柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)故障診斷與優(yōu)化

(湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰 442000)

0 引言

應(yīng)對(duì)全球氣候變暖提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中明確強(qiáng)調(diào)控制二氧化碳的排放量，并從汽車的使用量等各方面進(jìn)行了改進(jìn)，在減少汽車使用量的同時(shí)還要在源頭上進(jìn)行控制，也就是說(shuō)對(duì)于汽車排放出來(lái)的尾氣進(jìn)行治理。對(duì)于柴油機(jī)汽車尾氣來(lái)說(shuō)更應(yīng)引起重視，目前多種柴油車尾氣后處理技術(shù)已經(jīng)被提出并且處于研發(fā)階段，其中包括氧化催化、微粒過(guò)濾器、氮化物催化還原等技術(shù)，且有希望投入實(shí)際使用。

1 柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)的工作原理

目前，柴油機(jī)尾氣后處理方面運(yùn)用的兩種尾氣后處理系統(tǒng)，其中較先進(jìn)的一種技術(shù)是SCR尾氣后處理系統(tǒng)，即用簡(jiǎn)單的尿素溶液對(duì)尾氣中的氮化物進(jìn)行選擇性氧化，將一氧化氮、二氧化氮等轉(zhuǎn)換成氮?dú)夂退懦龅娇諝庵衃1]。相比之下，SCR系統(tǒng)的工作原理更加簡(jiǎn)單明朗。只需要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備下加置一套尿素還原設(shè)備就可以對(duì)尾氣進(jìn)行還原處理，使汽車排放出更加綠色低污染的尾氣。SCR尾氣后處理系統(tǒng)中，尿素箱用于貯存和提供尿素，其上的液位和溫度傳感器對(duì)尿素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為尾氣后處理系統(tǒng)中故障預(yù)防提供保障。因?yàn)槟蛩厥翘峁┑趸镛D(zhuǎn)換的反應(yīng)催化劑，一旦溫度過(guò)低，尿素溶液將會(huì)凍結(jié)，又或者是溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。壓縮空氣罐在工作時(shí)，其內(nèi)部的電動(dòng)泵將尿素箱中的溶液與空氣壓縮并混合進(jìn)入噴射管道，而催化器在SCR尾氣后處理系統(tǒng)中的承擔(dān)著另一套系統(tǒng)中的重要核心單元角色，不但有尾氣催化轉(zhuǎn)化的性能，同時(shí)還具備降低噪音消除雜音的功能。尾氣后處理系統(tǒng)由排氣溫度傳感器、壓差傳感器、空氣濾清器等組成，對(duì)于尿素箱的加溫一般情況下是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 故障原因診斷

2.1 尿素噴入計(jì)量的診斷

在柴油汽車尾氣后處理SCR系統(tǒng)中，尿素的噴入計(jì)量是要嚴(yán)格按照汽車尾氣中排放出來(lái)的氮化物濃度進(jìn)行適應(yīng)量噴入的。一旦尿素溶液的濃度過(guò)高或者是過(guò)低，都會(huì)造成尾氣后處理系統(tǒng)的故障，從而使處理過(guò)后的尾氣依舊無(wú)法達(dá)到綠色排放的標(biāo)準(zhǔn)。尿素脫硝是在受熱的條件下分解成為氨氣，氨氣再進(jìn)一步和氮化物進(jìn)行反應(yīng)，生成綠色環(huán)保對(duì)環(huán)境無(wú)污染的氮?dú)夂退魵?，從而完成脫硝反?yīng)[2]。但是，如果一旦尿素的含量過(guò)高，受熱分解生成的氨氣含量也會(huì)隨之增加，在脫硝反應(yīng)的過(guò)程中，大量的氨氣和氧氣極易反應(yīng)生成新的氮化物，影響排放質(zhì)量。但是如果尿素含量過(guò)低，在受熱分解時(shí)不能夠產(chǎn)生足夠計(jì)量的氨氣，就沒(méi)有辦法和全部的氮化物進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致部分氮化物殘留，也不能夠達(dá)到完全實(shí)現(xiàn)尾氣有害氣體凈化的目的。所以說(shuō)，目前汽車領(lǐng)域迫切地需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且成本低廉的尿素泵，來(lái)保證精密地控制好尿素的噴入使用量，并有效避免系統(tǒng)的故障。

2.2 催化器使用環(huán)境與功能診斷

催化器在汽車尾氣后處理系統(tǒng)中承擔(dān)著很重要的角色，因此，其對(duì)于燃油的要求也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較特殊，即必須使用符合規(guī)定的低硫含量的燃油。這是保證尾氣處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵步驟。從故障的原因來(lái)診斷，如果使用了高硫含量的燃油，汽車尾氣中含有的氮化物在硫元素濃度極高的情況下會(huì)產(chǎn)生硫化氮，從而污染轉(zhuǎn)換器的表面，這樣一來(lái)就會(huì)降低催化器在低溫時(shí)的轉(zhuǎn)化效率[3]。在汽車尾氣后處理系統(tǒng)中，三元催化器是安裝在汽車排氣系統(tǒng)中最重要的機(jī)外凈化裝置。它可以把汽車尾氣中的一氧化碳、一氧化氮、碳化氫等有害氮化物和碳化物，通過(guò)氧化還原的反應(yīng)轉(zhuǎn)變成為無(wú)害的二氧化碳、氮?dú)夂退魵?。三元催化器的壽命期限在?guó)內(nèi)一般是汽車行程的8萬(wàn)～10萬(wàn)km。

3 柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 尿素計(jì)量嚴(yán)格精密把控是關(guān)鍵

在汽車尾氣后處理SCR系統(tǒng)中，由于必須要用適量尿素溶液和排出的含有氮化物的汽車尾氣進(jìn)行反應(yīng)，才能滿足尾氣凈化的要求，這對(duì)尿素計(jì)量精準(zhǔn)度提出了更高要求。因?yàn)槊看闻欧懦龅钠囄矚獾慕M成成分是變化不可控的，因此對(duì)于相應(yīng)的尿素噴入量需要精確計(jì)量[4]。就目前來(lái)看，汽車行業(yè)中使用的尿素泵由驅(qū)動(dòng)電源、電磁驅(qū)動(dòng)裝置和單向出液閥、進(jìn)液口等組成。驅(qū)動(dòng)電源的強(qiáng)大動(dòng)力帶動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)裝置，從而驅(qū)動(dòng)單向出液閥，使尿素溶液從進(jìn)液口進(jìn)入，線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在泵外殼與動(dòng)鐵芯之間產(chǎn)生電磁回路，使動(dòng)鐵芯被吸合，通過(guò)彈簧帶動(dòng)柱塞軸在柱塞套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.2 催化器燃油要求檢查不可馬虎

在催化器的入口和出口處分別安裝了一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器主要用于檢測(cè)催化器是否達(dá)到要求的溫度來(lái)保證催化還原反應(yīng)的正常進(jìn)行，并據(jù)此確定需要噴入的尿素量。氨催化還原反應(yīng)所要求的溫度一般保持在780～840 ℃之間。在催化器上還安裝有氮氧化物傳感器，是用于監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)催化器處理后的尾氣中氮氧化物的排放是否達(dá)到預(yù)期效果的裝置[5]。在裝有三元轉(zhuǎn)化器的汽車柴油機(jī)中，不可以使用含有鉛元素的汽油，因?yàn)殂U顆粒隨廢氣排出經(jīng)三元催化器時(shí)，會(huì)依附在催化劑的外表面上，使催化器發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的接觸面積減少，從而大大降低催化器的轉(zhuǎn)換效率，并會(huì)導(dǎo)致三元催化器鉛中毒。同時(shí)，一定要注意應(yīng)防止未燃燒的混合氣進(jìn)入催化器。三元催化器開(kāi)始起作用的溫度是200 ℃左右，而超過(guò)1 000 ℃后，在這樣的高溫情況下，作為催化劑的貴金屬成分，自身也將會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，消耗催化器中有效的催化成分，使催化作用減弱。因此，車輛使用過(guò)程中要注意避免以下幾種情況：一是過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的怠速空轉(zhuǎn)，這樣只會(huì)增加耗能并且釋放出不必要的熱量，降低催化劑的質(zhì)量；二是點(diǎn)火時(shí)間過(guò)遲，釋放出大量的化學(xué)可燃?xì)怏w而不進(jìn)行點(diǎn)燃，就會(huì)有許多有害氣體無(wú)法進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化，不能轉(zhuǎn)化成汽車前進(jìn)的動(dòng)能，也無(wú)法達(dá)到尾氣處理的無(wú)害排放；三是個(gè)別缸失火不工作和混合氣過(guò)濃，都會(huì)導(dǎo)致排氣管處有黑煙冒出；四是發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油；五是氧傳感器失效；六是散熱不良造成的水溫過(guò)高，無(wú)法冷卻使得過(guò)度的能量消耗。同時(shí)，因?yàn)槿呋鞔蠖鄶?shù)內(nèi)部都是蜂窩陶器形成的催化劑承載體，應(yīng)當(dāng)注意在顛簸道路上控制行駛速度[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

空氣是人類日常生活中最沒(méi)有存在感卻是最不可或缺的生命之源，為保護(hù)空氣質(zhì)量，在柴油機(jī)汽車尾氣后處理的方面，本文分別闡述了汽車尾氣后處理系統(tǒng)的工作原理，在應(yīng)用中分析了故障診斷以及技術(shù)優(yōu)化的方法。在精確的機(jī)械中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)就是其最簡(jiǎn)單的描述。上文提到的對(duì)于尿素噴入計(jì)量的嚴(yán)格把控，以及催化器對(duì)于燃油及溫度的特殊要求，都對(duì)新時(shí)代下的綠色節(jié)能減排的汽車能源提出了新的更高也更迫切的需求。在柴油機(jī)尾氣后處理的精細(xì)零部件以及大型發(fā)動(dòng)機(jī)的處理上，現(xiàn)在正在研制出進(jìn)一步節(jié)能減排的綠色便捷且安全環(huán)保的新技術(shù)，新技術(shù)的應(yīng)用也將進(jìn)一步改善柴油機(jī)的工作況態(tài)及其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響問(wèn)題。

(03)