尿素箱水加熱電磁閥失效模式及監測方法的研究

劉成龍 薛金強 張海涵

摘要：隨著國家對環境污染問題的日益重視，對于汽車尾氣排放的要求也越來越嚴格。目前，國內消除尾氣中的NOX（氮氧化物）主要技術路線是通過SCR（選擇性催化還原）技術，利用尿素的還原性將NOX還原成N2。針對尿素低溫結晶特性，尿素箱水加熱電磁閥控制發動機冷卻水對尿素箱進行加熱，其失效會使尿素溶液過加熱，導致尿素溶液性能下降，從而發生SCR轉換效率過低問題。本文主要從尿素箱水加熱電磁閥工作原理、控制邏輯出發，研究市場常見的失效模式，并提出一種監測方法，便于高效的判斷故障點，避免引起后處理故障。

Abstract： With the increasing attention of the country to the problem of environmental pollution， the requirements for automobile exhaust emissions are more and more strict. At present， the main technical route to eliminate NOX（nitrogen oxide） in exhaust gas in the domestic is to reduce NOX to N2 through SCR （selective catalytic reduction） technology， using the reducibility of urea. According to the characteristics of low temperature crystallization of urea， the cooling water of the engine is heated by the solenoid valve of the water heating in the urea tank. The failure of the valve will make the urea solution overheated， which leads to the deterioration of the performance of the urea solution and the low SCR conversion efficiency. Based on the working principle and control logic of the water heating solenoid valve in the urea tank， this paper studies the common failure modes in the market， and puts forward a monitoring method， which is convenient to judge the fault points efficiently and avoid causing post-processing faults.

關鍵詞：NOX（氮氧化物）;SCR（選擇性催化還原）技術;尿素箱;水加熱電磁閥

Key words： NOX（Nitrogen Oxide）;SCR（Selective Catalytic Reduction）;urea tank;water heating solenoid valve

中圖分類號：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0001-03

0? 引言

柴油機相對于汽油機而言，不是根據當量比進行燃燒，因而其擁有功率大，運行效率好，成本低等諸多優點，因此在商用車、工程車輛、特種機械等多重領域廣泛應用，但是其排放包括氮氧化物等污染物含量過高的缺點同樣比較突出。目前，國家對環境污染問題日益重視，車輛的排放法規也逐漸嚴格并不斷升級。對國外柴油機技術調研發現，發動機本體的機內控制技術與國內基本一致，例如：優化燃燒室，減少發動機內摩擦;提高高壓共軌系統的噴射壓力，提升霧化效果;采用高效增壓器以及采用先進的EGR技術等。而針對后處理系統我國采用尿素-SCR后處理技術偏多，它具有燃油經濟性好、安全性好等優點。

但是，由于尿素溶液具有在-11℃環境下結晶的特性，在低溫寒冷地區使用過程中尿素被凍住而無法正常噴射的現象普遍存在，需要利用發動機冷卻水對尿素箱進行加熱，加熱時間直接受尿素箱水加熱電磁閥控制。發動機ECU通過尿素箱溫度、環境溫度及冷卻液溫度來判斷是否打開尿素箱水加熱電磁閥。

目前監測電磁閥是否工作良好的方式之一是通過數據標定，實現ECU上電后自檢。但是頻繁上電自檢會減少加熱電磁閥的壽命，而如果關閉自檢，電磁閥可能長時間處于關閉狀態，電磁閥容易卡滯生銹。另外，某些主機廠要求在添加冷卻液時，打開加熱電磁閥，以便尿素箱回路也加滿冷卻液。本文主要分析尿素箱水加熱電磁閥的工作原理及常見失效模式，創新提出一種簡易工具，用于判斷尿素箱加熱電磁的好壞。（圖1）

1? 工作原理及控制邏輯

1.1 工作原理

當前市場上使用的尿素箱大部分是集成式的，有尿素泵、液位傳感器、溫度傳感器、水加熱管路以及電磁切斷閥等。

后處理水加熱和冷卻系統從發動機散熱器出口取水，分別對尿素箱進行加熱和對尿素噴射單元進行冷卻。散熱器出水溫度相對尿素噴射單元溫度較低，流經尿素噴射單元后，帶走其電器件工作時產生的熱量，起到冷卻的作用，使噴射單元電器件始終工作在合適溫度范圍內;散熱器出水溫度相對處于低溫環境的尿素溫度較高，經過冷卻液電磁閥控制，通過尿素箱加熱水管與尿素箱中的低溫尿素完成對流換熱，完成尿素加熱后的冷卻液通過回流管回流到發動機本體。其中是否對尿素加熱受加熱電磁閥直接控制，ECU通過外部條件計算控制尿素加熱電磁閥的開啟和關閉。（圖2）

需要加熱時，ECU為電磁閥提供驅動電勢差，通過繼電器控制電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥體座上提起，閥門打開;

加熱完畢時，ECU控制繼電器斷開，電磁力消失，電磁閥內部彈簧把關閉件壓在閥體座上，閥門關閉。（圖3）

1.2 控制邏輯

尿素箱水加熱電磁閥開關的控制邏輯為：

結晶判定：當ECU通過尿素箱內部的溫度傳感器時刻監測尿素溫度，當尿素溫度低于ECU內部的設定值后，即判斷尿素處于結晶狀態或存在結晶風險。

加熱模式：ECU判斷尿素存在結晶時同時讀取發動機冷卻液的出水溫度，當出水溫度到達可以對尿素加熱的溫度后，ECU控制尿素箱水加熱電磁閥打開，發動冷卻液從尿素箱入口流經尿素箱內的水加熱管，通過熱交換的方式，對尿素箱內的尿素加熱。熱交換完畢的發動機冷卻液從尿素箱出口回流發動機水道中。

加熱關閉：基于尿素在高溫下揮發的特性，ECU監控加熱后的尿素溫度達到設定值后，ECU控制尿素箱加熱電磁閥關閉，尿素加熱結束。

ECU接收尿素溫度信號和冷卻液溫度信號，輸出對加熱電控閥的控制狀態。（圖4）

2? 尿素箱過加熱的故障分析

某電控柴油機型在市場使用中，OBD燈常亮，報“尿素箱過度加熱”的故障，通過數據分析發現后處理加熱電磁閥處于關閉狀態，但是尿素箱內溫度達到70℃。（圖5）

初步分析原因可能為：①由于冷卻液中的雜質卡滯，導致尿素箱水加熱電磁閥常開，一直給尿素箱加熱;②尿素箱水加熱電磁閥沒有按照安裝方向要求，導致閥門被水壓頂開現場用診斷設備控制電磁閥的工作通斷正常，又排查電磁閥內部無異常雜質導致卡滯。最終，調整水加熱電磁閥的進水口和出水口解決。（圖6）

3? 測試方法研究

依據電磁閥原理，電磁閥線圈通電后，可以控制電磁閥的接通。目前，通常使用專用診斷設備的執行器測試功能完成，但是這種方法需要具備專用的診斷設備和軟件才能使用，受限制較多。本論文基于電磁閥原理及ECU控制邏輯，設計開發一種集成線束，通過按下翹板開關來控制電磁閥的通斷。

3.1 翹板開關的設計

當翹板開關位于檔位1時候;A1和A2閉合， B1和B2閉合，此時ECU和尿素箱水加熱電磁閥正常連接，電磁閥的工作受ECU控制，只有滿足ECU標定參數才能閉合。

當翹板開關位于檔位2時候，A1和C2閉合，B1和D2閉合，ECU針腳和電阻連接，尿素箱水加熱電磁閥和正負極連接。此時，尿素箱水加熱電磁閥兩端電壓是24V，尿素箱水加熱電磁閥打開。（圖7、表1）

3.2 集成測試線束的開發

車輛正常情況下，整車線束與尿素箱的加熱電磁閥通過接插件連接。當需要手動控制時候，操作方式如下：①斷開接插件的連接，整車線束端連接“尿素箱水加熱電磁閥ECU端接插件”，尿素箱水加熱電磁閥端連接“尿素箱水加熱電磁閥端接插件”。②“電源正極”連接蓄電池正極， “電源負極”連接蓄電池的負極。③當需要打開加熱電磁閥時候，按下翹板開關。當需要關閉加熱電磁閥時候，恢復翹板開關。（圖8）

4? 總結

國六排放法規被稱為史上最嚴法規，對上游車企、發動機廠等企業的生產技術、檢測標準和售后服務帶來一定的調整。本文總結了尿素箱加熱電磁閥的工作原理和控制原理，并分析市場常見的尿素箱過加熱的故障模式，最終提出一種尿素箱加熱電磁的測試方法。該方法集成接插件、電阻、電源線、保險和專用翹板開關為一體，簡單易用，可以高效判斷尿素箱電磁閥故障點，防止因尿素溶液過度加熱而失效引起的NOX轉換效率低的問題。

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