CN108691609B - 一种柴油机scr后处理系统的维修方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种柴油机SCR系统的维修方法，通过以下步骤清除柴油机排气系统中可能存在的可烧除结晶物质及有机颗粒物：1）使发动机处于空载状态，进入SCR系统烧除清扫模式的操作步骤；2）发动机启动运行，燃油喷射装置启动SCR系统烧除清扫程序；3）发动机燃油喷射控制系统通过调节主喷油及多次喷油的后喷油脉冲的喷油量及喷油相位，控制发动机在某一预设目标转速和预设目标排气温度下运行；4）退出SCR系统烧除清扫模式的操作步骤。应用该方法的柴油机控制器ECM中包括烧除清扫维修模式，当所述柴油机在处于该模式的ECM控制下运行时，可产生400‑550℃的高温排气，SCR系统中的结晶积碳沉积物将被烧除清扫干净。

Description

一种柴油机SCR后处理系统的维修方法与装置

技术领域

本发明属于发动机排气后处理技术领域，具体涉及发动机排气选择性还原（SCR）后处理系统的售后维修与养护。

背景技术

随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为车辆及发动机的永无止境的要求，为此，各国都出台了一系列的车辆排放标准，并且越来越严格。对此，以内燃机为动力的车辆需要安装排放后处理系统以求满足排放要求。例如，目前主要用于对柴油发动机尾气中NOx等污染物进行催化处理的SCR（Selective Catalytic Reduction）技术等已经成为柴油车辆等必需使用的技术。

SCR技术需要将还原剂定量喷射进柴油机排气中，与排气混合后进入SCR催化转换器。还原剂一般使用32.5%重量浓度的尿素水溶液（也叫柴油排气处理液DEF=DieselExhaust Fluid，或者添蓝液AdBlue）。DEF在排气中通过排气高温分解出的氨气，在与发动机排气混合后进入SCR催化器，在催化剂的作用下，氨气就会与发动机排气中的NOx等发生催化还原反应，使NOx分解为无害的N2、H2O。由于流动和排温等各种原因，DEF几乎很难完全热解为有效的NOx还原成分氨气，总会有部分尿素可能因为其他物理化学变化而变成固态结晶体残留在排气管内，长时间积累就会堵塞发动机排气管，使发动机性能严重恶化。

DEF在排气管内的结晶，受很多因素的影响，最主要的是温度和两相流流动速度。温度决定化学反应生成物，流动速度决定生成物中的固态结晶体是否会积累在管道内部。

现有的SCR技术，都要想方设法使喷出的反应剂与发动机排气混合均匀，并尽可能保证温度和流动条件使DEF尽快地热解成为氨气而尽可能少地生成结晶物质。为此有采用压缩空气雾化喷射DEF的气助SCR系统，也有依靠压力喷射雾化DEF的非气助SCR系统。但由于结构的限制，做到绝对理想均匀混合的方案是不存在的，特别是非气助的SCR系统，喷雾粒径较大，喷雾分布又有自己的特性，需要设计专门的混合装置防止结晶并实现混合均匀。

提高DEF喷射的温度条件，能够有效减少排气管内结晶物的生成。但随着排放法规越来越严格，较低排气温度条件下例如200℃左右不喷射DEF，将很难达到排放目标。

为了保证SCR系统和发动机的正常工作，迫切需要一种SCR后处理系统养护维修方法，以在通过SCR有效降低发动机NOx排放的同时，保证不会因为排气管内结晶物堆积过多而影响发动机的能够正常运转，保证SCR系统一直能够高效发挥作用。

发明内容

本发明针对上述问题，之目的在于提供一种低成本但能够有效清除SCR系统内部结晶物的方法，在发动机运行了一定时间后对SCR系统进行清洁处理，保证发动机和SCR系统在整个寿命周期内正常工作。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种柴油机SCR系统的维修方法，其特征在于，通过以下步骤清除柴油机排气系统中可能存在的可烧除结晶物质及有机颗粒物：1）使发动机处于空载状态，进入SCR系统烧除清扫模式的操作步骤；2）发动机启动运行，燃油喷射装置启动SCR系统烧除清扫程序；3）发动机燃油喷射控制系统通过调节主喷油及后喷油脉冲的喷油量及喷油相位，控制发动机在某一预设目标转速和预设目标排气温度下运行；4）退出SCR系统烧除清扫模式的操作步骤。

本发明所述的SCR系统的维修方法还包括以下步骤：5）提示用户在所述柴油发动机运行时间或者搭载该柴油发动机的车辆的运行里程，自上次烧除清扫后累计达到一定的预设值后，要进行至少一次SCR系统烧除清扫维修。

根据本发明的技术方案，装有喷射DEF的SCR系统的柴油发动机车辆或者机械，可以在行驶一定距离或者使用了一定时间后进行一次SCR系统烧除清扫维修，以清除排气系统中可能存在的因为尿素与排气成分进行化学反应而生成的固态结晶物质，防止因为结晶物质积累过多而影响发动机性能以及SCR系统的正常有效工作。

当然，根据本发明，也能够对因为排气管内结晶物已经累计很多并导致发动机动力性能大幅下降的故障发动机进行SCR系统烧除清扫维修。

采用DEF的SCR系统，在排气管内所形成的结晶物主要包括：固态尿素、缩二脲、三聚氰胺、三聚氰酸等，这些结晶体的热解气化温度大约分别在197℃、193℃、360℃、300℃，因此，当采用烧除清扫维修发动机时，只要排气温度达到400℃以上，所有的SCR结晶物都会被热解蒸发，在运行一定时间后，排气系统的结晶物甚至碳烟就会被有效清除。

为了防止SCR催化器及排气系统不会因为温度过高而损坏，烧除清扫维修发动机时时，排气温度有必要被控制在550℃以内。当然因为是空载运行，发动机转速很容易超速，为了防止损坏发动机，也必须控制发动机转速在最高允许转速以内，例如最大功率转速以下。

因此，本发明的进一步限制方案是：在烧除清扫时，发动机燃油喷射控制系统控制发动机的转速不超过发动机最高允许转速，排气温度在400~550℃之间。

进一步的限制有：每次烧除清扫时，连续在设定目标转速和设定排气温度状态下的运行时间在10到40分钟。

对发动机SCR系统的烧除清扫维修，可以由发动机正常运行所使用的原装发动机控制模块（ECM）控制发动机空载运行，当然该原装ECM中必须包括烧除清扫运转控制专用程序，从外部给该ECM一个特殊指令来启动SCR系统烧除清扫模式，退出SCR系统烧除清扫模式的操作也由外部给该ECM发出的另一个特殊指令实现，当然ECM断电就自动恢复到正常运行模式。

本发明还包括使用专门的维修ECM进行SCR系统烧除清扫的方案，即在对所述发动机进行维修时，将原装ECM临时更换为一个专门的维修ECM，并且启动发动机，进入SCR系统烧除清扫模式运行。当然，这个专门的维修ECM仅仅包括有烧除清扫运转控制专用程序，用它启动发动机就立即进入SCR系统烧除清扫模式运行。

进一步，在烧除清扫模式下运行的发动机，控制所述发动机的烧除清扫模式下运行的ECM（原装发动机的ECM或者专门的维修ECM），自动计算烧除清扫模式下的运行时间，达到预设的时间后，或者ECM断电后，就自动退出烧除清扫模式。

本发明进一步的方案包括，所述进入SCR系统烧除清扫模式的操作指令，由一个与所述ECM通信连接的外接诊断设备产生并发送给ECM。操作指令包括启动或停止SCR系统烧除清扫模式、设置不同的目标排气温度等。

本发明的SCR系统的维修方法，可以通过以下维修装置实现，该装置包括：柴油机本体、柴油机电控燃油喷射系统、柴油机选择性还原催化（SCR）后处理系统，所述柴油机电控燃油喷射系统包括发动机电控模块ECM，可以控制燃油喷射的喷射相位和喷射次数，从而能够自由控制发动机转速和排气温度，其特征在于，所述ECM中，包含有清除SCR系统中残留的可烧除结晶物质及有机颗粒物的特殊运行模式，即SCR系统烧除清扫模式的运行控制程序，当ECM接收到启动SCR系统烧除清扫模式的命令时，ECM控制所述柴油机在SCR系统烧除清扫模式下运行。

进一步，所述包含有SCR系统烧除清扫模式运行控制程序的ECM，也可以为一个维修服务专用ECM，在进行烧除清扫维修时，将待维修的柴油发动机的ECM更换为该ECM后启动发动机就立即开始进入SCR系统烧除清扫模式下的运行，ECM断电就退出SCR系统烧除清扫模式。

进一步本发明所述装置，还包括一个烧除温度控制装置，所述烧除温度控制装置与所述控制发动机在SCR系统烧除清扫模式下运行的发动机电控模块ECM电气连接，并产生电气信号输入给所述ECM，在烧除清扫模式下，通过所述烧除温度控制装置来改变发动机在SCR系统烧除清扫模式下的排气温度。

本发明所述烧除温度控制装置可以为发动机油门操纵装置。

本发明所述烧除温度控制装置也可以为一个售后服务诊断仪。

本发明的益处在于，提供了一种定期有效清除SCR系统结晶物的方法，通过定期对装有SCR系统的发动机进行保养出来，可以保障发动机和后处理系统的在整个使用寿命内有效工作，而不会因为SCR系统结晶物积累而导致发动机性能严重下降、甚至不能运转的情况发生，同时还防止了因此而不得不进行的高成本的SCR催化器的更换维修。

采用该装置的优点还在于，通过使发动机原装的ECU在烧除清扫模式下运行，或者仅仅需要在售后服务站配置专用的ECM，就可以实现，因此成本低，易于推广应用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明提供的柴油机SCR后处理系统的烧除清扫维修方法的流程图一。

图2为本发明提供的柴油机SCR后处理系统的烧除清扫维修方法的流程图二。

图3为本发明提供的柴油机SCR后处理系统的烧除清扫装置实施例一之示意图。

图4为本发明提供的柴油机SCR后处理系统的烧除清扫装置实施例二之示意图。

图5为本发明提供的柴油机SCR后处理系统的烧除清扫装置实施例三之示意图。

具体实施方式

在图1所示的本发明流程图1中，假设发动机原装的ECM具有通过外部命令切换运行模式的功能，即在正常模式和烧除清扫维修模式之间切换。外部命令可以通过诊断仪产生。

一般情况下，发动机在正常模式运行（步骤101），在步骤102计算自上次烧除清扫维修之后的累计运行里程和时间，根据车辆标定结果，有一个预设的下次维修里程或时间间隔，在步骤103要判断在步骤102计算的里程或时间是否已经达到预设的间隔（例如2万公里或使用了6个月），同时也判断发动机运行时是否因为排气阻力过大而动力下降，如果步骤103的判断结果为“否”，那么返回到步骤101继续在正常模式下运行。如果步骤103的判断结果为“是”，那么就需要进行维修，进入步骤104。维修时首先挂空挡以让发动机处于空载状态。这时通过外部设备例如诊断仪向发动机控制模块ECM发送运行模式切换命令（步骤105），ECM将进入烧除清扫维修模式（步骤106），然后启动发动机（步骤107），将开始对SCR系统进行烧除清扫，ECM将调节喷油量、喷油相位、喷油次数，即除预喷燃油和主喷燃油脉冲外，还增加后喷燃油脉冲，从而使发动机在空载状态按照标定的转速和排气温度运转（步骤108），将SCR系统中可能存在的结晶积碳沉积物烧除。在步骤109，ECM自己计算烧除清扫运转的时间，在发现时间累计到预设目标（例如20分钟）时，或者收到了外部的退出烧除清扫模式命令时，或者ECM断电停机时，将进入步骤110 ，立即退出烧除清扫模式，返回步骤101。如果在步骤109的判断为“否”，那么返回步骤108，继续对SCR系统进行烧除清扫。

在图2所示的本发明流程图2中，假设进行SCR系统结晶积碳沉积物烧除清扫维修时，使用维修专用ECM替换发动机原装的ECM。

发动机正常运行时，使用原装的ECM（步骤201），在步骤202计算自上次烧除清扫维修之后的累计运行里程和时间，根据车辆标定结果，有一个预设的下次维修里程或时间间隔，在步骤203要判断在步骤202计算的里程或时间是否已经达到预设的间隔（例如4万公里或者使用时间6个月），同时也判断发动机运行时是否因为排气阻力过大而动力下降，如果步骤203的判断结果为“否”，那么返回到步骤201继续在正常模式下运行。如果步骤203的判断结果为“是”，那么就需要进行维修，进入步骤204。维修时首先挂空挡以让发动机处于空载状态，然后更换原装ECM为维修专用ECM。在步骤205，启动发动机就进入烧除清扫维修模式，将开始对SCR系统进行烧除清扫，维修专用ECM将调节喷油量、喷油相位、喷油次数，即除预喷燃油和主喷燃油脉冲外，还增加后喷燃油脉冲，从而使发动机在空载状态按照标定的转速和排气温度运转（步骤206），将SCR系统中可能存在的结晶积碳沉积物烧除。在步骤207，维修专用ECM自己计算烧除清扫运转的时间，在发现时间累计到预设目标（例如20分钟）时，或者维修专用ECM断电时，将进入步骤208 ，停机，退出烧除清扫模式。在步骤208，还将维修专用ECM换回原装ECM，然后返回步骤201恢复正常运行。如果在步骤207的判断为“否”，那么返回步骤206，继续对SCR系统进行烧除清扫。

本发明的SCR系统的维修方法及装置的第一个实施例如附图3所示，待维护保养的柴油机包括柴油机本体1、柴油机的电控燃油喷射系统2、选择性还原催化（SCR）后处理系统3，电控燃油喷射系统2中包括有发动机控制模块ECM 21、高压油轨22、高压燃油泵23和电控燃油喷嘴24，SCR后处理系统3可以为气助喷射计量DEF的系统，也可以为非气助喷射计量DEF的系统，包括尿素箱30、尿素计量控制单元DCU 31、尿素计量泵32、尿素喷嘴33、上游排气温度传感器34、检测排气中NOx排放的NOx传感器35、SCR催化消声器36、排气管37等。DCU31也可以集成在ECM 21内部。发动机正常运转期间，使用原装的ECM 21控制高压油泵23和燃油喷嘴24等工作，把高压油轨22中的高压燃油按照设计标定的要求喷入燃烧室内燃烧做功，同时产生包含大量NOx等有害物质的发动机排气排向排气管37。DCU 31通过排气温度传感器34实测排气温度等参数，与ECM 21通过通信的方式交换发动机运行控制参数信息，并根据设计的逻辑计算出尿素喷射量，控制尿素计量泵32以及尿素喷嘴33工作，将尿素水溶液喷入排气管37，尿素水溶液在排气管中热解为氨气NH3，并与排气混合，流入SCR催化消声器36，在SCR催化消声器36内部，氨气和NOx发生催化还原反应，NOx被转换为N2和H2O，氨气也被几乎完全消耗掉。

由于柴油机工作工况随时变化，一般用途中排气温度大多数时间不会高于300℃，如前所述，在排气管37和SCR催化消声器36内部，由于各种不同的化学反应在同时进行，一些固态的结晶体（如尿素、缩二脲、三聚氰胺、三聚氰酸等）就不可避免地生成并残留在壁面，长时间积累，固态结晶体就会越来越多，再包括一些排气中的积碳，形成结晶积碳沉积物38，多到一定程度就会影响SCR的有效工作，甚至影响柴油机排气，造成发动机动力严重下降的致命故障。

对于出现了这种故障的发动机，必须到维修站维修，最直接的维修方法就是更换排气管37及SCR催化消声器36，但这样维修成本就非常高。

在图3所示的实施例中，在维修时使用维修专用发动机电控模块ECM 21a来临时替换原发动机控制模块ECM 21，并启动发动机进入烧除清扫模式，运转一段时间来烧掉排气管37及SCR催化消声器36中的固态结晶积碳沉积物38。因为在维修专用发动机电控模块ECM21a中，写入了特殊的发动机运转控制程序，能够通过大幅推迟主喷油相位以及后喷燃油的策略使发动机排气温度达到400℃以上，从而在短时间的运行过程中，将排气系统中的尿素结晶积碳沉积物烧掉。

图3所示实施例中，在将原发动机的ECM 21更换为维修专用发动机电控模块ECM21a后，启动发动机空挡运转即进入SCR系统烧除清扫模式，ECM 21a已经标定为固定工况运转，转速在发动机许可最高转速以内，排气温度达到400~550℃。根据结晶积碳沉积物38的多少，一般烧除时间可控制在10~40分钟即可。在关闭了发动机电源开关后，或者ECM 21a累计计算本次烧除清扫运行时间达到了预设的时间（例如20分钟）时自动停机后，发动机将停止运转，换回原发动机的ECM 21，就退出SCR系统烧除清扫模式。

图4所示为本发明的第二个实施例，与第一个实施例不同的是，发动机油门踏板4可以给维修用发动机电控模块ECM 21b输入不同的操作信号。在烧除清扫SCR系统时，发动机运行工况受发动机油门踏板4的控制，从而发动机排气温度跟随油门踏板4的位置而变化。该实施例中的维修专用发动机电控模块ECM 21b被标定为在怠速油门位置，其排气温度低于200℃，而在油门踩到底时，排气温度在450~550℃之间，并且任何时候发动机的转速都不超过发动机最高允许转速的90%。例如发动机原额定转速3200rpm，最高允许转速3560rpm，怠速转速800rpm，那么在SCR系统烧除清扫模式，发动机的转速将被控制在800~3600rpm，或者800~3200rpm。而在怠速和油门全开位置之间，发动机运行转速和排气温度被标为随着油门开度的增加而增加。

与第一个实施例不同的还有，图4所示的本发明的第二个实施例中，一个发动机诊断仪5连接在维修用发动机电控模块ECM 21b上，在烧除清扫SCR系统时，发动机诊断仪5通过显示数据流的方式监测SCR催化器温度，或者SCR催化器上游排气温度，从而有助于维修人员控制发动机油门踏板。

维修用发动机电控模块ECM 21b中的程序也可以标定为根据诊断仪的不同请求命令控制发动机在不同的工况和排气温度状态下工作，例如启动后的默认状态是排气温度低于200℃，ECM 21b获得诊断仪5请求清除当前故障的命令后，将把发动机运行工况改变为使排气温度达到450℃的工况参数。

图5所示为本发明的第三个实施例，与第一个实施例不同的是，一个发动机诊断仪5连接在发动机原装的电控模块ECM 21上，操作者通过诊断仪的请求命令将电控模块ECM21切换为烧除清扫维修模式，从而ECM 21将和ECM 21a或者21b一样工作，发动机启动后将按照预先设计标定的烧除清扫维修程序，通过改变共轨燃油喷射参数来控制发动机运行工况和排气温度。

利用本发明的系统，可以在发动机售后服务保养规范中，规定进行SCR系统烧除清扫维护的时间间隔或者车辆行驶里程数，以避免用户出现严重的排气管结晶堵塞故障。

Claims (10)

1.一种柴油机SCR系统的维修方法，其特征在于，通过以下步骤清除柴油机排气系统中可能存在的可烧除结晶物质：1)使发动机处于空载状态，进入SCR系统烧除清扫模式的操作步骤；2)发动机启动运行，燃油喷射装置启动SCR系统烧除清扫程序；3)发动机燃油喷射控制系统通过调节主喷油及多次喷油的后喷油脉冲的喷油量及喷油相位，控制发动机在某一预设目标转速和预设目标排气温度下运行，在一定排气温度下所述结晶物质会被热解蒸发；4)退出SCR系统烧除清扫模式的操作步骤；

在烧除清扫时，发动机燃油喷射控制系统控制发动机的转速不超过发动机最高允许转速，排气温度在450-550℃之间；每次烧除清扫时，连续在设定目标转速和设定排气温度状态下的运行时间在10到40分钟；

所述结晶物质包含：固态尿素、缩二脲、三聚氰胺、三聚氰酸。

2.如权利要求1所述的SCR系统的维修方法,其特征在于：还包括以下步骤：5)提示用户在所述柴油发动机使用时间或者搭载该柴油发动机的车辆的运行里程，自上次烧除清扫后累计达到一定的预设值后，要进行至少一次SCR系统烧除清扫维修。

3.如权利要求2所述的SCR系统的维修方法,其特征在于：所述发动机的维修运行，由发动机正常运行所使用的原装发动机控制模块(ECM)控制，进入SCR系统烧除清扫模式的启动来自于外部给该ECM一个特殊指令，退出SCR系统烧除清扫模式的操作由外部给该ECM发出另一个特殊指令或者断电。

4.如权利要求3所述的SCR系统的维修方法,其特征在于：包括以下步骤：在对所述发动机进行维修时，将原装ECM临时更换为一个专门的维修专用ECM，并且启动发动机，进入SCR系统烧除清扫模式运行。

5.如权利要求3或者4所述的SCR系统的维修方法,其特征在于：在所述发动机的烧除清扫模式下运行的发动机，控制所述发动机的烧除清扫模式下运行的ECM，自动计算烧除清扫模式下的运行时间，达到预设的时间后，或者ECM断电后，自动退出烧除清扫模式。

6.如权利要求5所述的SCR系统的维修方法,其特征在于：所述进入SCR系统烧除清扫模式的操作指令，由一个与所述ECM通信连接的外接诊断设备产生并发送给ECM。

7.一种柴油机SCR系统的维修装置，包括：柴油机本体、柴油机电控燃油喷射系统、柴油机选择性还原催化(SCR)后处理系统，所述柴油机电控燃油喷射系统包括发动机电控模块ECM，可以控制燃油喷射的喷射相位和喷射次数，从而能够自由控制发动机转速和排气温度，所述柴油机选择性还原催化(SCR)后处理系统包含SCR催化消声器和排气管，其特征在于，所述ECM中，包含有清除SCR系统中残留的可烧除结晶物质的特殊运行模式，即SCR系统烧除清扫模式的运行控制程序，当ECM接收到启动SCR系统烧除清扫模式的命令时，ECM控制所述柴油机在SCR系统烧除清扫模式下运行；

包括一个烧除温度控制装置，所述烧除温度控制装置与待维修发动机的运行控制模块ECM电气连接，并产生电气信号输入给所述ECM，在烧除清扫模式下，通过所述烧除温度控制装置来改变发动机在SCR系统烧除清扫模式下的排气温度，所述排气温度在450-550℃之间，在一定排气温度下所述结晶物质会被热解蒸发；

所述结晶物质包含：固态尿素、缩二脲、三聚氰胺、三聚氰酸。

8.如权利要求7所述柴油机SCR系统的维修装置，其特征在于，所述包含有SCR系统烧除清扫模式运行控制程序的ECM，为一个维修服务专用ECM，将待维修的柴油发动机的ECM更换为该ECM后，启动发动机就立即进入SCR系统烧除清扫模式下的运行，ECM断电就退出SCR系统烧除清扫模式。

9.如权利要求7所述柴油机SCR系统的维修装置,其特征在于：所述烧除温度控制装置为发动机油门操纵装置。

10.如权利要求7所述柴油机SCR系统的维修装置,其特征在于：所述烧除温度控制装置为售后服务诊断仪。