柴油車SCR系統故障引起發動機限扭原因研究

摘要：隨著汽車產銷量的不斷攀升，汽車尾氣排放物給環境造成的污染也愈發嚴重。我國根據自身情況并參考歐洲標準，制定了國家關于汽車尾氣排放標準的實施規劃，現已實施了國家第五階段機動車污染物排放標準（國V排放標準）。由于新排放標準的實施，原減排措施與技術已不能滿足排放要求，需要引入新的技術及排放處理系統。從國IV車輛開始，在國Ⅲ系統基礎上增加了SCR尾氣后處理系統（選擇性催化還原系統）。由于新增了SCR系統，尾氣排放中有害物質的排放大大降低，但若該系統工作產生故障造成排放超標反饋，根據系統邏輯控制，將限制發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。本文將結合SCR系統的結構、工作原理及化學反應機理進行闡述。以一汽解放J6牽引車所配的德國BOSCH（博世）公司SCR系統為研究對象，對其使用過程中引起發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。

關鍵詞：柴油機;SCR;限扭;排除

中圖分類號：U464 文獻標示碼：A

根據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復合物）外，主要是氮氧化合物（NOx）和顆粒（PM），一氧化碳（CO）和碳氫（HC）排放相對較少。根據排放物所形成的特性，柴油車主要從發動機技術、燃油油品和排放系統三方面進行提升以減少排放。即優化發動機缸內燃燒技術可降低顆料物、一氧化碳及碳氫等的形成，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，在尾氣系統中采用尿素溶液SCR系統是中重型柴油機的首選。由于增加了尾氣系統，難免在使用中出現各種故障現象，特別是產生故障后引起發動機限扭現象較為典型，同時由于技術的復雜化，也給車輛維修從業人員帶來了新的挑戰，給車輛故障的診斷、分析、排除進一步地復雜化。

1 SCR系統結構與工作原理簡述

博世SCR后處理系統主要是由催化器、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的部分組成，分別是氨擴散混合器、催化轉化器和消聲器。其工作原理是尾氣從缸內排出后進入催化器，在催化器混合器內，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，尿素在高溫下發生水解和熱解反應后生成氨氣（NH₃），并與尾氣均勻地混合，然后在催化轉化器內催化層的作用下，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。據測定，SCR系統對尾氣中的氮氧化合物的轉化率可達到80%～90%，其基本化學反應原理如下：

尿素水解為氨氣： （尿素噴射系統）

（NH₂）₂CO+H₂O→2NH₃+CO₂（要求溫度200℃以上）

SCR后處理反應： （SCR催化轉化器）

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

4NO+O₂+4NH₃→4N₂+6H₂O

2NO₂+O₂+4NH₃→3N₂+6H₂O

2 SCR系統控制機制與邏輯

SCR系統工作啟動的條件除了與發動機起動后水溫、環境溫度、排氣溫度等有關外，還和SCR系統各傳感器、連接線束及管路等是否正常有關。在發動機起動后，為防止管路中尿素溶液出現結晶堵塞（尿素溶液的冰點為-11℃），當尿素溫度低于-5℃時，發動機電控單元控制電加熱裝置加熱并進行排空。排氣溫度達到180℃，發動機轉速大于550 r/min后，尿素泵開始建壓。排氣溫度達到200℃后，發動機電控單元（ECU）根據發動機運行工況，按標定值向尿素噴嘴發出指令，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過催化還原后尾氣中的NOx含量進行監測，ECU根據該監測值后進行邏輯控制用于OBD監控，OBD（車載排放控制用診斷系統）具有識別可能導致排放超標的功能，并以故障代碼的方式將該信息儲存在電控單元存儲器內，同時點亮故障指示燈。當故障導致排放明顯惡化時，激活發動機減扭矩功能，提醒駕駛員盡快進行維修。比如：當監測到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，當監測到NOx排放量超過7 g/kW·h，點亮排放故障警報燈同時限制發動機扭矩輸出，扭矩限制到60%，即超5、超7故障。發生故障后，可通過車載OBD故障診斷系統進行讀碼診斷，或者及時到就近服務站進行檢測維修。

3SCR系統工作原因引起的發動機限扭

SCR系統將催化器催化還原后的尾氣中NOx排放量監測結果反饋給ECU，ECU將反饋數值和原設定值進行比對判定排放狀態，如超標定僮將點亮排放故障警報燈直至限制發動機扭矩輸出。從控制原理分析，SCR系統造成發動機排放超標、限扭原因常見的有：使用劣質尿素溶液;SCR系統部件故障;發動機燃燒排放異常;尿素用盡等。

3.1使用劣質尿素溶液

按法規要求，車用尿素水溶液必須符合GB29518標準，也就是濃度為32.5%±0.5%的尿素水溶液。由于現在市場上尿素水溶液品牌較多，品質魚龍混雜，價格相差較大，有些價格僅為正規廠家的標準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，但這些非正規廠家生產的尿素水溶液由于生產、儲存、灌裝等原因，無法保證尿素水溶液的濃度。根據市場調查，現市場上出售的尿素水溶液有相當部分濃度為24%～38%，也就是有的尿素含量過低有的過高。SCR系統工作時尿素噴嘴根據電控單元（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準決定了NOx催化還原情況是否正常。當尿素濃度過稀時，無法達到排放要求的正常反應量，造成NOx排放超OBD限值，當監測到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，當監測到NOx排放量超過7 g/kW·h，點亮排放故障警報燈同時發動機限扭。當尿素濃度過高時，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，甚至產生結晶（圖1），造成排氣管堵塞背壓過高，發動機功率下降，油耗增加。嚴重時造成發動機排氣不暢，缸內溫度過高，活塞燒頂等故障^[1]。

3.2 SCR系統部件故障

ECU正常接收SCR各傳感器數據，如果出現傳感器、線束通信故障或監測數據異常時將點亮排放故障警報燈，告知SCR系統有故障，結合車載OBD故障診斷系統讀取閃碼或通過診斷議可讀取故障部件及故障原因。當管路出現尿素泄漏和堵塞時，尿素實際噴射量小或不噴，導致NOx排放超標，由于尿素溶液的特性，在尿素泄漏的位置當水蒸發后會產生白色結晶。當車輛熄火之后，由于尿素易結晶造成堵塞，尿素泵需要將管路、尿素泵內的尿素溶液倒吸回尿素箱內，因此嚴禁熄火后立刻切斷整車電源總開關（須等30 s以上）。若尿素噴嘴出現機械故障卡死在關閉或半關閉狀態時，會造成不噴尿素或實際噴射量過小，導致NOx轉化率過低排放超標。當發生這種機械故障時，系統是無法檢測出來的，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生信號，將尿素噴嘴卸下，起動發動機，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發動機燃燒排放異常

SCR系統工作時發動機電控單元（ECU）根據發動機運行工況，按標定值向尿素噴嘴發出指令，將精確尿素量噴入排氣管中來保證催化還原反應正常進行，當發動機排放異常NOx排放量變大時，按正常量噴射的尿素量無法達到NOx轉化率的要求，排放超標。造成排放異常主要原因有：柴油品質較差、燃油噴射量大、進氣量不足、缸內燃燒不良等。如果使用含硫量較大的柴油，則其燃燒產生的硫化物會污染催化轉化器表面，這樣就會降低催化器的轉化率。發動機缸內燃燒不良，導致產生大量碳煙顆料（PM），同樣污染催化轉化器表面造成催化器的轉化率低，NOx傳感器檢測值超標，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尿素液位高度實時反饋給電控單元，當液位高度零液位、空罐時向ECU發出報警信號，并點亮尿素液位警報燈，提醒駕駛員及時添加尿素溶液。當尿素用盡或尿素液位傳感器浮子出現卡滯，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，導致缺少尿素催化還原反應無法進行，NOx排放監測超標，點亮排放故障燈并限扭。

案例分析

一輛解放J6領航版牽引車進站報修，排放故障燈亮，發動機動力不足，尿素有消耗，催化器表面有高溫燒蝕痕跡。 檢修過程

（1）連接診斷議讀取故障碼，故障碼顯示P01FA、P01FB（圖2），即發動機氮氧排放超5、超7故障，可確定后處理系統建壓正常。

（2）檢查尿素噴嘴噴射情況正常。

（3）測量發動機怠速情況下排氣背壓，測得壓力約為7 kPa，正常值應不大于5 kPa（圖3），背壓過大說明催化器有堵塞。

（4）拆檢催化器，發現有結晶現象（圖4）。

（5）利用尿素溶液分析儀檢查尿素濃度，尿素濃度達38%，濃度過高造成結晶。根據技術要求需更換催化器。

（6）更換催化器總成后試車，發現加速時冒黑煙明顯。

（7）再次讀取發動機故障，當前無故障。

（8）讀取電控系統動態數據流發現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）拆檢中冷箱發現，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，一方面由于發動機中冷箱芯管開裂漏氣，造成進氣量不足，燃燒不完全，發動機動力下降。產生大量碳煙顆粒經催化器排出，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催化轉化能力下降、排放超標、發動機限扭等。另一方面由于使用劣質尿素溶液，造成催化器結晶，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燒蝕痕跡，催化器報廢。經更換催化器總成、發動機中冷箱及使用標準尿素溶液后，故障徘除。

4結束語

車輛在使用過程中，造成發動機限扭的原因有多種。本文主要從SCR系統故障造成車輛N0x排放超標，引起發動機限扭，從四個方面進行了詳細分析。為了進一步減少汽車尾氣有害排放對環境的污染，國家將會不斷地實施更加嚴格的尾氣排放標準，屆時尾氣后處理系統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。【參考文獻】

[1]柳熾偉.柴油車SCR系統故障診斷與維護[J].汽車維修與保養，2016，（12）：62-64.

[2]陳春.SCR系統故障引起發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系統常見故障診斷與排附J]汽車維修，2016，（12）：42-43.