，因此需要将这部分过量的氨气去除，ASC即负责完成这项工作。

3 后处理系统维护

对于后处理系统，必须进行正确的维护保养，以确保系统处于良好的工作状态。

3.1 科学选用机油

对于国四机型，由于后处理系统对硫非常敏感，所以必须使用低硫酸盐灰分、低硫低磷机油。对于沃尔沃发动机来说，VDS-4（高于API美国石油学会CJ-4及CK-4等级）标准机油是国四发动机使用的最低标准。

3.2 合理选用柴油

同样必须使用超低硫含量柴油。这是因为硫跟后处理系统催化器中的贵金属不兼容，会造成催化器涂层的“硫中毒”从而失去作用，导致停机。同时一些发动机部件可能会腐蚀。发动机内部可能会形成硫酸，硫酸与催化剂表面附着物反应，可能使贵金属催化剂无法接触到需要催化的气体，从而降低催化剂的活性。欧盟推荐的最高硫含量为10×10-6，北美推荐的最高硫含量为15×10-6，我国对非道路机械国四排放发动机的要求也为10×10-6。

3.3 合理选用尿素溶液

尿素溶液在北美被称为DEF，即Diesel exhaust fluid，柴油尾气处理液在欧洲被称为AdBlue®，是德国汽车工业协会的注册商标，在国内统称为车用尿素溶液。

尿素溶液由32.5%尿素和67.5%的纯净水组成，必须使用符合标准的尿素溶液。不合格的车用尿素中存在不溶于水的杂质，会堵塞尿素管道和喷嘴。尿素浓度不达标，将会造成排放超标，导致报警，使发动机出现扭矩降低、动力不足等故障。尿素溶液需要储存储存在阴凉、干燥和通风的地方，不能储存在有阳光直射的地方。建议的储存温度在-11～25℃之间。在该条件下，储存寿命约为2年。

3.4 合理再生

如前所述，机器使用过程中燃烧产生的颗粒物需要通过再生进行处理，正常使用过程中，多通过被动再生，但是使用一段时间后，由于碳烟颗粒的不断累积，必须进行主动再生。所以当显示器提示驾驶员要求停车再生时，必须进行再生，否则颗粒物无法通过被动再生去除，导致机器无法正常使用，同时会引起DPF永久性损坏。

4 后处理系统常见故障处理

4.1 SCR系统故障

4.1.1 常见故障原因及排查方法

一般SCR系统最常见的故障是由于使用尿素不符合标准，造成系统结晶堵塞等故障。一旦发生尿素系统堵塞，就会出现报警，造成发动机降功率无法正常使用。对于此类故障，需要根据报警信息判断堵塞位置，例如是在尿素喷嘴部位还是尿素管路，一般进行清理即可解决。如果堵塞严重无法清理，则需要更换部件。

对于沃尔沃D16J型发动机，由于尿素喷射采用了空气混合的方式，发动机工作结束后可利用压缩空气将SCR系统排空，因此大大减少了尿素管路堵塞的故障。但由于空气系统的存在，也会导致相应的故障产生。

4.1.2 故障实例

某国四设备在工作过程中显示屏出现“检查SCR系统，SCR系统故障，降额还有5h”报警。调出故障代码为：“P20A673，SCR系统性能配料故障，无操作”。使用专用诊断电脑工具Techtool消除故障代码，故障很快再次出现。使用发动机功率暂时恢复功能，运行机器直到发动机降额（降功率）会出现机器不消耗尿素溶液现象。通过Techtool和Prosis服务系统查找故障代码 P20A673，显示空气压力控制阀执行器故障。

根据Prosis提示进行以下检查：检查尿素泵单元的输入空气压力，检查高压空气系统；检查从尿素泵到尿素喷嘴空气管路是否泄漏；执行Techtool 25964-3 SCR系统诊断来测试尿素泵单元。根据Prosis的提示以及Techtool的测试结果，更换空气阀后发动机工作正常，故障消除。尿素泵总成如图3所示。

4.2 DPF故障

4.2.1 常见故障原因及排查方法

后处理系统第二类故障为DPF堵塞故障。如果DPF发生堵塞，即DPF内部颗粒物过多，就会导致频繁再生，从而影响机器的的正常使用。DPF堵塞的原因有多种，如前所述，如果机器长期在怠速和低温环境下工作，无法达到正常被动再生的温度，就会导致碳烟颗粒过多，造成DPF堵塞。

此外，如果发动机燃油系统自身出现问题，导致燃油无法完全燃烧，也会造成DPF堵塞。另外如果使用柴油不达标、含硫量过高，导致DOC涂层硫中毒，使DOC功能失效，无法达到DPF再生的温度，也会导致DPF堵塞。

4.2.2 故障实例

1台EC950F型挖掘机在高原地区工作时出现无法启动故障。使用柴油加热器对冷却液进行加热至40℃，并在空气滤芯处添加氧气，发动机正常启动，但在转速达到600r/min时立即自动熄火。再启动发动机转速最高接近200r/min，但无法启动。采用Techtool检查无故障代码，碳烟负荷为14%。

多次尝试启动都是第一次能达到600r/min，自动熄火后再启动发动机转速就上不去。等待半小时后启动又能达到r/min。初步判断发动机排气不畅，拆除消声器外壳，发现内部有大量烟灰，拆出DPF发现内部已经堵塞。对DPF进行清洗，重新安装，故障排除。

该案例是较为典型的在低负载低温情况下工作，导致排气温度低，无法进行正常移动再生。且在高海拔、低温环境下，每次启动用时长，产生的颗粒物容易堆积在DPF表面，导致排气堵塞。发动机排气负载过大，导致难以启动。此时碳烟水平处于较低水平，运转时间短也无压差传感器报警，为此难以寻找故障点。

4.3 EGR故障

沃尔沃D16J型发动机通过采用冷却型EGR，进一步降低EGR气体温度，从燃烧过程吸收更多热量，降低NOx形成速率。EGR冷却器设计为壳型扁平管的热交换器。当冷却液在冷却器壳体中流动时，排气流经热交换器管。EGR冷却器结垢是一个常见问题，污染物沉积在冷却器管内壁上，不仅会降低冷却器效率，还会增加压力损失。

结垢主要是柴油颗粒物沉积以及部分燃烧的碳氢化合物冷凝而产生。管道内部设有一系列翅片，这些内部翅片可加剧排气流震荡，从而在改善冷却效果的同时减少沉积物。当EGR冷却器发生堵塞后，也会产生相应的故障代码，并对发动机进行降功率控制，此时需要对EGR冷却器进行清理或更换。

4.4 尿素箱传感器故障4UomDCkgE/b636oIqPs4n4a3SZdRwLJfZoxshqi3eUA=

SCR系统尿素溶液箱中设有复合传感器，用于监测尿素液位、温度、质量等。如果尿素液位过低，操作员将在显示屏上得到报警信息。如果不及时补充尿素溶液，将会导致发动机功率减低。温度传感器位于传感器中心管的底部，如果尿素溶液箱温度低于-9.5℃，则系统处于预热状态，达到预设温度之后，预热停止。质量传感器是通过检测尿素浓度来判断尿素质量是否合格，尿素溶液如果浓度发生较大变化，即会引起报警。另外，它还可以检测尿素箱中是否存在尿素溶液之外的其他液体，例如水或柴油等。

综上，无论是尿素溶液液位、温度或质量真的出现问题或出现误报警，均会出现相应的故障代码，发动机也会降功率实施保护。此时需要首先检查液位、温度和质量是否正常，之后要检查传感器线路，如果都没有问题，则需要更换复合传感器。

5 结束语

非道路国四排放标准对NOx和颗粒物排放的要求，跟前三个阶段排放标准相比有很大区别，因为采用了后处理技术，使发动机外观发生了明显改变，同时维护和保养技术也有所不同。

以上故障均为较典型的后处理系统故障，不仅仅适用于沃尔沃D16J发动机，对于采用类似后处理系统的其他机型，均会出现类似故障，都可以借鉴以上的解决方法。

参考文献

[1] 中华人民共和国生态环境部.非道路移动机械第四阶段排放标准实施进入倒计时，[EB/OL]，（2022-11-29）. https：//www.mee.gov.cn/xxgk/hjyw/202211/t20221129_1006402.shtml.

[2] 何邦全.内燃机排放控制原理[M].北京：科学出版社，2018.

[3] 李兴虎.柴油车排气后处理技术[M].北京：国防工业出版社，2016.

[4] 张翠平，王铁，等.内燃机排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5] 黄锦成，沈捷，等.车用内燃机排放与污染控制[M].北京：科学出版社，2012.