國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理典型故障原因及排查方法研究

胡賢淼

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州 545005）

0 引言

隨著GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》的正式執(zhí)行，商用車已經(jīng)全面進(jìn)入國六階段。對(duì)比國五階段后處理相關(guān)故障的車輛限制最高扭矩（發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速至調(diào)速器斷油開始點(diǎn)轉(zhuǎn)速間的最大輸出扭矩降至外特性扭矩的60%），國六排放法規(guī)后處理相關(guān)故障的車輛限制區(qū)分為初級(jí)駕駛性能限制系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速至調(diào)速器斷油開始點(diǎn)轉(zhuǎn)速間的最大輸出轉(zhuǎn)矩降至外特性扭矩的75%），和嚴(yán)重駕駛性能限制系統(tǒng)（除初級(jí)駕駛性能限制外，限制車輛運(yùn)行速度至20 km/h，即跛行模式）。

在后處理故障激活駕駛性能限制系統(tǒng)后，對(duì)用戶帶來的感知和影響將更加明顯。如國五輕貨運(yùn)輸車輛在后處理故障時(shí)雖然被限制最大扭矩，但由于載重較輕，實(shí)際上產(chǎn)生影響較小。而國六激活嚴(yán)重駕駛性能限制系統(tǒng)后，限速至20 km/h 后車輛則無法正常運(yùn)營。為快速消除用戶對(duì)國六車輛后處理故障的抱怨，本文基于現(xiàn)有國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理典型故障進(jìn)行分析，探究故障產(chǎn)生的原因以及排查的步驟，形成可行的診斷方案。

1 典型國六柴油機(jī)后處理的結(jié)構(gòu)和原理

為滿足國六排放法規(guī)對(duì)NO和PM 的嚴(yán)苛要求，國六發(fā)動(dòng)機(jī)在國五發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了尿素后處理系統(tǒng)，并增加了后處理顆粒再生系統(tǒng)。同時(shí)，通過提升共軌壓力、增加EGR 系統(tǒng)等輔助手段，達(dá)到降低NO和PM 排放的目的，實(shí)現(xiàn)排放升級(jí)。

國六后處理系統(tǒng)采用“氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）+柴油顆粒捕捉器（DPF）+選擇性催化還原（SCR）+氨氣氧化催化器（ASC）”技術(shù)，以及非空氣輔助尿素噴射系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在尿素后處理系統(tǒng)中，通過控制尿素將濃度為32.5%的尿素水溶液噴入排氣管，在催化劑作用下，還原劑NH在290～400℃下有選擇地將NO 和 NO還原成N，而幾乎不發(fā)生NH與O的氧化反應(yīng)，從而提高了N的選擇性，減少了NH的消耗。尿素與尾氣中的NO在SCR 系統(tǒng)中催化劑作用下進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生成N和HO，降低NO濃度。尿素后處理系統(tǒng)從國五階段切換到國六階段主要在于提升尿素與NO的反應(yīng)效率，故障產(chǎn)生與排查機(jī)理基本相同，不作為本文研究的重點(diǎn)。

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理顆粒再生系統(tǒng)中，通過DOC 進(jìn)行催化氧化，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的HC、CO、NO 和SOF（可溶性有機(jī)物）等進(jìn)一步氧化成CO和HO，從而降低HC、CO 和PM 的量。DOC 使NO 部分轉(zhuǎn)化成NO，可應(yīng)用于DPF 被動(dòng)再生；而DOC在氧化HC 的同時(shí)放出熱量，可應(yīng)用于DPF 的主動(dòng)再生。

經(jīng)過DOC 后，尾氣中的顆粒物通過DPF 進(jìn)行捕捉凈化，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理在DPF 內(nèi)催化劑作用下快速燃燒消除，這個(gè)過程被稱為DPF 再生。通過這一過程，從而有效降低尾氣中PM濃度。

在國六后處理系統(tǒng)運(yùn)行中，上述過程均實(shí)行閉環(huán)控制。當(dāng)輸出到達(dá)最大范圍仍然無法校正至合理狀態(tài)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)國六后處理相關(guān)故障，并根據(jù)診斷邏輯觸發(fā)相應(yīng)故障碼。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，激活初級(jí)駕駛性能限制和嚴(yán)重駕駛性能限制系統(tǒng)，提示用戶需要進(jìn)行維修。

2 國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理的典型故障、原因及排查流程

結(jié)合國六后處理的結(jié)構(gòu)和原理分析，以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的情況，目前國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理典型故障主要來源于DOC、DPF、NO傳感器、溫度傳感器（4 個(gè)）、壓差傳感器以及相關(guān)線路等1 個(gè)或多個(gè)部件工作異常，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常后出現(xiàn)故障現(xiàn)象。為增強(qiáng)本文的實(shí)用性和指導(dǎo)意義，筆者主要從實(shí)際車輛運(yùn)行中出現(xiàn)的故障出發(fā)，聚焦國六新增DOC、DPF 以及相關(guān)傳感器、線路等引發(fā)的典型故障，研究故障排除的思路和方法。

2.1 故障1：DOC 轉(zhuǎn)換效率低

本司接到服務(wù)站求助，一輛搭載國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，發(fā)動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但發(fā)動(dòng)機(jī)故障警告燈及排放故障指示燈（MIL 燈）亮；發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管冒白煙，有刺鼻氣味。用故障診斷儀檢測(cè)，讀取到故障碼：P0420——氧化催化器（DOC）轉(zhuǎn)化效率低-被動(dòng)監(jiān)控（DOC 轉(zhuǎn)換效率低）。

電控發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷一般主要從兩個(gè)方面著手進(jìn)行分析：一方面從故障表現(xiàn)進(jìn)行范圍鎖定，一方面從發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元內(nèi)故障碼進(jìn)行輔助分析。兩個(gè)方面進(jìn)行結(jié)合，形成排查問題的方法和流程。

從故障表現(xiàn)來看，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)但冒白煙，說明發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)正常，有柴油進(jìn)入到排氣系統(tǒng)內(nèi)但未正常燃燒；有刺鼻氣味，說明熱管理出現(xiàn)異常，導(dǎo)致進(jìn)入排氣系統(tǒng)的柴油和尿素均存在未與尾氣完全反應(yīng)，柴油和尿素的混合物從排氣管排出產(chǎn)生刺鼻氣味。因此故障初步定位在后處理上。

從故障碼分析，觸發(fā)故障碼P0420 的診斷條件：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一定工況下，如果DOC 上游溫度在一定范圍，且與下游溫差大于限值，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足一定限值，HC 噴射等（診斷條件1）；DOC 轉(zhuǎn)換效率低于限值（診斷條件2）。當(dāng)觸發(fā)任何一個(gè)條件，則系統(tǒng)會(huì)報(bào)DOC 轉(zhuǎn)換效率低的故障碼。因此，可以初步判斷故障的原因有：①DOC 溫度傳感器異?；虬惭b錯(cuò)誤（對(duì)應(yīng)診斷條件1）；②DOC 老化或損壞（對(duì)應(yīng)診斷條件2）；③DOC被拆除（對(duì)應(yīng)診斷條件2）。按照故障排查先易后難的原則，編制排查流程圖（圖2）。具體排查流程如下。

圖2 DOC 轉(zhuǎn)換效率低故障排查流程

（1）檢查DOC 上、下游溫度傳感器安裝、線束連接以及供電是否正常，線束是否存在開路或短路。若異常，則修復(fù)或更換傳感器或線束；若無異常則進(jìn)入下一步。一般情況下，如果智能排氣溫度傳感器出現(xiàn)故障，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)與之相關(guān)的故障碼。

（2）目測(cè)檢查DOC 是否被拆除，如被拆除需重新安裝好新的DOC。如沒有拆除，進(jìn)入下一步。

（3）檢查DOC 上、下游溫度傳感器探頭是否異常，是否積炭。檢查DOC 上、下游溫度傳感器探頭是否被墊高，若是，則移除墊片或更換傳感器座，恢復(fù)傳感器正常安裝。檢查智能排氣溫度傳感器是否分別正確安裝在DOC 和SCR 的上、下游（表1）。

表1 智能排氣溫度傳感器編號(hào)及探針安裝位置

（4）拆檢DOC：系統(tǒng)下電，拆下DOC，檢查 DOC 出口端面是否有開裂、泄漏及燒損等損壞現(xiàn)象。若DOC 損壞，需更換新的DOC。

在指導(dǎo)服務(wù)站處理本次故障處理流程中，無智能排氣溫度傳感器的相關(guān)故障碼，因此主要檢查方式為DOC 目視檢查和相關(guān)傳感器安裝是否墊高及錯(cuò)位檢查。檢查時(shí)需要根據(jù)上述步驟逐一核對(duì)，才能避免錯(cuò)誤判定。經(jīng)過指導(dǎo)，服務(wù)站檢查結(jié)果為DOC 開裂，更換DOC 后試車，故障排除。

2.2 故障2：DPF 堵塞故障

本司接到服務(wù)站求助，一輛搭載國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈常亮，MIL 燈、排氣溫度過高報(bào)警燈和駕駛員警告燈點(diǎn)亮，DPF 再生燈點(diǎn)亮或閃爍；發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，出現(xiàn)限速甚至熄火；排氣冒黑煙。用故障診斷儀檢測(cè)，讀取到故障碼：P244B——DPF 堵塞故障（DPF 炭載量過載）。

從故障表現(xiàn)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)故障燈亮，且DPF再生故障燈點(diǎn)亮，說明DPF 相關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)冒黑煙、動(dòng)力不足、限速甚至熄火，說明已經(jīng)觸發(fā)嚴(yán)重駕駛性能限制系統(tǒng)，綜合故障表現(xiàn)，本故障初步定位在后處理DPF 上。也不排除用戶在DPF 多次提示再生后未及時(shí)再生引發(fā)故障。

從故障碼分析，觸發(fā)P244B 的診斷條件為：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常燃燒模式，DPF 溫度在正常溫度之間時(shí)（診斷條件1），監(jiān)控到DPF 壓差值大于診斷閾值（診斷條件2），報(bào)DPF 堵塞故障。由此可以初步故障原因有：DPF 壓差傳感器取氣管堵塞（對(duì)應(yīng)診斷條件1）；DPF 炭載量過大未進(jìn)行再生（對(duì)應(yīng)診斷條件2）；DPF 堵塞（對(duì)應(yīng)診斷條件2）。按照故障排查先易后難的原則，編制排查流程圖（圖3）。具體檢查流程如下。

圖3 DPF 故障排查流程

（1）根據(jù)DPF 壓差傳感器故障排查步驟，檢查DPF 壓差傳感器的線束連接、供電是否正常，線束是否開路或短路。若線束或插接器異常，則修復(fù)或更換插接器及線束。一般情況下，DPF壓差傳感器故障會(huì)同時(shí)出現(xiàn)與之相關(guān)的故障碼。

（2）根據(jù)DPF 壓差傳感器故障排查步驟，檢查DPF 壓差傳感器讀值是否正常。若異常，拆下DPF 壓差傳感器取氣管路，檢查管路是否存在斷裂、堵塞或積水現(xiàn)象（若在寒冷地區(qū)，還需檢查管路是否結(jié)冰）。若管路存在上述現(xiàn)象，則清理取氣管路或直接更換取氣管。若取氣管路均正常，但傳感器讀值異常，則更換傳感器。若傳感器及取氣管路均正常，則進(jìn)入下一步驟。

（3）系統(tǒng)上電，檢查DPF 再生燈狀態(tài)，若DPF 再生燈點(diǎn)亮或閃爍，則參照DPF 再生操作流程進(jìn)行行車再生（DPF 燈點(diǎn)亮）或駐車再生（DPF 燈閃爍）；若DPF 再生燈未點(diǎn)亮，則進(jìn)入下一步驟。

（4）DPF 拆檢。目測(cè)檢查DPF 是否被拆除，若被拆除，則需重新安裝DPF。如果DPF 未被拆除，系統(tǒng)下電，拆下DPF，檢查DPF 前端面是否有積炭或積灰。若積炭或積灰嚴(yán)重（圖4），則需對(duì)DPF 進(jìn)行清潔后重新安裝。若 DPF 無法清潔，則直接更換DPF。

圖4 拆檢DPF

另外在拆檢過程中，還需檢查DPF 前、后端面或側(cè)面是否有裂縫，后端面是否有黑點(diǎn)或黑斑，是否存在腐蝕剝落或有浸泡痕跡，以及是否有燒損等損壞等現(xiàn)象。若DPF 出現(xiàn)上述損壞現(xiàn)象，則需更換新 DPF。

在指導(dǎo)服務(wù)站處理本次故障處理流程中，無DPF壓差傳感器故障的相關(guān)故障碼，因此主要檢查方式為目視檢查和用戶使用調(diào)查。檢查內(nèi)容為相關(guān)傳感器安裝是否錯(cuò)誤或錯(cuò)位，用戶是否沒有及時(shí)進(jìn)行DPF 再生操作，DPF 是否拆除或開裂。服務(wù)站與用戶溝通得知，在再生燈點(diǎn)亮后一直未進(jìn)行再生操作，導(dǎo)致DPF 堵塞嚴(yán)重。服務(wù)站進(jìn)行再生操作后，試車故障排除。

3 國六柴油機(jī)后處理的典型故障排查方法和思路

上述2 個(gè)案例主要從DOC 和DPF 的常規(guī)故障入手，通過對(duì)故障碼的診斷條件解析，對(duì)應(yīng)實(shí)車可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)。同時(shí)從系統(tǒng)工作原理出發(fā)，編制對(duì)應(yīng)故障的排查方法和流程。DOC 和DPF零件作為國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)新增加的主要總成零件，其故障具備一定的代表性。根據(jù)國六發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，結(jié)合之前分析的故障，總結(jié)診斷思路如下。

（1）故障現(xiàn)象獲取。國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后處理相關(guān)故障時(shí)，一般會(huì)伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈、MIL 燈及駕駛性能系統(tǒng)警告燈等點(diǎn)亮現(xiàn)象。因此確認(rèn)故障現(xiàn)象時(shí)，首先檢查是否有上述故障燈點(diǎn)亮，獲得初步鎖定，縮小排查范圍。

（2）故障碼獲取。由于國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)控制，增加了多個(gè)傳感器，因此故障一般會(huì)有比較明顯的指向性故障碼。通過故障碼一般可以初步劃定故障范圍，如傳感器故障，一般均有1 個(gè)或多個(gè)相應(yīng)信號(hào)合理性故障碼出現(xiàn)。

（3）故障診斷邏輯分析。根據(jù)故障碼分析故障的診斷條件，包含診斷的準(zhǔn)備條件和判定條件。只有理解了診斷條件，才能制定相應(yīng)的診斷流程和排查步驟。因?yàn)楣收吓挪榈倪^程本質(zhì)上是對(duì)診斷條件的逆向分析，只有不滿足診斷條件，才會(huì)觸發(fā)相應(yīng)故障。

（4）根據(jù)診斷條件進(jìn)行故障排查流程設(shè)計(jì)。根據(jù)診斷條件，設(shè)計(jì)相應(yīng)的排查流程。在設(shè)計(jì)診斷流程中，針對(duì)DOC 和DPF 類故障，主要通過排除法來進(jìn)行診斷，即先排查DOC 和DPF 正常工作運(yùn)行的條件是否達(dá)到。例如通過相應(yīng)傳感器、線束的故障狀態(tài)，以及是否出現(xiàn)線束或傳感器類故障碼，初步判定是否存在線束和傳感器故障。然后在正常工作條件下，檢查是否為DOC 和DPF 本體出現(xiàn)故障，比如檢查DOC 和DPF 是否被移除或損壞。

同時(shí)在流程設(shè)計(jì)過程中，按照先易后難原則進(jìn)行。如較為簡單的線路和傳感器檢查優(yōu)先進(jìn)行，可以避免頻繁拆除DOC 和DPF，影響維修時(shí)長。結(jié)合系統(tǒng)排除法和先易后難的處理原則，可以設(shè)計(jì)出較為完善的故障排查流程和思路，避免系統(tǒng)分析后故障排查流程不全和維修時(shí)間過長。

4 結(jié)束語

國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)相關(guān)故障的維修中，DOC 及DPF 故障是非常典型的故障類型，掌握相關(guān)的維修診斷思路對(duì)提升國六發(fā)動(dòng)機(jī)的檢修能力具有非常重要意義。國六車輛的后處理故障類型比國五車輛更多，檢查的流程也更加復(fù)雜。因此掌握正確檢查方法、系統(tǒng)地開展排查，可以更有效處理國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理相關(guān)故障的故障。本文旨在拋磚引玉，通過典型故障的排查過程設(shè)計(jì)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和思路，希望能為其他用戶或者維修人員提供幫助。