国外重型柴油车ＳＣＲ车载诊断研究／余 乐，颜伏伍 设计・研究 ｄｏｉ：ｌ Ｏ．３９６９４．ｉｓｓｎ．１ ００５－２５５０．２０１ ０．０４．００４ 国外重型柴油车ＳＣＲ车载诊断研究 余乐，颜伏伍 （武汉理５２大学汽车工程学院，武汉４３００７０） 摘要：目前，重型柴油车ＳＣＲ系统的车载诊断是ＳＣＲ系统应用到车辆排放控制中的难点和研究热点，介绍了ＳＣＲ 系统的工作原理，阐述了在重型车上加载车载诊断（ＯＢＤ）系统的必要性及其发展现状，分析了目前国外ＳＣＲ车载诊 断系统研究的现状以及存在的问题，论述了今后的发展方向。 关键词：重型柴油车ｉＳＣＲ；车载诊断 ． 中图分类号：Ｕ６６４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—２５５０（２０１０）０４—００１５—０４ ＳＣＲ Ｏｎ－ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｏｆ Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ Ｄｉｅｓｅｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＹＵ Ｌｅ．ＹＡＮ Ｆｕ—ＷＵ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，ＳＣＲ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ—ｄｕｔｙ ｄｉｅｓｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｄｉｆｉｆｃｕｈ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｉｇｈ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ ＳＣＲ ｏｎ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＳＣＲ；ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ—ｄｕｔｙ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ＳＣＲ ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＣＲ ＯＢＤ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ—ｄｕｔｙ ｄｉｅｓｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＳＣＲ；ｏｎ—ｂｏａｒｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ 现阶段，我国正在全面实施重型柴油车的国Ⅲ 较差及技术相对落后的影响，国Ⅳ的实施可能会延 排放标准，还计划在近几年内实施柴油机的国ＩＶ排 后。待我国实施国Ⅳ排放法规时，国外针对ＳＣＲ车 放标准，我国对柴油车排放的要求正在日益严格。而 载诊断的各种技术应用已较为成熟。因此，研究国外 针对柴油机车的排放后处理系统的技术路线是目前 的ＳＣＲ系统车载诊断应用情况，对于我国实施国Ⅳ 争论的热点 目前存在两种主要的技术路线。一是先 阶段技术应用具有借鉴意义，可对我国相关技术的 通过缸内优化燃烧以降低颗粒物，再使用ＳＣＲ来降 实施及法规路线制定有所帮助。 低燃烧产生的ＮＯ 排放：二是ＥＧＲ＋ＤＰＦ路线，即先 通过ＥＧＲ降低排放中的ＮＯ ，再用ＤＰＦ捕集因使用 １ 柴油车ＳＣＲ系统 ＥＧＲ而略有增加的颗粒物。 我国尿素生产目前比较普遍，这有利于ＳＣＲ系 图ｌ所示为一典型柴油车ＳＣＲ系统的结构组 统的普及使用。ＳＣＲ系统对油品中的硫含量不敏 成。该系统主要由预氧化催化系统、尿素热解和水解 感，这也符合我国目前油品中硫含量较高的现状。另 催化系统、ＳＣＲ反应系统以及后氧化催化系统组 外，应用ＳＣＲ技术可以平稳地实现从国Ⅲ到国Ⅳ的 成。有一些ＳＣＲ系统不配备预氧化催化装置，但是 升级，对发动机厂和车辆生产商，以及客户的影响都 尿素热解和水解催化以及ＳＣＲ催化是构成一个 是最小的。综上，对于我国柴油发动机市场，宜首选 ＳＣＲ系统所必需的。 优化燃烧与ＳＣＲ相结合的技术路线来控制重型柴 油车的排放 目前，国外对于重型柴油车ＳＣＲ系统的车载诊 断正处于探索研究阶段。按计划，我国将于２０１０年 实施重型柴油车的国Ⅳ排放法规。而由于油品质量 水解催化剂 收稿Ｅｔ期：２０１０一Ｏ１—１２ 图１典型ＳＣＲ系统组成 ・１５・ 设计 蕊究 ＳＣＲ技术使用还原剂与排气中的ＮＯ 发生反 应，并将其转化为在大气中常见的Ｎ 和水蒸气。 ＮＨ 是ＳＣＲ反应中的必备成分，但其本身的储存和 制取存在～些问题，目前常用尿素作为替代试剂。反 应时将尿素与水以适当比例混合（一般是浓度为 ３２．５％的尿素水溶液）作为还原剂，利用喷射装置喷 入废气流中。 还原反应中主要的反应如下…。化学反应式（１） 表述的是液体尿素分解为氨的过程。化学反应式（２） 一（６）表述的是Ｎ 的还原过程。 （ＮＨ２）２Ｃ０＋Ｈ２０—＋２ＮＨ３＋Ｃ０２ （１） ６ＮＯ＋４ＮＨ３—｝５Ｎ２＋６Ｈ２０ （２） ４ＮＨ３＋４ＮＯ＋Ｏ２－－＋４Ｎ２＋６Ｈ２０ （３） ６ＮＯ２＋８ＮＨ３—｝７Ｎ２＋１ ２Ｈ２０ （４） ４ＮＨ３＋２ＮＯ２＋Ｏ ３Ｎ２＋６Ｈ２０ （５） ２ＮＨ３＋ＮＯ＋ＮＯ２－－－＊２Ｎ２＋３Ｈ２０ （６） 在柴油机排气的高温环境中，结合ＳＣＲ催化剂 的作用，废气中的ＮＯ 能迅速与ＮＨ，反应，生成Ｎ。 和Ｈ，０。上述各反应式表明了不同反应物浓度下 ＮＯ 的还原情况。 ２重型柴油车ＯＢＤ 由于重型柴油车排放水平较差，普遍行驶里程 较大及使用频率较高，加上目前全球发动机电控技 术的不断普及以及发动机排放控制技术电控程度的 提升，使得在重型柴油车上加装ＯＢＤ系统成为必然 趋势。 分析目前全球ＯＢＤ技术的发展情况，轻型车 ＯＢＤ技术的发展已经很成熟．而由于柴油机电控技 术的研究落后于汽油机，而重型车又基本以柴油发 动机为主，因此重型柴油车ＯＢＤ技术的研究工作在 国际上仍处于初级阶段，远落后于轻型车ＯＢＤ技术 的发展。另外，重型柴油车的排放控制技术和排放测 试要求与轻型车不同 使用环境与轻型车也有很大 不同，因此轻型车ＯＢＤ系统的技术措施和相关法规 并不适用于重型车。 美国和欧洲正在研究开发将ＯＢＤ系统应用于 重型车发动机［２］。在欧洲法规中，直至欧Ⅳ阶段才对 重型柴油车提出了ＯＢＤ要求，美国加州、ＳＡＥ、ＩＳＯ 和日本目前也提出了有关重型车ＯＢＤ的标；隹。与欧 洲排放控制法规一致，我国在重型车国Ⅳ法规中，首 次对重型柴油车ＯＢＤ系统进行了强制规定。 ・１６・ 汽车科技第４期２０１０年７月 ３重型柴油车ＳＣＲ系统的车载诊断 理论上而言，ＳＣＲ系统工作时，需要实时监控 ＳＣＲ系统对ＮＯ 的转化效率，以确定系统是否正常 工作。而ＳＣＲ系统使用过程中需要消耗尿素，这就 带来了ＳＣＲ在尿素添加方式上的问题（未及时添 加、不添加或忘记添加）。另外，如何合理配比尿素的 喷入量，以更好的实现对Ｎ 的催化还原也是目前 的主要问题。综上，要解决这一系列问题，就要将 ＯＢＤ系统应用到对ＳＣＲ的监测中。应当说，现阶段， ＳＣＲ系统本身的技术难点已基本克服，将其应用到 排放控制中的主要技术难点正是对ＳＣＲ系统的车 载诊断 需要对ＮＯ 的转化效率进行监控，以确定ＳＣＲ 系统是否正常工作。使用传感器来监控还原剂尿素 的供给量也是ＳＣＲ车载诊断中的必备部分。此外， 针对上文中提到的尿素添加问题，目前主要使用尿 素质量传感器来监控尿素的消耗量。目前对于重型 柴油车ＳＣＲ系统的监控，主要的研究内容即为ＮＯ 传感器、ＮＨ 传感器以及尿素传感器这几类传感器 的具体研究。ＳＣＲ车载诊断系统对于车辆的监控就 是基于上述传感器而进行。下面将分别介绍这几种 传感器的研究情况。 ３．１ ＮＯ 传感器 监控ＳＣＲ系统转化效率的最有效的方法是监 控Ｎ０ 的含量。一般做法为：在ＳＣＲ催化器的上游 和下游都安装一个ＮＯ 传感器，计算ＮＯ 的转化 率，以此监控催化剂的状态。但是，如上文所述，由于 轻型车与重型车之间存在的各种差异，直接把轻型 车上的ＮＯ 传感器用于重型车上，并以此来监测 Ｎ０ 的转化效率还存在较大困难。 理论上而言，如果某ＳＣＲ系统中存在氨水，就 不应该有Ｎ ，因为氨水将Ｎ０ｔ还原为氨气和水了。 但是ＮＯ 传感器对氨水和对ＮＯｘ的响应是一样的， 所以就不能判断系统中存在的是氨水还是ＮＯ ，这 样就造成了ＳＣＲ车载诊断对于ＮＯ 的偏差。因此针 对重型车的ＳＣＲ系统转化效率，还要开发新的传感 器，以尽量减少ＮＨ 的横向灵敏度对监测结果的影 响。 Ｌｏｔｈａｒ Ｈｏｆｍａｎｎ等人研究了ＮＨ３的泄露对ＮＯ 传感器的影响［＝ｊ］。研究人员通过调节尿素配量系统 的配比值，使得排气中出现了多余的ＮＨ，，并在此情 国外重型柴油车ＳＣＲ车载诊断研究／余 乐，颜伏伍 况下研究ＮＯ 传感器的信号变化情况。试验证明， ＮＨ 泄露对ＮＯ 传感器信号影响较大。由于ＮＨ３在 排气中的存在对信号影响较大，致使ＮＯ 传感器的 应用受到了一定影响。 设计・研究 效率最高，对ＮＨ 泄露的控制也最好。 Ｄｅｌｐｈｉ公司的Ｄ．Ｙ．Ｗａｎｇ等人对其公司生产的 ＮＨ 传感器进行了测试研究［ 。该ＮＨ，传感器是基 于一种电气化学原理而工作的。基于该原理的ＮＨ， 传感器目前在车辆上应用最为广泛的。此类型传感 在欧ＩＶ排放阶段，只利用ＳＣＲ系统的开环控 制就可达到排放法规规定的限值。此时ＳＣＲ系统的 Ｎ０ 转化效率控制在６５％左右，而目前为达到更加 严格的欧Ｖ、欧ＶＩ及ＥＰＡ１０的排放限值要求，国外 倾向于使用ＮＨ 传感器来实现对ＳＣＲ系统的闭环 控制。 ３＿２ Ｎ 传感器 为达到严格的排放法规的要求，ＳＣＲ的转化效 率应尽可能高。此外，应重视车辆排气时的ＮＨ 泄 漏问题。用尿素做还原剂时，主要成分是ＮＨ，。车辆 排出的废气温度可能从怠速时的１００℃变化到全负 荷时的６５０℃，因而在不同工况下需要喷射的还原 剂量的变化也很大，而ＮＨ，吸附到催化剂的能力会 随着温度的升高而有所降低，这样就很容易造成 ＮＨ 泄漏［４］。应尽可能控制其泄露量，优化尿素喷射 时的控制策略是最直接的解决方法。对ＳＣＲ系统采 取闭环控制可降低其应对尿素配量时的不精确性以 及催化剂的老化，并使ＳＣＲ系统可满足生产一致性 和在用符合性的要求。因此，在控制尿素喷射时，不 仅要考虑针对排气中的ＮＯ 调整尿素的喷射量，还 要考虑催化剂活性的影响。 为实现这一系列功能，包含ＮＨ 传感器的ＳＣＲ 系统的尿素配量闭环控制是目前的最佳解决方案。 国外的研究人员针对使用ＮＨ 传感器的闭环控制 系统已做了相关试验研究。 ＴＮＯ公司的Ｗｉｌｌｅｍｓ等人对不同控制策略下的 ＳＣＲ系统的性能进行了研究ｌ５ｌ。研究人员研究了一 般的开环控制，基于催化剂前后ＮＯ 传感器的闭环 控制以及采取ＮＨ，传感器的闭环控制三种控制策 略下的ＳＣＲ系统的工作特性。研究结果显示，一般 的开环控制可达到较高的ＮＯ 转化效率，但无法对 发动机的ＮＯ 转化进行有效监控。使用ＮＯ 传感器 的控制策略中，得到比第一种控制策略较好的结果， 可监控ＮＯ 的转化效率，但发现ＮＨ 对ＮＯ 传感器 的影响较大。尽管研究人员使用修正措施对ＮＯ 传 感器的ＮＨ，的横向灵敏度进行了，以使其较好 的工作，但此现象还是了该控制策略的使用，与 前两种对比，采取ＮＨ 传感器的闭环控制可达到最 好的效果。试验结果证明该控制策略下的ＮＯ 转化 器具有较为经济的制造成本，有较好的耐久性，适于 规模化生产，可经受柴油机排气系统中恶劣的工作 环境。该传感器工作时，如感应到ＮＨ，的存在，就输 出一个电动势信号，此信号与氨气浓度的对数值呈 线性比例。这个信号会反馈给ＳＣＲ系统的配量单元 控制器，控制器会对尿素的供给做出相应调整。在柴 油发动机上的测试证明了该ＮＨ 传感器在预想的 工作环境下可有效工作，并有较好的可靠性。另外， 研究人员还对基于ＮＨ 传感器和基于Ｎｏｘ传感器 的控制策略进行了对比研究。研究发现基于Ｎ 传 感器的控制系统对于Ｎ 泄露的控制明显不如基 于ＮＨ 传感器的控制策略好，加之发动机排气变化 时，此系统受到的影响较大，ＮＯ 转化效率明显下 降，导致此类型控制策略的使用受到了。 另外，Ｄｅｌｐｈｉ公司的Ａｎｄｒｅｗ Ｈｅｒｍａｎ等人也对 不同试验工况下，基于ＮＨ 传感器的ＳＣＲ控制策略 进行了研究［ 。研究人员在Ｆ１１Ｐ和ＥＳＣ试验循环下 验证了此控制策略在ＮＯ 转化效率及ＮＨ，泄露控 制方面的优势。另外，研究人员还进行了更加深入的 研究，验证了将ＮＨ 传感器运用到ＯＢＤ系统中的 可行性。研究显示，利用加载在ＳＣＲ催化剂中部的 ＮＨ 传感器可加强对ＳＣＲ催化剂老化的监控，指出 今后的研究方向是研究ＮＨ 传感器检测到的信号 与ＳＣＲ催化剂老化时的ＮＯ 转化效率之间的关系。 ３．３尿素传感器 理论上讲，一个ＳＣＲ系统监控应监控喷入废气 中的空气／尿素混合气的参数，这些参数包括混合气 流速以及混合气中尿素的质量。但是，目前尚不存在 一种在尿素喷入点精确测量混合气中尿素质量的有 效措施。考虑到这些，对ＳＣＲ系统监控的解决 方案是将理论上希望得到的注入排气的尿素的质量 （信号指令）与尿素罐的体积变化（实际情况）进行对 比，在一个合理的时间内检测系统是否失效…。 该ＳＣＲ系统监测方法需要精确测量理论上的 注入排气的尿素的量（信号指令）与尿素罐的体积变 化数（实际情况），精确的配量控制可使系统可以准 确测量需要尿素的质量。考虑到诊断时间的需要、尿 素罐设计的多样性以及车辆行驶过程中罐体的晃 ・１７・ 设计－明究 动，较难精确测量尿素罐内的体积变化。 汽车科技第４期２０１０年７月 国内外都尚未发展到成熟阶段，世界各国的研究人 员都在针对可行的技术方案进行相关的试验研究 为在一定时间内检测出ＳＣＲ系统的失效特征， 需要一个高精度的传感器，但仅此还是无法测量体 积变化。一般来说，即便是精度很高的传感器也只能 在欧Ⅳ排放阶段时，仅使用开环控制就可实现 排放法规要求的限值，而随着排放法规的不断加严． 读取液面高度，而体积变化是由尿素液面高度和尿 素罐体横截面综合决定的。一般说来，尿素罐会被设 计为可适应周围部件空间布置的构造形式，因此．在 实际情况中，非标准横截面的尿素罐体是比较常见 的，所以，为适应非标准情况下的罐体横截面，需要 对传感器信号进行预处理。 ３．４需应对的问题 随着越来越严格的排放法规及重型车ＯＢＤ法 规的实施，如果今后发动机制造商决定采用ＳＣＲ作 为重型柴油车后处理解决方案，那么就必须解决系 统人为干扰以及失效诊断给ＳＣＲ车载诊断带来的 问题。 车用ＳＣＲ系统使用消耗性试剂尿素作为反应 必备物，这就导致车辆在使用过程中驾驶人员需支 付额外针对试剂的消耗，这就导致驾驶人员可能干 扰诊断系统。总体来说，系统干扰的主要出发点是减 少车辆的使用开支。对于ＳＣＲ诊断系统，一般性的 干扰模式容易检测出来，例如，断开ＳＣＲ配量电控 单元的电源等。然而，诊断系统同样会遇到其他类型 的干扰。目前，已存在如更改尿素的流向以使其流回 尿素罐，以及使用较为便宜的试液（例如水）添加在 尿素罐中等系统干扰。若出现这些类型的系统干扰， ＯＢＤ系统就较难诊断了。监控尿素罐的液面高度变 化并将其与电控系统确定的喷射量进行对比可以解 决上述干扰，但更改尿素罐试液的系统干扰显然无 法诊断识别，针对上述情况，就需要加强技术研发， 开发出适用于此现象的精确监控设备。 一旦ＯＢＤ系统发现ＳＣＲ系统错误工作的信 息，ＯＢＤ系统的失效诊断策略就显得十分重要了。 在欧洲排放法规中对“扭矩器”提出了规定，即 当ＮＯ 排放量超过限值规定的标准值时，待车辆车 速为零，再次启动后，发动机电控系统将发出指令， 强制降低发动机的输出扭矩。虽然此时车辆还可以 启动，但已影响车辆的正常操作，这就主动修正ＳＣ Ｒ系统的错误。 ４结论 总体来说，重型车ＳＣＲ系统的车载诊断技术在 ● ・１８・ 研究人员开发出配有ＮＯ 传感器以及ＮＨ 传感器 的闭环控制系统。而Ｎ０ 传感器因其对于ＮＨ 的横 向灵敏度，使用受到了一定，ＮＨ 传感器的出现 使其成为目前效率最高的ＳＣＲ车载诊断解决方案。 研究人员已通过对比试验验证了该传感器的可行 性，今后的方向是将ＮＨ 传感器更好地与ＯＢＤ系 统结合，建立ＮＨ 传感器与ＳＣＲ系统对ＮＯ 的转化 效率之间的联系，使其可在重型柴油车上得到广泛 应用 参考文献： ［１］Ｊｉｍ Ｎｅｂｅｒｇａｌｌ，Ｅｒｉｃ Ｈａｇｅｎ ａｎｄ Ｊｕｓｔｉｎ Ｏｗｅｎ，Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ［Ｊ］．ＳＡＥ ２００５一 Ｏ１～３６０３． ［２］钟祥麟，李孟良，王务林．重型车ＯＢＤ发展概述．汽车电器 ［Ｊ 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