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柴油车SCR系统故障引起发动机限扭原因研究
来源:汽车与驾驶维修  作者:佚名  2018-08-11 10:14:38

    摘要:随着汽车产销量的不断攀升,汽车尾气排放物给环境造成的污染也愈发严重。我国根据自身情况并参考欧洲标准,制定了国家关于汽车尾气排放标准的实施规划,现己实施了国家第五阶段机动车污染物排放标准(国V排放标准)。由于新排放标准的实施,原减排措施与技术己不能满足排放要求,需要引入新的技术及排放处理系统。从国IV车辆开始,在国川系统基础上增加了SCR尾气后处理系统(选择性催化还原系统)。由于新增了SCR系统,尾气排放中有害物质的排放大大降低,但若该系统工作产生故障造成排放超标反馈,根据系统逻辑控制,将限制发动机运行功率并限扭,以强制降低燃油喷射量来减少NOx的排放。本文将结合SCR系统的结构、工作原理及化学反应机理进行阐述。以一汽解放J6牵引车所配的德国BOSCH(博世)公司SCR系统为研究对象,对其使用过程中引起发动机限扭的故障原因进行研究分析,为故障的诊断和排除提供帮助。

    根据柴油机尾气排放成分分析,相对于汽油机,柴油机的排放物除了硫化物(SO2复合物)外,主要是氮氧化合物(NOx)和颗粒(PM),一氧化碳(CO)和碳氢(HC)排放相对较少。根据排放物所形成的特性,柴油车主要从发动机技术、燃油油品和排放系统三方面进行提升以减少排放。即优化发动机缸内燃烧技术可降低颗料物、一氧化碳及碳氢等的形成,使用低硫含量的燃油可降低硫化物的排放。而氮氧化合物(NOx)的排放量是在高温富氧条件下温度越高排放量越大,为降低其排放,在尾气系统中采用尿素溶液SCR系统是中重型柴油机的首选。由于增加了尾气系统,难免在使用中出现各种故障现象,特别是产生故障后弓}起发动机限扭现象较为典型,同时由于技术的复杂化,也给车辆维修从业人员带来了新的挑战,给车辆故障的诊断、分析、排除进一步地复杂化。

    1 SCR系统结构与工作原理简述
    博世SCR后处理系统主要是由催化器、尿素箱、尿素泵、尿素管、尿素喷嘴、尿素液位温度传感器、排温传感器及NOx传感器等组成。其中催化器由三个独立并串联的部分组成,分别是氨扩散混合器、催化转化器和消声器。其工作原理是尾气从缸内排出后进入催化器,在催化器混合器内,通过安装在催化器前排气管上的尿素喷嘴将浓度为32.5%±0.5%的尿素水溶液喷入,尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨气(NH3),并与尾气均匀地混合,然后在催化转化器内催化层的作用下,利用NH3选择性地还原NOx,生成无害的氮气(N2)和水(H20),并通过消声器排出。据测定,SCR系统对尾气中的氮氧化合物的转化率可达到80%~90%,其基本化学反应原理如下:
    尿素水解为氨气:(尿素喷射系统)
   (NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2(要求温度200℃以上)
    SCR后处理反应:(SCR催化转化器)
    NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
    4NO+O2+4N H3→4N2+6H2O
    2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

    2 SCR系统控制机制与逻辑
    SCR系统工作启动的条件除了与发动机启动后水温、环境温度、排气温度等有关外,还和SCR系统各传感器、连接线束及管路等是否正常有关。在发动机启动后,为防止管路中尿素溶液出现结晶堵塞(尿素溶液的冰点为-11℃),当尿素温度低于-5℃时,发动机电控单元控制电加热装置加热并进行排空。排气温度达到180℃,发动机转速大于550 r/min后,尿素泵开始建压。排气温度达到200℃后,发动机电控单元(ECU)根据发动机运行工况,按标定值向尿素喷嘴发出指令,将精确尿素量喷入排气管中,在催化器中将NOx进行催化还原。氮氧传感器对催化器中排出的已经过催化还原后尾气中的NOx含量进行监测,ECU根据该监测值后进行逻辑控制用于OBD监控,OBD(车载排放控制用诊断系统)具有识别可能导致排放超标的功能,并以故障代码的方式将该信息储存在电控单元存储器内,同时点亮故障指示灯。当故障导致排放明显恶化时,激活发动机减扭矩功能,提醒驾驶员尽快进行维修。比如:当监测到NOx排放量超过5 g/kW·h但小于7 g/kW·h时,将点亮排放故障警报灯,但扭矩输出正常,当监测到NOx排放量超过7 g/kW·h,点亮排放故障警报灯同时限制发动机扭矩输出,扭矩限制到60%,即超5、超7故障。发生故障后,可通过车载OBD故障诊断系统进行读码诊断,或者及时到就近服务站进行检测维修。

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