柴油車SCR系統(tǒng)故障引起發(fā)動機限扭原因研究
2018-04-12 00:00:00鐘云剛
汽車與駕駛維修(維修版) 2018年6期
摘要：隨著汽車產(chǎn)銷量的不斷攀升，汽車尾氣排放物給環(huán)境造成的污染也愈發(fā)嚴(yán)重。我國根據(jù)自身情況并參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)，制定了國家關(guān)于汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的實施規(guī)劃，現(xiàn)已實施了國家第五階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（國V排放標(biāo)準(zhǔn)）。由于新排放標(biāo)準(zhǔn)的實施，原減排措施與技術(shù)已不能滿足排放要求，需要引入新的技術(shù)及排放處理系統(tǒng)。從國IV車輛開始，在國Ⅲ系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了SCR尾氣后處理系統(tǒng)（選擇性催化還原系統(tǒng)）。由于新增了SCR系統(tǒng)，尾氣排放中有害物質(zhì)的排放大大降低，但若該系統(tǒng)工作產(chǎn)生故障造成排放超標(biāo)反饋，根據(jù)系統(tǒng)邏輯控制，將限制發(fā)動機運行功率并限扭，以強制降低燃油噴射量來減少NOx的排放。本文將結(jié)合SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及化學(xué)反應(yīng)機理進行闡述。以一汽解放J6牽引車所配的德國BOSCH（博世）公司SCR系統(tǒng)為研究對象，對其使用過程中引起發(fā)動機限扭的故障原因進行研究分析，為故障的診斷和排除提供幫助。
關(guān)鍵詞：柴油機;SCR;限扭;排除
中圖分類號：U464 文獻標(biāo)示碼：A
根據(jù)柴油機尾氣排放成分分析，相對于汽油機，柴油機的排放物除了硫化物（SO2復(fù)合物）外，主要是氮氧化合物（NOx）和顆粒（PM），一氧化碳（CO）和碳?xì)洌℉C）排放相對較少。根據(jù)排放物所形成的特性，柴油車主要從發(fā)動機技術(shù)、燃油油品和排放系統(tǒng)三方面進行提升以減少排放。即優(yōu)化發(fā)動機缸內(nèi)燃燒技術(shù)可降低顆料物、一氧化碳及碳?xì)涞鹊男纬桑褂玫土蚝康娜加涂山档土蚧锏呐欧?。而氮氧化合物（NOx）的排放量是在高溫富氧條件下溫度越高排放量越大，為降低其排放，在尾氣系統(tǒng)中采用尿素溶液SCR系統(tǒng)是中重型柴油機的首選。由于增加了尾氣系統(tǒng)，難免在使用中出現(xiàn)各種故障現(xiàn)象，特別是產(chǎn)生故障后引起發(fā)動機限扭現(xiàn)象較為典型，同時由于技術(shù)的復(fù)雜化，也給車輛維修從業(yè)人員帶來了新的挑戰(zhàn)，給車輛故障的診斷、分析、排除進一步地復(fù)雜化。
1 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理簡述
博世SCR后處理系統(tǒng)主要是由催化器、尿素箱、尿素泵、尿素管、尿素噴嘴、尿素液位溫度傳感器、排溫傳感器及NOx傳感器等組成。其中催化器由三個獨立并串聯(lián)的部分組成，分別是氨擴散混合器、催化轉(zhuǎn)化器和消聲器。其工作原理是尾氣從缸內(nèi)排出后進入催化器，在催化器混合器內(nèi)，通過安裝在催化器前排氣管上的尿素噴嘴將濃度為32.5%±0.5%的尿素水溶液噴入，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成氨氣（NH3），并與尾氣均勻地混合，然后在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)催化層的作用下，利用NH3選擇性地還原NOx，生成無害的氮氣（N2）和水（H2O），并通過消聲器排出。據(jù)測定，SCR系統(tǒng)對尾氣中的氮氧化合物的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到80%～90%，其基本化學(xué)反應(yīng)原理如下：
尿素水解為氨氣： （尿素噴射系統(tǒng)）
（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2（要求溫度200℃以上）
SCR后處理反應(yīng)： （SCR催化轉(zhuǎn)化器）
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O
2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O
2 SCR系統(tǒng)控制機制與邏輯
SCR系統(tǒng)工作啟動的條件除了與發(fā)動機起動后水溫、環(huán)境溫度、排氣溫度等有關(guān)外，還和SCR系統(tǒng)各傳感器、連接線束及管路等是否正常有關(guān)。在發(fā)動機起動后，為防止管路中尿素溶液出現(xiàn)結(jié)晶堵塞（尿素溶液的冰點為-11℃），當(dāng)尿素溫度低于-5℃時，發(fā)動機電控單元控制電加熱裝置加熱并進行排空。排氣溫度達(dá)到180℃，發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于550 r/min后，尿素泵開始建壓。排氣溫度達(dá)到200℃后，發(fā)動機電控單元（ECU）根據(jù)發(fā)動機運行工況，按標(biāo)定值向尿素噴嘴發(fā)出指令，將精確尿素量噴入排氣管中，在催化器中將NOx進行催化還原。氮氧傳感器對催化器中排出的已經(jīng)過催化還原后尾氣中的NOx含量進行監(jiān)測，ECU根據(jù)該監(jiān)測值后進行邏輯控制用于OBD監(jiān)控，OBD（車載排放控制用診斷系統(tǒng)）具有識別可能導(dǎo)致排放超標(biāo)的功能，并以故障代碼的方式將該信息儲存在電控單元存儲器內(nèi)，同時點亮故障指示燈。當(dāng)故障導(dǎo)致排放明顯惡化時，激活發(fā)動機減扭矩功能，提醒駕駛員盡快進行維修。比如：當(dāng)監(jiān)測到NOx排放量超過5 g/kW·h但小于7 g/kW·h時，將點亮排放故障警報燈，但扭矩輸出正常，當(dāng)監(jiān)測到NOx排放量超過7 g/kW·h，點亮排放故障警報燈同時限制發(fā)動機扭矩輸出，扭矩限制到60%，即超5、超7故障。發(fā)生故障后，可通過車載OBD故障診斷系統(tǒng)進行讀碼診斷，或者及時到就近服務(wù)站進行檢測維修。
3SCR系統(tǒng)工作原因引起的發(fā)動機限扭
SCR系統(tǒng)將催化器催化還原后的尾氣中NOx排放量監(jiān)測結(jié)果反饋給ECU，ECU將反饋數(shù)值和原設(shè)定值進行比對判定排放狀態(tài)，如超標(biāo)定僮將點亮排放故障警報燈直至限制發(fā)動機扭矩輸出。從控制原理分析，SCR系統(tǒng)造成發(fā)動機排放超標(biāo)、限扭原因常見的有：使用劣質(zhì)尿素溶液;SCR系統(tǒng)部件故障;發(fā)動機燃燒排放異常;尿素用盡等。
3.1使用劣質(zhì)尿素溶液
按法規(guī)要求，車用尿素水溶液必須符合GB29518標(biāo)準(zhǔn)，也就是濃度為32.5%±0.5%的尿素水溶液。由于現(xiàn)在市場上尿素水溶液品牌較多，品質(zhì)魚龍混雜，價格相差較大，有些價格僅為正規(guī)廠家的標(biāo)準(zhǔn)尿素水溶液的四分之一。車輛使用過程中，尿素正常消耗量一般為燃油消耗量的5%左右，無疑增加了車輛的運營成本。為了降低成本，價格較便宜的尿素溶液得到了許多用戶的青睞，但這些非正規(guī)廠家生產(chǎn)的尿素水溶液由于生產(chǎn)、儲存、灌裝等原因，無法保證尿素水溶液的濃度。根據(jù)市場調(diào)查，現(xiàn)市場上出售的尿素水溶液有相當(dāng)部分濃度為24%～38%，也就是有的尿素含量過低有的過高。SCR系統(tǒng)工作時尿素噴嘴根據(jù)電控單元（ECU）指令，將精確尿素溶液量噴入排氣管中，來保證催化還原反應(yīng)的正常進行，而噴射量是由電控單元指令控制，所以尿素水溶液尿素濃度是否符合標(biāo)準(zhǔn)決定了NOx催化還原情況是否正常。當(dāng)尿素濃度過稀時，無法達(dá)到排放要求的正常反應(yīng)量，造成NOx排放超OBD限值，當(dāng)監(jiān)測到NOx排放量超過5 g/kW·h未超過7 g/kW·h時，將點亮排放故障警報燈，當(dāng)監(jiān)測到NOx排放量超過7 g/kW·h，點亮排放故障警報燈同時發(fā)動機限扭。當(dāng)尿素濃度過高時，噴入排出管的尿素過量，其中一部分受熱水解為氨氣（NH3）排入大氣，造成二次污染，甚至產(chǎn)生結(jié)晶（圖1），造成排氣管堵塞背壓過高，發(fā)動機功率下降，油耗增加。嚴(yán)重時造成發(fā)動機排氣不暢，缸內(nèi)溫度過高，活塞燒頂?shù)裙收?sup>[1]。
3.2 SCR系統(tǒng)部件故障
ECU正常接收SCR各傳感器數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)傳感器、線束通信故障或監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時將點亮排放故障警報燈，告知SCR系統(tǒng)有故障，結(jié)合車載OBD故障診斷系統(tǒng)讀取閃碼或通過診斷議可讀取故障部件及故障原因。當(dāng)管路出現(xiàn)尿素泄漏和堵塞時，尿素實際噴射量小或不噴，導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)，由于尿素溶液的特性，在尿素泄漏的位置當(dāng)水蒸發(fā)后會產(chǎn)生白色結(jié)晶。當(dāng)車輛熄火之后，由于尿素易結(jié)晶造成堵塞，尿素泵需要將管路、尿素泵內(nèi)的尿素溶液倒吸回尿素箱內(nèi)，因此嚴(yán)禁熄火后立刻切斷整車電源總開關(guān)（須等30 s以上）。若尿素噴嘴出現(xiàn)機械故障卡死在關(guān)閉或半關(guān)閉狀態(tài)時，會造成不噴尿素或?qū)嶋H噴射量過小，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率過低排放超標(biāo)。當(dāng)發(fā)生這種機械故障時，系統(tǒng)是無法檢測出來的，由于排溫傳感器實為熱敏電阻，可將一阻值為200 Ω的電阻揍人替代排溫傳感器產(chǎn)生信號，將尿素噴嘴卸下，起動發(fā)動機，便可觀察其噴射情況，確定是否有卡滯或堵塞故障等[2]。
3.3發(fā)動機燃燒排放異常
SCR系統(tǒng)工作時發(fā)動機電控單元（ECU）根據(jù)發(fā)動機運行工況，按標(biāo)定值向尿素噴嘴發(fā)出指令，將精確尿素量噴入排氣管中來保證催化還原反應(yīng)正常進行，當(dāng)發(fā)動機排放異常NOx排放量變大時，按正常量噴射的尿素量無法達(dá)到NOx轉(zhuǎn)化率的要求，排放超標(biāo)。造成排放異常主要原因有：柴油品質(zhì)較差、燃油噴射量大、進氣量不足、缸內(nèi)燃燒不良等。如果使用含硫量較大的柴油，則其燃燒產(chǎn)生的硫化物會污染催化轉(zhuǎn)化器表面，這樣就會降低催化器的轉(zhuǎn)化率。發(fā)動機缸內(nèi)燃燒不良，導(dǎo)致產(chǎn)生大量碳煙顆料（PM），同樣污染催化轉(zhuǎn)化器表面造成催化器的轉(zhuǎn)化率低，NOx傳感器檢測值超標(biāo)，點亮排放故障燈直至限扭[3]。
3.4尿素用盡
尿素液位傳感器將尿素箱內(nèi)尿素液位高度實時反饋給電控單元，當(dāng)液位高度零液位、空罐時向ECU發(fā)出報警信號，并點亮尿素液位警報燈，提醒駕駛員及時添加尿素溶液。當(dāng)尿素用盡或尿素液位傳感器浮子出現(xiàn)卡滯，尿素液位顯示不能反映真實液位高度，尿素用盡時駕駛員然未察覺，導(dǎo)致缺少尿素催化還原反應(yīng)無法進行，NOx排放監(jiān)測超標(biāo)，點亮排放故障燈并限扭。
案例分析
一輛解放J6領(lǐng)航版牽引車進站報修，排放故障燈亮，發(fā)動機動力不足，尿素有消耗，催化器表面有高溫?zé)g痕跡。 檢修過程
（1）連接診斷議讀取故障碼，故障碼顯示P01FA、P01FB（圖2），即發(fā)動機氮氧排放超5、超7故障，可確定后處理系統(tǒng)建壓正常。
（2）檢查尿素噴嘴噴射情況正常。
（3）測量發(fā)動機怠速情況下排氣背壓，測得壓力約為7 kPa，正常值應(yīng)不大于5 kPa（圖3），背壓過大說明催化器有堵塞。
（4）拆檢催化器，發(fā)現(xiàn)有結(jié)晶現(xiàn)象（圖4）。
（5）利用尿素溶液分析儀檢查尿素濃度，尿素濃度達(dá)38%，濃度過高造成結(jié)晶。根據(jù)技術(shù)要求需更換催化器。
（6）更換催化器總成后試車，發(fā)現(xiàn)加速時冒黑煙明顯。
（7）再次讀取發(fā)動機故障，當(dāng)前無故障。
（8）讀取電控系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)進氣壓力值異常偏低（圖5）。
（9）檢查空氣濾芯及低壓進氣管路正常。
（10）檢查增壓器及增壓管路無異常。
（11）拆檢中冷箱發(fā)現(xiàn)，有芯管開裂（圖6）。
（12）更換中冷箱后試車，故障排除。
故障分析
該車故障為多重原因故障，一方面由于發(fā)動機中冷箱芯管開裂漏氣，造成進氣量不足，燃燒不完全，發(fā)動機動力下降。產(chǎn)生大量碳煙顆粒經(jīng)催化器排出，大量的碳煙顆粒等排放物對催化層進行污染和覆蓋及管路堵塞，造成NOx催化轉(zhuǎn)化能力下降、排放超標(biāo)、發(fā)動機限扭等。另一方面由于使用劣質(zhì)尿素溶液，造成催化器結(jié)晶，進一步堵塞排氣管路，排氣不暢，溫度升高，催化器有局部表面高溫?zé)g痕跡，催化器報廢。經(jīng)更換催化器總成、發(fā)動機中冷箱及使用標(biāo)準(zhǔn)尿素溶液后，故障徘除。
4結(jié)束語
車輛在使用過程中，造成發(fā)動機限扭的原因有多種。本文主要從SCR系統(tǒng)故障造成車輛N0x排放超標(biāo)，引起發(fā)動機限扭，從四個方面進行了詳細(xì)分析。為了進一步減少汽車尾氣有害排放對環(huán)境的污染，國家將會不斷地實施更加嚴(yán)格的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，屆時尾氣后處理系統(tǒng)將引入新的減排機制。將從包括油品、燃油噴射、燃燒、尾氣后處理等方面進行優(yōu)化升級，對車輛的使用和維護提出了更高要求。只有弄清了控制原理及影響因素，就能通過正確的檢測診斷流程，查找出故障部位及故障原因?！緟⒖嘉墨I】
[1]柳熾偉.柴油車SCR系統(tǒng)故障診斷與維護[J].汽車維修與保養(yǎng)，2016，（12）：62-64.
[2]陳春.SCR系統(tǒng)故障引起發(fā)動機動力不足的診斷[Jl.汽車維護與修理，2013，（8）：12-14.
[3]林建華.城市公交車SCR系統(tǒng)常見故障診斷與排附J]汽車維修，2016，（12）：42-43.
