尿素箱水加熱電磁閥失效模式及監(jiān)測方法的研究

劉成龍 薛金強(qiáng) 張海涵

摘要：隨著國家對(duì)環(huán)境污染問題的日益重視，對(duì)于汽車尾氣排放的要求也越來越嚴(yán)格。目前，國內(nèi)消除尾氣中的NOX（氮氧化物）主要技術(shù)路線是通過SCR（選擇性催化還原）技術(shù)，利用尿素的還原性將NOX還原成N2。針對(duì)尿素低溫結(jié)晶特性，尿素箱水加熱電磁閥控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水對(duì)尿素箱進(jìn)行加熱，其失效會(huì)使尿素溶液過加熱，導(dǎo)致尿素溶液性能下降，從而發(fā)生SCR轉(zhuǎn)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(fā)，研究市場常見的失效模式，并提出一種監(jiān)測方法，便于高效的判斷故障點(diǎn)，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(guān)鍵詞：NOX（氮氧化物）;SCR（選擇性催化還原）技術(shù);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(hào)：U464.172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0001-03

0? 引言

柴油機(jī)相對(duì)于汽油機(jī)而言，不是根據(jù)當(dāng)量比進(jìn)行燃燒，因而其擁有功率大，運(yùn)行效率好，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在商用車、工程車輛、特種機(jī)械等多重領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是其排放包括氮氧化物等污染物含量過高的缺點(diǎn)同樣比較突出。目前，國家對(duì)環(huán)境污染問題日益重視，車輛的排放法規(guī)也逐漸嚴(yán)格并不斷升級(jí)。對(duì)國外柴油機(jī)技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體的機(jī)內(nèi)控制技術(shù)與國內(nèi)基本一致，例如：優(yōu)化燃燒室，減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)摩擦;提高高壓共軌系統(tǒng)的噴射壓力，提升霧化效果;采用高效增壓器以及采用先進(jìn)的EGR技術(shù)等。而針對(duì)后處理系統(tǒng)我國采用尿素-SCR后處理技術(shù)偏多，它具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

但是，由于尿素溶液具有在-11℃環(huán)境下結(jié)晶的特性，在低溫寒冷地區(qū)使用過程中尿素被凍住而無法正常噴射的現(xiàn)象普遍存在，需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水對(duì)尿素箱進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間直接受尿素箱水加熱電磁閥控制。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過尿素箱溫度、環(huán)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(jiān)測電磁閥是否工作良好的方式之一是通過數(shù)據(jù)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)ECU上電后自檢。但是頻繁上電自檢會(huì)減少加熱電磁閥的壽命，而如果關(guān)閉自檢，電磁閥可能長時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁閥容易卡滯生銹。另外，某些主機(jī)廠要求在添加冷卻液時(shí)，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(chuàng)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(dāng)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(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器出口取水，分別對(duì)尿素箱進(jìn)行加熱和對(duì)尿素噴射單元進(jìn)行冷卻。散熱器出水溫度相對(duì)尿素噴射單元溫度較低，流經(jīng)尿素噴射單元后，帶走其電器件工作時(shí)產(chǎn)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(nèi);散熱器出水溫度相對(duì)處于低溫環(huán)境的尿素溫度較高，經(jīng)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(duì)流換熱，完成尿素加熱后的冷卻液通過回流管回流到發(fā)動(dòng)機(jī)本體。其中是否對(duì)尿素加熱受加熱電磁閥直接控制，ECU通過外部條件計(jì)算控制尿素加熱電磁閥的開啟和關(guān)閉。（圖2）

需要加熱時(shí)，ECU為電磁閥提供驅(qū)動(dòng)電勢(shì)差，通過繼電器控制電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥體座上提起，閥門打開;

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

1.2 控制邏輯

尿素箱水加熱電磁閥開關(guān)的控制邏輯為：

結(jié)晶判定：當(dāng)ECU通過尿素箱內(nèi)部的溫度傳感器時(shí)刻監(jiān)測尿素溫度，當(dāng)尿素溫度低于ECU內(nèi)部的設(shè)定值后，即判斷尿素處于結(jié)晶狀態(tài)或存在結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

加熱模式：ECU判斷尿素存在結(jié)晶時(shí)同時(shí)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的出水溫度，當(dāng)出水溫度到達(dá)可以對(duì)尿素加熱的溫度后，ECU控制尿素箱水加熱電磁閥打開，發(fā)動(dòng)冷卻液從尿素箱入口流經(jīng)尿素箱內(nèi)的水加熱管，通過熱交換的方式，對(duì)尿素箱內(nèi)的尿素加熱。熱交換完畢的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液從尿素箱出口回流發(fā)動(dòng)機(jī)水道中。

加熱關(guān)閉：基于尿素在高溫下?lián)]發(fā)的特性，ECU監(jiān)控加熱后的尿素溫度達(dá)到設(shè)定值后，ECU控制尿素箱加熱電磁閥關(guān)閉，尿素加熱結(jié)束。

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

2? 尿素箱過加熱的故障分析

某電控柴油機(jī)型在市場使用中，OBD燈常亮，報(bào)“尿素箱過度加熱”的故障，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)后處理加熱電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，但是尿素箱內(nèi)溫度達(dá)到70℃。（圖5）

初步分析原因可能為：①由于冷卻液中的雜質(zhì)卡滯，導(dǎo)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(dǎo)致閥門被水壓頂開現(xiàn)場用診斷設(shè)備控制電磁閥的工作通斷正常，又排查電磁閥內(nèi)部無異常雜質(zhì)導(dǎo)致卡滯。最終，調(diào)整水加熱電磁閥的進(jìn)水口和出水口解決。（圖6）

3? 測試方法研究

依據(jù)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(shè)備的執(zhí)行器測試功能完成，但是這種方法需要具備專用的診斷設(shè)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(shè)計(jì)開發(fā)一種集成線束，通過按下翹板開關(guān)來控制電磁閥的通斷。

3.1 翹板開關(guān)的設(shè)計(jì)

當(dāng)翹板開關(guān)位于檔位1時(shí)候;A1和A2閉合， B1和B2閉合，此時(shí)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(biāo)定參數(shù)才能閉合。

當(dāng)翹板開關(guān)位于檔位2時(shí)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(fù)極連接。此時(shí)，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(fā)

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(dāng)需要手動(dòng)控制時(shí)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(fù)極”連接蓄電池的負(fù)極。③當(dāng)需要打開加熱電磁閥時(shí)候，按下翹板開關(guān)。當(dāng)需要關(guān)閉加熱電磁閥時(shí)候，恢復(fù)翹板開關(guān)。（圖8）

4? 總結(jié)

國六排放法規(guī)被稱為史上最嚴(yán)法規(guī)，對(duì)上游車企、發(fā)動(dòng)機(jī)廠等企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、檢測標(biāo)準(zhǔn)和售后服務(wù)帶來一定的調(diào)整。本文總結(jié)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(xiǎn)和專用翹板開關(guān)為一體，簡單易用，可以高效判斷尿素箱電磁閥故障點(diǎn)，防止因尿素溶液過度加熱而失效引起的NOX轉(zhuǎn)換效率低的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫文.車用SCR低溫解凍控制策略及試驗(yàn)研究[D].山東大學(xué)，2020，06.

[2]李江兵，趙挺，樊華春.輕型柴油機(jī)國六后處理技術(shù)路線探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，11.

[3]李永前.淺談柴油機(jī)國六階段后處理方法及技術(shù)路線選擇[J].客車技術(shù)，2019（6）：2-6.

[4]李金海.國IV柴油機(jī)排放開發(fā)及標(biāo)定研究[D].天津大學(xué)，2013.