柴油车SCR系统故障引起发动机限扭原因研究

钟云刚

（漳州吉兴汽车销售有限公司 363005)

根据柴油机尾气排放成分分析，相对于汽油机，柴油机的排放物除了硫化物（SO2复合物）外，主要是氮氧化合物（NOx）和颗粒（PM），一氧化碳（CO）和碳氢（HC）排放相对较少。根据排放物所形成的特性，柴油车主要从发动机技术、燃油油品和排放系统三方面进行提升以减少排放。即优化发动机缸内燃烧技术可降低颗料物、一氧化碳及碳氢等的形成，使用低硫含量的燃油可降低硫化物的排放。而氮氧化合物（NOx）的排放量是在高温富氧条件下温度越高排放量越大，为降低其排放，在尾气系统中采用尿素溶液SCR系统是中重型柴油机的首选。由于增加了尾气系统，难免在使用中出现各种故障现象，特别是产生故障后引起发动机限扭现象较为典型，同时由于技术的复杂化，也给车辆维修从业人员带来了新的挑战，给车辆故障的诊断、分析、排除进一步地复杂化。

1 SCR系统结构与工作原理简述

博世SCR后处理系统主要是由催化器、尿素箱、尿素泵、尿素管、尿素喷嘴、尿素液位温度传感器、排温传感器及NOx传感器等组成。其中催化器由三个独立并串联的部分组成，分别是氨扩散混合器、催化转化器和消声器。其工作原理是尾气从缸内排出后进入催化器，在催化器混合器内，通过安装在催化器前排气管上的尿素喷嘴将浓度为32.5%±0.5%的尿素水溶液喷入，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨气（NH3），并与尾气均匀地混合，然后在催化转化器内催化层的作用下，利用NH3选择性地还原NOx，生成无害的氮气（N2）和水（H20），并通过消声器排出。据测定，SCR系统对尾气中的氮氧化合物的转化率可达到80%～90%，其基本化学反应原理如下：

尿素水解为氨气：（尿素喷射系统）

(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2(要求温度200℃以上)

SCR后处理反应：（SCR催化转化器）

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

2 SCR系统控制机制与逻辑

SCR系统工作启动的条件除了与发动机起动后水温、环境温度、排气温度等有关外，还和SCR系统各传感器、连接线束及管路等是否正常有关。在发动机起动后，为防止管路中尿素溶液出现结晶堵塞（尿素溶液的冰点为-11℃），当尿素温度低于-5℃时，发动机电控单元控制电加热装置加热并进行排空。排气温度达到180℃，发动机转速大于550 r/min后，尿素泵开始建压。排气温度达到200℃后，发动机电控单元（ECU）根据发动机运行工况，按标定值向尿素喷嘴发出指令，将精确尿素量喷入排气管中，在催化器中将NOx进行催化还原。氮氧传感器对催化器中排出的已经过催化还原后尾气中的NOx含量进行监测，ECU根据该监测值后进行逻辑控制用于OBD监控，OBD（车载排放控制用诊断系统）具有识别可能导致排放超标的功能，并以故障代码的方式将该信息储存在电控单元存储器内，同时点亮故障指示灯。当故障导致排放明显恶化时，激活发动机减扭矩功能，提醒驾驶员尽快进行维修。比如：当监测到NOx排放量超过5 g/kW·h但小于7 g/kW·h时，将点亮排放故障警报灯，但扭矩输出正常，当监测到NOx排放量超过7 g/kW·h，点亮排放故障警报灯同时限制发动机扭矩输出，扭矩限制到60%，即超5、超7故障。发生故障后，可通过车载OBD故障诊断系统进行读码诊断，或者及时到就近服务站进行检测维修。

3 SCR系统工作原因引起的发动机限扭

SCR系统将催化器催化还原后的尾气中NOx排放量监测结果反馈给ECU，ECU将反馈数值和原设定值进行比对判定排放状态，如超标定值将点亮排放故障警报灯直至限制发动机扭矩输出。从控制原理分析，SCR系统造成发动机排放超标、限扭原因常见的有：使用劣质尿素溶液；SCR系统部件故障；发动机燃烧排放异常；尿素用尽等。

3.1 使用劣质尿素溶液

按法规要求，车用尿素水溶液必须符合GB29518标准，也就是浓度为32.5%±0.5%的尿素水溶液。由于现在市场上尿素水溶液品牌较多，品质鱼龙混杂，价格相差较大，有些价格仅为正规厂家的标准尿素水溶液的四分之一。车辆使用过程中，尿素正常消耗量一般为燃油消耗量的5%左右，无疑增加了车辆的运营成本。为了降低成本，价格较便宜的尿素溶液得到了许多用户的青睐，但这些非正规厂家生产的尿素水溶液由于生产、储存、灌装等原因，无法保证尿素水溶液的浓度。根据市场调查，现市场上出售的尿素水溶液有相当部分浓度为24%～38%，也就是有的尿素含量过低有的过高。SCR系统工作时尿素喷嘴根据电控单元（ECU）指令，将精确尿素溶液量喷入排气管中，来保证催化还原反应的正常进行，而喷射量是由电控单元指令控制,所以尿素水溶液尿素浓度是否符合标准决定了NOx催化还原情况是否正常。当尿素浓度过稀时，无法达到排放要求的正常反应量，造成NOx排放超OBD限值，当监测到NOx排放量超过5 g/kW·h未超过7 g/kW·h时，将点亮排放故障警报灯，当监测到NOx排放量超过7 g/kW·h，点亮排放故障警报灯同时发动机限扭。当尿素浓度过高时，喷入排出管的尿素过量，其中一部分受热水解为氨气（NH3）排入大气，造成二次污染，甚至产生结晶（图1），造成排气管堵塞背压过高，发动机功率下降，油耗增加。严重时造成发动机排气不畅，缸内温度过高，活塞烧顶等故障[1]。

图1 尿素结晶

3.2 SCR系统部件故障

ECU正常接收SCR各传感器数据，如果出现传感器、线束通信故障或监测数据异常时将点亮排放故障警报灯，告知SCR系统有故障，结合车载OBD故障诊断系统读取闪码或通过诊断议可读取故障部件及故障原因。当管路出现尿素泄漏和堵塞时，尿素实际喷射量小或不喷，导致NOx排放超标，由于尿素溶液的特性，在尿素泄漏的位置当水蒸发后会产生白色结晶。当车辆熄火之后，由于尿素易结晶造成堵塞，尿素泵需要将管路、尿素泵内的尿素溶液倒吸回尿素箱内，因此严禁熄火后立刻切断整车电源总开关（须等30 s以上）。若尿素喷嘴出现机械故障卡死在关闭或半关闭状态时，会造成不喷尿素或实际喷射量过小，导致NOx转化率过低排放超标。当发生这种机械故障时，系统是无法检测出来的，由于排温传感器实为热敏电阻，可将一阻值为200的电阻接入替代排温传感器产生信号，将尿素喷嘴卸下，起动发动机，便可观察其喷射情况，确定是否有卡滞或堵塞故障等[2]。

3.3 发动机燃烧排放异常

SCR系统工作时发动机电控单元（ECU）根据发动机运行工况，按标定值向尿素喷嘴发出指令，将精确尿素量喷入排气管中来保证催化还原反应正常进行，当发动机排放异常NOx排放量变大时，按正常量喷射的尿素量无法达到NOx转化率的要求，排放超标。造成排放异常主要原因有：柴油品质较差、燃油喷射量大、进气量不足、缸内燃烧不良等。如果使用含硫量较大的柴油，则其燃烧产生的硫化物会污染催化转化器表面，这样就会降低催化器的转化率。发动机缸内燃烧不良，导致产生大量碳烟颗料（PM），同样污染催化转化器表面造成催化器的转化率低，NOx传感器检测值超标，点亮排放故障灯直至限扭[3]。

3.4 尿素用尽

尿素液位传感器将尿素箱内尿素液位高度实时反馈给电控单元，当液位高度零液位、空罐时向ECU发出报警信号，并点亮尿素液位警报灯，提醒驾驶员及时添加尿素溶液。当尿素用尽或尿素液位传感器浮子出现卡滞，尿素液位显示不能反映真实液位高度，尿素用尽时驾驶员然未察觉，导致缺少尿素催化还原反应无法进行，NOx排放监测超标，点亮排放故障灯并限扭。

案例分析

一辆解放J6领航版牵引车进站报修，排放故障灯亮，发动机动力不足，尿素有消耗，催化器表面有高温烧蚀痕迹。

检修过程

（1）连接诊断议读取故障码，故障码显示P01FA、P01FB（图2），即发动机氮氧排放超5、超7故障，可确定后处理系统建压正常。

（2）检查尿素喷嘴喷射情况正常。

（3）测量发动机怠速情况下排气背压，测得压力约为7 kPa，正常值应不大于5 kPa（图3），背压过大说明催化器有堵塞。

（4）拆检催化器，发现有结晶现象（图4）。

（5）利用尿素溶液分析仪检查尿素浓度，尿素浓度达38%，浓度过高造成结晶。根据技术要求需更换催化器。

（6）更换催化器总成后试车，发现加速时冒黑烟明显。

（7）再次读取发动机故障，当前无故障。

图2 故障码

图3 排气背压

图4 尿素结晶

（8）读取电控系统动态数据流发现进气压力值异常偏低（图5）。

（9）检查空气滤芯及低压进气管路正常。

（10）检查增压器及增压管路无异常。

（11）拆检中冷箱发现，有芯管开裂（图6）。

（12）更换中冷箱后试车，故障排除。

图5 进气压力值异常

图6 芯管开裂

故障分析

该车故障为多重原因故障，一方面由于发动机中冷箱芯管开裂漏气，造成进气量不足，燃烧不完全，发动机动力下降。产生大量碳烟颗粒经催化器排出，大量的碳烟颗粒等排放物对催化层进行污染和覆盖及管路堵塞，造成NOx催化转化能力下降、排放超标、发动机限扭等。另一方面由于使用劣质尿素溶液，造成催化器结晶，进一步堵塞排气管路，排气不畅，温度升高，催化器有局部表面高温烧蚀痕迹，催化器报废。经更换催化器总成、发动机中冷箱及使用标准尿素溶液后，故障排除。处理系统将引入新的减排机制。将从包括油品、燃油喷射、燃烧、尾气后处理等方面进行优化升级，对车辆的使用和维护提出了更高要求。只有弄清了控制原理及影响因素，就能通过正确的检测诊断流程，查找出故障部位及故障原因。

4 结束语

车辆在使用过程中，造成发动机限扭的原因有多种。本文主要从SCR系统故障造成车辆NOx排放超标，引起发动机限扭，从四个方面进行了详细分析。为了进一步减少汽车尾气有害排放对环境的污染，国家将会不断地实施更加严格的尾气排放标准，届时尾气后