江淮2.7CTI發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)解析與故障分析

習(xí)健偉，盧 強(qiáng)

（江淮汽車乘用車營銷公司，安徽 合肥 230601）

車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣主要包括NOx、CO、HC、PM顆粒物等，排放后處理技術(shù)是為減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣造成環(huán)境污染而進(jìn)行適當(dāng)處理的技術(shù)。從國Ⅱ到國Ⅲ，關(guān)鍵在于燃油噴射系統(tǒng)；從國Ⅲ到國Ⅳ以上，就必須使用排放后處理技術(shù)。目前針對(duì)柴油機(jī)污染排放控制主要是EGR（廢氣再循環(huán)）和SCR（選擇性催化還原）兩條技術(shù)路線。

從國際看，歐洲傾向于SCR體系，利用尿素溶液對(duì)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理；而美日傾向于EGR體系，通過微粒催化轉(zhuǎn)換器對(duì)燃燒產(chǎn)生的微粒進(jìn)行處理。因?yàn)镋GR技術(shù)路線會(huì)增大油耗，且對(duì)燃油中的硫比較敏感，而SCR技術(shù)路線的燃油經(jīng)濟(jì)性好，能夠有效節(jié)省燃油消耗，對(duì)柴油機(jī)本體改動(dòng)小，發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜性低，且對(duì)硫不敏感。所以，從國內(nèi)看，大部分柴油機(jī)廠商對(duì)滿足國V排放均采用了SCR技術(shù)路線［1］。

江淮2.7CTI發(fā)動(dòng)機(jī)是第3代高壓共軌直噴2.7 L渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用DOC（Diesel oxidation catalysts，柴油機(jī)氧化催化器）＋SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原系統(tǒng)）后處理以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染，達(dá)到國V排放標(biāo)準(zhǔn)，已作為輕型載重汽車及輕型客車的配套動(dòng)力， 配置在江淮星銳商務(wù)車和高端輕型載重汽車。江淮2.7CTI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外觀如圖1所示。

圖1 江淮2.7CTI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外觀示意圖

1 江淮2.7CTI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)概述

江淮2.7CTI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制采用DOC＋SCR技術(shù)。車輛后處理總成一共有兩級(jí)，DOC氧化催化器安裝在前， SCR選擇性催化還原系統(tǒng)安裝在后。其中DOC氧化催化器有效處理HC、CO，將HC和CO轉(zhuǎn)化成CO2和H2O，SCR后處理系統(tǒng)利用尿素溶劑在特定的條件下將NOx還原成N2和H2O，有效降低廢氣中的NOx。

1）DOC柴油機(jī)氧化催化器，通過貴金屬Pt作用，把HC、CO、可溶性有機(jī)成分SOF（顆粒的主要組成成分）氧化成水和二氧化碳，同時(shí)把NO氧化成NO2，這一反應(yīng)也能一定程度地提高 SCR的轉(zhuǎn)換效率。

2）SCR選擇性催化還原技術(shù)，在含氧條件下使還原劑氨和NO選擇性地發(fā)生反應(yīng)裝置，由催化器和尿素水的噴射裝置構(gòu)成，將尿素溶液噴射出后，尿素與水高溫處理后分解為NH3，然后NH3與NO在催化劑作用下反應(yīng)生成N2和H2O。將氮氧化物轉(zhuǎn)化成氮分子的過程需要對(duì)氨噴射量和噴射位置控制，通過安裝類似氧傳感器的氨傳感器，當(dāng)氨擴(kuò)散到酶集體上改變輸出電壓信號(hào)，做閉環(huán)反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。在催化酶促進(jìn)下，通過尿素水溶液熱分解產(chǎn)生NH3來還原排氣中存在的NOx，產(chǎn)生N2和水等無危害氣體［2］。

江淮2.7CTI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)SCR催化轉(zhuǎn)換器采用桶式結(jié)構(gòu)，包括催化劑、載體、封裝等，SCR系統(tǒng)連接如圖2所示。

3）排放后處理控制邏輯，尿素噴射量與催化劑的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，ECU 通過接收傳感器輸入的催化劑溫度與廢氣流量信號(hào)，查找相應(yīng)的 MAP，得出對(duì)應(yīng)運(yùn)行工況下的催化劑轉(zhuǎn)換效率，ECU 根據(jù)轉(zhuǎn)換效率和氮氧化物的排放計(jì)算出需求的尿素量。

圖2 SCR選擇性催化還原系統(tǒng)連接示意圖

由于氨氣在 SCR 催化器中一部分用于催化還原反應(yīng)，一部分存儲(chǔ)在催化器中，且不同溫度催化器對(duì)氨氣的存儲(chǔ)能力也不同，這將導(dǎo)致催化器溫度上升過程時(shí)，有部分氨氣從催化器中溢出。為此， ECU 對(duì)比當(dāng)前工況下氨氣在催化器中的理論存儲(chǔ)量與實(shí)際存儲(chǔ)量，在有氨氣溢出時(shí)，及時(shí)減少噴射量；同時(shí)ECU會(huì)監(jiān)控下游氮氧傳感器輸入的實(shí)際 NOx值，當(dāng) NOx值產(chǎn)生偏差時(shí)，通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)噴射量，從而使 NOx值穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。

SCR系統(tǒng)中的尿素溶液在低溫環(huán)境下會(huì)結(jié)冰，工作時(shí)需要對(duì)尿素加熱解凍，用環(huán)境溫度傳感器測(cè)量周圍環(huán)境的溫度，ECU根據(jù)溫度信號(hào)控制電磁閥對(duì)尿素箱內(nèi)的尿素溶液進(jìn)行加熱。

根據(jù)國V階段的OBD2+ NOx控制的技術(shù)要求，對(duì)NOx排放控制實(shí)現(xiàn)NOx超過3.5 g/kWh時(shí)激活故障燈提醒駕駛員，超過7.0 g/kWh時(shí)亮故障燈并激活扭矩限制器。SCR控制邏輯如圖3所示。

圖3 SCR選擇性催化還原技術(shù)控制邏輯示意圖

2 2.7CTI發(fā)動(dòng)機(jī)SCR系統(tǒng)零部件功能與診斷

2.1 壓差傳感器

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DOC催化器壓力降來確定后處理系統(tǒng)是否正常工作，通過傳感器上的兩個(gè)壓力端口引出DOC催化器兩端的壓力，傳感器將測(cè)得的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電壓值反饋給控制單元，這樣既保證顆粒的充分氧化又避免催化器的堵塞，安裝位置如圖4所示。

圖4 SCR控制邏輯示意圖

壓差傳感器可能導(dǎo)致的故障現(xiàn)象包括系統(tǒng)燈/故障燈常亮，故障代碼主要有：P2003——禁止壓差傳感器的可能性監(jiān)控；P2002——DOC催化器被拆除；P2453——DOC 壓差電壓信號(hào)AfterRun時(shí)高于上限；P2455——DOC壓差電壓信號(hào)高于上限；P2454——DOC壓差電壓信號(hào)低于下限。

壓差傳感器的故障原因及檢查方法如下：①壓差傳感器損壞——檢查傳感器與壓力特性/檢查未啟動(dòng)狀態(tài)壓力與電壓；②排氣溫度傳感器到ECU之間線束故障——開路電壓測(cè)試/斷路短路測(cè)量；③壓力管泄漏或堵塞；④壓力管接頭松動(dòng)；⑤兩根壓力管位置裝反；⑥D(zhuǎn)OC催化器堵塞或者導(dǎo)通——車輛排氣壓力確認(rèn)/拆卸目視檢測(cè)。

2.2 尿素液位溫度傳感器

檢測(cè)尿素箱內(nèi)的尿素溫度和液面高度，尿素溫度為尿素加熱提供依據(jù)，尿素液位低時(shí)，儀表指示燈點(diǎn)亮，提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充。

尿素溫度傳感器和尿素液位傳感器集成在一起安裝在尿素箱內(nèi)，尿素溫度傳感器和尿素液位傳感器均是依靠變值電阻的分壓變化來測(cè)量的，可能導(dǎo)致的故障現(xiàn)象為系統(tǒng)燈/故障燈常亮、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足。

尿素液位溫度傳感器的故障原因與檢查排除方法如下：①尿素液位溫度傳感器損壞——根據(jù)實(shí)際液位對(duì)比/檢查液位與電阻特性；②尿素液位溫度溫度傳感器到ECU之間線束故障（K15、K18、K09、K85） ——開路檢測(cè)電壓供電線5V/檢查各線束開路短路；③尿素管路堵塞導(dǎo)致供液不暢導(dǎo)致無法減壓或壓力故障——目視檢查；④尿素加熱水路堵塞導(dǎo)致尿素溫度與環(huán)境溫度不可信——檢查水壓及暢通性。

2.3 尿素泵

內(nèi)置電機(jī)泵由尿素箱抽取尿素溶液經(jīng)過濾清后，通過壓力平衡單元、閥組與壓力傳感器共同控制，輸出壓力為0.5 MPa（5 bar）。內(nèi)置化冰加熱器，噴射結(jié)束停機(jī)，通過回抽泵將出液管路抽至真空，避免結(jié)晶。內(nèi)置壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控泵壓，保證壓力并進(jìn)行相關(guān)OBD診斷。尿素泵各接口安裝示意如圖5所示。

尿素泵及控制部分可能導(dǎo)致的故障現(xiàn)象包括尿素泵減壓故障、故障燈亮、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足等。相應(yīng)的故障碼有：P05EE尿素供給單元驅(qū)動(dòng)電路開路故障、P208A尿素泵控制占空比高于有效范圍。

圖5 尿素泵結(jié)構(gòu)與接口安裝示意圖

圖6 SCR控制電路與主繼電器安裝位置示意圖

尿素泵的故障原因與排查方法如下：①SCR主繼電器輸出至尿素泵信號(hào)故障，如圖6所示進(jìn)行排查。②尿素泵線路故障/12 V、搭鐵、3～4 V。③尿素泵占空比不正?！\斷儀占空比確認(rèn)，若占空比低于5%，回流管堵塞或損壞，則檢查回流管；若占空比高于85%，尿素泵失效或磨損，則檢查尿素泵總成。④尿素泵總成本身故障。

2.4 氮氧傳感器

檢測(cè)SCR催化器之后廢氣中氮氧化物的濃度，實(shí)現(xiàn)SCR尾氣后處理系統(tǒng)的閉環(huán)控制，同時(shí)也能夠作用于OBD診斷。該傳感器安裝在SCR催化器后面的排氣管上。

廢氣的O2被電解成O2-，而廢氣中的其他成分（HC、CO、H2）以Pt為催化劑在第1個(gè)腔被氧化掉；廢氣中的NOx和少量的O2由第1個(gè)腔進(jìn)入第2個(gè)腔，少量的 O2繼續(xù)被電解完畢，而廢氣中的NOx被分解為N2和O2，測(cè)量所得的再生氧氣量即為NOx濃度。氮氧傳感器工作原理如圖7所示［3］。

圖7 氮氧傳感器工作原理示意圖

3 SCR后處理系統(tǒng)保養(yǎng)與維修注意事項(xiàng)

江淮2.7 C T I柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尿素消耗量大約為0.5 L/100 km，噴射條件需要排氣溫度達(dá)到180 ℃，噴嘴起噴的排氣溫度是190 ℃。一般情況下，每加3次燃油加1次尿素水溶液，一次性最大加注容積為18 L，首次加注容積為21 L。車輛儀表板上有顯示尿素液位的指示燈，當(dāng)液面低于警戒線時(shí)需要添加尿素水溶液。

尿素水溶液應(yīng)滿足GB 29518或同等級(jí)的車用尿素水溶液，不得添加農(nóng)用尿素及自來水等其他物質(zhì)，否則會(huì)引起OBD報(bào)警或者限扭，甚至損壞后處理裝置。如果不小心加錯(cuò)了燃油或其他溶液進(jìn)到尿素箱，則應(yīng)立刻停機(jī)、放空尿素箱且用水清洗，清洗后添加尿素溶液，如果不處理會(huì)損壞后處理裝置。

手動(dòng)添加尿素溶液時(shí)應(yīng)該擰開尿素箱蓋，用漏斗引導(dǎo)尿素溶液流進(jìn)尿素箱，當(dāng)尿素溶液液面已經(jīng)達(dá)到加注口，則表示加滿。在加注過程中應(yīng)避免尿素溶液飛濺或者留到箱體表面，如果在箱體表面有殘留可以用濕布進(jìn)行擦拭，如果不進(jìn)行處理會(huì)出現(xiàn)白色的痕跡為正?，F(xiàn)象。用加注槍加注時(shí)液位滿時(shí)會(huì)自動(dòng)跳槍。

尿素泵主濾網(wǎng)每年或者100 000 km更換一次，以先到者為準(zhǔn)［4］。尿素箱總成每年至少要放空清洗一次，尿素加注口濾網(wǎng)每年至少要拆出來清洗一次，尿素箱通氣閥組件每年更換一次。

SCR噴射系統(tǒng)含有柴油機(jī)排氣處理液，不要使這些物質(zhì)進(jìn)入眼睛，如果進(jìn)入眼睛，立即用大量的水沖洗至少15 min；避免長時(shí)間與皮膚接觸，如果接觸，立即使用肥皂和水清潔皮膚。

維修過程中務(wù)必檢查后處理柴油機(jī)排氣處理液噴射閥和快接管接頭的輸入和輸出管路、尿素泵濾清器蓋四周是否有泄漏跡象，或存在白色沉積物跡象。

［1］ 羅濤.柴油機(jī)排放后處理技術(shù)［Z］.高等內(nèi)燃機(jī)原理讀書報(bào)告，2008.

［2］ 趙航，王務(wù)林.車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］ 江淮汽車公司.星銳技術(shù)培訓(xùn)資料［Z］. 2016.

［4］ 江淮汽車公司.2.7CTI 發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)［Z］. 2016.