國四柴油機排放后處理系統(tǒng)組成及常見故障分析

摘要：非道路國四排放標準對NOx和顆粒物排放的要求，跟前三個階段排放標準相比有很大區(qū)別，因為采用了后處理技術(shù)，使發(fā)動機外觀發(fā)生了明顯改變，同時維護和保養(yǎng)技術(shù)也有所不同?；诖?，以沃爾沃EC950F型挖掘機配備的沃爾沃D16J型發(fā)動機為例，對國四柴油發(fā)動機后處理系統(tǒng)及保養(yǎng)維護、常見故障進行分析，希望對設(shè)備使用單位、維護人員有所幫助。

關(guān)鍵詞：后處理；國四排放；DPF；SCR；DOC

1 后處理系統(tǒng)概述

柴油機排放氣體主要包括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、碳氫化合物HC、一氧化碳CO，硫氧化物SOx以及顆粒物PM（Particulate Matter）等。這些物質(zhì)對環(huán)境、對人體都是有害物質(zhì)，雖然在整體排放中含量不多，但仍然需要進行控制，其中又以氮氧化物NOx排放最多，顆粒物PM對人體危害最大。

要使柴油機排放滿足標準要求，須對柴油機本體進行技術(shù)升級、改進燃料品質(zhì)并應(yīng)用排氣后處理器。柴油機本體排放與燃燒室結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)等等有密切關(guān)系，例如采用高壓共軌系統(tǒng)、改變?nèi)加蛧娚鋾r間、增壓中冷技術(shù)、內(nèi)部EGR（Exhaust Gas Recirculation廢氣再循環(huán)）系統(tǒng)等。

所謂后處理系統(tǒng)，英文為EATS（Exhaust After treatment system），即發(fā)動機排氣后處理系統(tǒng)。后處理系統(tǒng)是在柴油發(fā)動機之外另外增加一套系統(tǒng)，主要目的是為了減少氮氧化物和顆粒物的排放，同時減少HC和CO的排放。而硫氧化物SOx一般是無法通過后處理解決的，只能通過提高燃油的品質(zhì)，減少燃油本身的含硫量來解決。

針對非道路國一至國三排放標準，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)為了減少排放采取措施，例如針對國二排放標準普遍采用燃油共軌技術(shù)，針對國三排放標準普遍采用EGR技術(shù)等，但從發(fā)動機整體外觀上看并沒有非常明顯的差別。非道路國四排放標準對NOx和顆粒物排放的要求，跟前三個階段排放標準相比有很大區(qū)別，因為增加了后處理技術(shù)，使發(fā)動機外觀發(fā)生了明顯改變，同時維護和保養(yǎng)技術(shù)也有所不同。

2 后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

后處理主要是為了減少PM和NOx，因此柴油機所采取的國四路線均為使用DPF來減少顆粒物，使用EGR及SCR系統(tǒng)來減少NOx。

2.1 DPF

DPF為Diesel Particulate Filter的縮寫，即柴油顆粒過濾器，即用來過濾柴油燃燒生成的顆粒物。DPF可分為纖維填充式、直流式以及壁流式等，其中壁流式DPF是柴油機顆粒過濾器中應(yīng)用最為廣泛和最為有效的裝置。燃燒產(chǎn)生的顆粒物在到達DPF時，經(jīng)過一系列的碰撞，從而被捕捉在DPF的壁上，所以DPF又被稱作柴油顆粒捕捉器。顆粒物經(jīng)過一段時間的積累，會累積在DPF的壁上，使過濾器的壓降逐漸增大，導致排氣阻力增大，使缸內(nèi)燃燒惡化，影響柴油機動力輸出和經(jīng)濟性。為了解決這個問題，必須利用再生技術(shù)將積累在DPF上的碳煙顆粒燃燒掉。所謂“再生”，顧名思義，即通過燃燒DPF內(nèi)的碳煙顆粒，讓DPF重新恢復(fù)正常的使用功能。

碳煙燃燒溫度約為550～700℃，而柴油機排氣溫度約為180～450℃，顆粒物無法在柴油機正常工況下的排氣中完全燃燒，因此需要采用輔助技術(shù)實現(xiàn)過濾體的再生。再生一般又分為被動再生和主動再生。被動再生的原理是利用催化劑降低顆粒物的氧化溫度，使其能在較低的溫度下氧化。主動再生包括噴油助燃再生、電加熱再生、微波再生、紅外再生等，其都是通過外加熱源將尾氣溫度，提高至顆粒物的燃燒溫度，使顆粒物與尾氣中的氧氣等反應(yīng)，以清除顆粒物實現(xiàn)再生的目的。

2.2 a6t859qAeBdmUpNm+BClEw==DOC

為了能夠?qū)崿F(xiàn)主動再生，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，碳氫化合物跟氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成H2O和CO2，并產(chǎn)生熱量，使排氣達到使碳煙顆粒燃燒的溫度。同時在DOC中，CO會跟O2發(fā)生反應(yīng)生成CO2。DOC載體（基體）的表面通常涂覆一層涂層材料，催化劑位于涂層表面，直接與柴油機排氣接觸，以加速氧化反應(yīng)。常見的載體材料有陶瓷（堇青石、碳化硅等）和金屬兩類。

2.3 再生

2.3.1 被動再生

被動再生過程中，碳煙顆粒可以在沒有發(fā)動機管理系統(tǒng)干預(yù)情況下持續(xù)氧化燃燒，其再生效果隨排氣溫度增加而增加。在被動再生期間，后處理系統(tǒng)中的溫度不受ACM（后處理控制單元）控制，且不涉及任何操作員交互作用或任何排氣后處理執(zhí)行器的激活。

2.3.2 主動再生

在主動再生過程中，ECM（發(fā)動機控制單元）可改變發(fā)動機的運行條件，以便達到所需的排氣溫度。對于沃爾沃D16J型發(fā)動機，可采用進氣節(jié)氣門、EGR、VGT（Variable-

geometry turbochargers可變幾何渦輪增壓器）以及缸內(nèi)后噴射等技術(shù)，提高排氣溫度。此外，還可通過AHI（Aftertreatment Hydrocarbon Injector）后處理碳氫化合物噴射，使額外的燃油添加到排氣流中并汽化，為DOC加油，將排氣溫度升高到主動再生需要的溫度580～625℃。

主動再生又分為停車再生和服務(wù)再生等。機器在正常使用過程中，一般通過被動再生即可清除DPF中大多數(shù)的碳煙顆粒。但如果機器長期怠速，或者在較低的環(huán)境溫度下工作時間過長，則發(fā)動機排氣溫度無法達到被動再生的條件。在經(jīng)過一定時間后，則需要進行停車再生，即將機器停止，使發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)，通過發(fā)動機后處理控制技術(shù)，進一步提高排氣溫度。如果在要求停車再生時，操作手多次取消停車再生，碳煙負荷進一步增大，則必須進行服務(wù)再生，即由服務(wù)人員使用服務(wù)電腦控制發(fā)動機進行再生。如果服務(wù)再生沒有及時進行，當碳煙負荷再次擴大，則必須對DPF進行更換或清洗。

2.4 EGR

在國三排放的機型中，大多數(shù)制造商采用EGR（廢氣再循環(huán)）技術(shù)，以減少氮氧化物的排放。EGR可以通過外部環(huán)路把排出汽缸的部分廢氣由進氣管引入，即EEGR（外部廢氣再循環(huán)），或通過可變氣門定時，讓上一個循環(huán)的部分廢氣保留到下一個循環(huán)，即IEGR（內(nèi)部廢氣再循環(huán)）。由于EGR是將部分排氣引入到進氣道中，從而降低了進氣的比熱容，所以加熱EGR氣體比加熱空氣需要更多的能量。這些能量來自于燃燒過程， 因此EGR氣體比新鮮空氣吸收更多燃燒產(chǎn)生的能量，從而降低了燃燒溫度峰值，減少了氮氧化物的排放。

在國三排放階段，有些機型選用IEGR，但是到了國四階段，IEGR無法滿足對氮氧化物排放的要求，因此必須采用EEGR系統(tǒng)。圖1為沃爾沃D16J型發(fā)動機的EGR系統(tǒng)示

意。其中文丘里管兩端配有壓差傳感器、出口有溫度傳感器。這些傳感器的信號傳遞給發(fā)動機ECU，ECU計算流經(jīng)文丘里管的EGR氣體流量，并通過控制VGT可變幾何渦輪增壓器和EGR控制閥來調(diào)節(jié)EGR排氣量，形成閉環(huán)控制。

2.5 SCR

進入國四排放階段，僅僅依靠EGR已經(jīng)無法完全滿足氮氧化物排放要求，因此在大多數(shù)發(fā)動機上需要安裝SCR （Selective Catalytic Reduction） 即選擇催化還原器。SCR是以碳氫或含氧碳氫燃料、氨氣NH3及可釋放氨氣NH3的尿素水溶液等為還原劑，在催化劑作用下，還原劑有選擇性地與排氣中的NOX反應(yīng)的凈化方法。

尿素水溶液供給及控制系統(tǒng)的作用，是根據(jù)存儲在ECU上的NOX的MAP圖（開環(huán)控制），或NOX傳感器和氨氣傳感器的實時檢測信號（閉環(huán)反饋控制），以及排氣流量和排氣溫度等，通過噴射器向排氣管中噴入適量的尿素水溶液。常見的尿素溶液噴射器有2種：一種是空氣輔助式噴射器。其利用還原劑供給量與柱塞運動的頻率成正比這一原理，進行尿素溶液噴射量的計量與控制。另一種是無空氣輔助的電磁閥噴嘴。它利用還原劑噴射速率和電磁閥開啟時間成正比這一原理，進行尿素溶液噴射量的計量與控制。

在沃爾沃D16J發(fā)動機中，SCR系統(tǒng)是將尿素水溶液從尿素箱通過尿素泵泵出，跟壓縮空氣混合后，噴入SCR混合腔中，并轉(zhuǎn)化為氨氣NH3。在選擇催化還原器SCR中，氨氣與氮氧化物反應(yīng)生成N2和H20，從而減少了氮氧化物的排放。沃爾沃D16J發(fā)動機SCR后處理系統(tǒng)如圖2所示。

2.6 ASC

在SCR的末端，通常還有一個部件為ASC（Ammonia Slip Catalyst），即氨氣逃逸催化器或氨氣氧化催化器。在SCR中如果氨氣沒有完全反應(yīng)，將會有部分氨氣排到大氣，造成新的空氣污染，因此需要將這部分過量的氨氣去除，ASC即負責完成這項工作。

3 后處理系統(tǒng)維護

對于后處理系統(tǒng)，必須進行正確的維護保養(yǎng)，以確保系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

3.1 科學選用機油

對于國四機型，由于后處理系統(tǒng)對硫非常敏感，所以必須使用低硫酸鹽灰分、低硫低磷機油。對于沃爾沃發(fā)動機來說，VDS-4（高于API美國石油學會CJ-4及CK-4等級）標準機油是國四發(fā)動機使用的最低標準。

3.2 合理選用柴油

同樣必須使用超低硫含量柴油。這是因為硫跟后處理系統(tǒng)催化器中的貴金屬不兼容，會造成催化器涂層的“硫中毒”從而失去作用，導致停機。同時一些發(fā)動機部件可能會腐蝕。發(fā)動機內(nèi)部可能會形成硫酸，硫酸與催化劑表面附著物反應(yīng)，可能使貴金屬催化劑無法接觸到需要催化的氣體，從而降低催化劑的活性。歐盟推薦的最高硫含量為10×10-6，北美推薦的最高硫含量為15×10-6，我國對非道路機械國四排放發(fā)動機的要求也為10×10-6。

3.3 合理選用尿素溶液

尿素溶液在北美被稱為DEF，即Diesel exhaust fluid，柴油尾氣處理液在歐洲被稱為AdBlue?，是德國汽車工業(yè)協(xié)會的注冊商標，在國內(nèi)統(tǒng)稱為車用尿素溶液。

尿素溶液由32.5%尿素和67.5%的純凈水組成，必須使用符合標準的尿素溶液。不合格的車用尿素中存在不溶于水的雜質(zhì)，會堵塞尿素管道和噴嘴。尿素濃度不達標，將會造成排放超標，導致報警，使發(fā)動機出現(xiàn)扭矩降低、動力不足等故障。尿素溶液需要儲存儲存在陰涼、干燥和通風的地方，不能儲存在有陽光直射的地方。建議的儲存溫度在-11～25℃之間。在該條件下，儲存壽命約為2年。

3.4 合理再生

如前所述，機器使用過程中燃燒產(chǎn)生的顆粒物需要通過再生進行處理，正常使用過程中，多通過被動再生，但是使用一段時間后，由于碳煙顆粒的不斷累積，必須進行主動再生。所以當顯示器提示駕駛員要求停車再生時，必須進行再生，否則顆粒物無法通過被動再生去除，導致機器無法正常使用，同時會引起DPF永久性損壞。

4 后處理系統(tǒng)常見故障處理

4.1 SCR系統(tǒng)故障

4.1.1 常見故障原因及排查方法

一般SCR系統(tǒng)最常見的故障是由于使用尿素不符合標準，造成系統(tǒng)結(jié)晶堵塞等故障。一旦發(fā)生尿素系統(tǒng)堵塞，就會出現(xiàn)報警，造成發(fā)動機降功率無法正常使用。對于此類故障，需要根據(jù)報警信息判斷堵塞位置，例如是在尿素噴嘴部位還是尿素管路，一般進行清理即可解決。如果堵塞嚴重無法清理，則需要更換部件。

對于沃爾沃D16J型發(fā)動機，由于尿素噴射采用了空氣混合的方式，發(fā)動機工作結(jié)束后可利用壓縮空氣將SCR系統(tǒng)排空，因此大大減少了尿素管路堵塞的故障。但由于空氣系統(tǒng)的存在，也會導致相應(yīng)的故障產(chǎn)生。

4.1.2 故障實例

某國四設(shè)備在工作過程中顯示屏出現(xiàn)“檢查SCR系統(tǒng)，SCR系統(tǒng)故障，降額還有5h”報警。調(diào)出故障代碼為：“P20A673，SCR系統(tǒng)性能配料故障，無操作”。使用專用診斷電腦工具Techtool消除故障代碼，故障很快再次出現(xiàn)。使用發(fā)動機功率暫時恢復(fù)功能，運行機器直到發(fā)動機降額（降功率）會出現(xiàn)機器不消耗尿素溶液現(xiàn)象。通過Techtool和Prosis服務(wù)系統(tǒng)查找故障代碼 P20A673，顯示空氣壓力控制閥執(zhí)行器故障。

根據(jù)Prosis提示進行以下檢查：檢查尿素泵單元的輸入空氣壓力，檢查高壓空氣系統(tǒng)；檢查從尿素泵到尿素噴嘴空氣管路是否泄漏；執(zhí)行Techtool 25964-3 SCR系統(tǒng)診斷來測試尿素泵單元。根據(jù)Prosis的提示以及Techtool的測試結(jié)果，更換空氣閥后發(fā)動機工作正常，故障消除。尿素泵總成如圖3所示。

4.2 DPF故障

4.2.1 常見故障原因及排查方法

后處理系統(tǒng)第二類故障為DPF堵塞故障。如果DPF發(fā)生堵塞，即DPF內(nèi)部顆粒物過多，就會導致頻繁再生，從而影響機器的的正常使用。DPF堵塞的原因有多種，如前所述，如果機器長期在怠速和低溫環(huán)境下工作，無法達到正常被動再生的溫度，就會導致碳煙顆粒過多，造成DPF堵塞。

此外，如果發(fā)動機燃油系統(tǒng)自身出現(xiàn)問題，導致燃油無法完全燃燒，也會造成DPF堵塞。另外如果使用柴油不達標、含硫量過高，導致DOC涂層硫中毒，使DOC功能失效，無法達到DPF再生的溫度，也會導致DPF堵塞。

4.2.2 故障實例

1臺EC950F型挖掘機在高原地區(qū)工作時出現(xiàn)無法啟動故障。使用柴油加熱器對冷卻液進行加熱至40℃，并在空氣濾芯處添加氧氣，發(fā)動機正常啟動，但在轉(zhuǎn)速達到600r/min時立即自動熄火。再啟動發(fā)動機轉(zhuǎn)速最高接近200r/min，但無法啟動。采用Techtool檢查無故障代碼，碳煙負荷為14%。

多次嘗試啟動都是第一次能達到600r/min，自動熄火后再啟動發(fā)動機轉(zhuǎn)速就上不去。等待半小時后啟動又能達到r/min。初步判斷發(fā)動機排氣不暢，拆除消聲器外殼，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有大量煙灰，拆出DPF發(fā)現(xiàn)內(nèi)部已經(jīng)堵塞。對DPF進行清洗，重新安裝，故障排除。

該案例是較為典型的在低負載低溫情況下工作，導致排氣溫度低，無法進行正常移動再生。且在高海拔、低溫環(huán)境下，每次啟動用時長，產(chǎn)生的顆粒物容易堆積在DPF表面，導致排氣堵塞。發(fā)動機排氣負載過大，導致難以啟動。此時碳煙水平處于較低水平，運轉(zhuǎn)時間短也無壓差傳感器報警，為此難以尋找故障點。

4.3 EGR故障

沃爾沃D16J型發(fā)動機通過采用冷卻型EGR，進一步降低EGR氣體溫度，從燃燒過程吸收更多熱量，降低NOx形成速率。EGR冷卻器設(shè)計為殼型扁平管的熱交換器。當冷卻液在冷卻器殼體中流動時，排氣流經(jīng)熱交換器管。EGR冷卻器結(jié)垢是一個常見問題，污染物沉積在冷卻器管內(nèi)壁上，不僅會降低冷卻器效率，還會增加壓力損失。

結(jié)垢主要是柴油顆粒物沉積以及部分燃燒的碳氫化合物冷凝而產(chǎn)生。管道內(nèi)部設(shè)有一系列翅片，這些內(nèi)部翅片可加劇排氣流震蕩，從而在改善冷卻效果的同時減少沉積物。當EGR冷卻器發(fā)生堵塞后，也會產(chǎn)生相應(yīng)的故障代碼，并對發(fā)動機進行降功率控制，此時需要對EGR冷卻器進行清理或更換。

4.4 尿素箱傳感器故障4UomDCkgE/b636oIqPs4n4a3SZdRwLJfZoxshqi3eUA=

SCR系統(tǒng)尿素溶液箱中設(shè)有復(fù)合傳感器，用于監(jiān)測尿素液位、溫度、質(zhì)量等。如果尿素液位過低，操作員將在顯示屏上得到報警信息。如果不及時補充尿素溶液，將會導致發(fā)動機功率減低。溫度傳感器位于傳感器中心管的底部，如果尿素溶液箱溫度低于-9.5℃，則系統(tǒng)處于預(yù)熱狀態(tài)，達到預(yù)設(shè)溫度之后，預(yù)熱停止。質(zhì)量傳感器是通過檢測尿素濃度來判斷尿素質(zhì)量是否合格，尿素溶液如果濃度發(fā)生較大變化，即會引起報警。另外，它還可以檢測尿素箱中是否存在尿素溶液之外的其他液體，例如水或柴油等。

綜上，無論是尿素溶液液位、溫度或質(zhì)量真的出現(xiàn)問題或出現(xiàn)誤報警，均會出現(xiàn)相應(yīng)的故障代碼，發(fā)動機也會降功率實施保護。此時需要首先檢查液位、溫度和質(zhì)量是否正常，之后要檢查傳感器線路，如果都沒有問題，則需要更換復(fù)合傳感器。

5 結(jié)束語

非道路國四排放標準對NOx和顆粒物排放的要求，跟前三個階段排放標準相比有很大區(qū)別，因為采用了后處理技術(shù)，使發(fā)動機外觀發(fā)生了明顯改變，同時維護和保養(yǎng)技術(shù)也有所不同。

以上故障均為較典型的后處理系統(tǒng)故障，不僅僅適用于沃爾沃D16J發(fā)動機，對于采用類似后處理系統(tǒng)的其他機型，均會出現(xiàn)類似故障，都可以借鑒以上的解決方法。

參考文獻

[1] 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部.非道路移動機械第四階段排放標準實施進入倒計時，[EB/OL]，（2022-11-29）. https：//www.mee.gov.cn/xxgk/hjyw/202211/t20221129_1006402.shtml.

[2] 何邦全.內(nèi)燃機排放控制原理[M].北京：科學出版社，2018.

[3] 李興虎.柴油車排氣后處理技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

[4] 張翠平，王鐵，等.內(nèi)燃機排放與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5] 黃錦成，沈捷，等.車用內(nèi)燃機排放與污染控制[M].北京：科學出版社，2012.