尿素箱水加热电磁阀失效模式及监测方法的研究
2021-09-10刘成龙薛金强张海涵
刘成龙 薛金强 张海涵
摘要：随着国家对环境污染问题的日益重视，对于汽车尾气排放的要求也越来越严格。目前，国内消除尾气中的NOX（氮氧化物）主要技术路线是通过SCR（选择性催化还原）技术，利用尿素的还原性将NOX还原成N2。针对尿素低温结晶特性，尿素箱水加热电磁阀控制发动机冷却水对尿素箱进行加热，其失效会使尿素溶液过加热，导致尿素溶液性能下降，从而发生SCR转换效率过低问题。本文主要从尿素箱水加热电磁阀工作原理、控制逻辑出发，研究市场常见的失效模式，并提出一种监测方法，便于高效的判断故障点，避免引起后处理故障。
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.
關键词：NOX（氮氧化物）;SCR（选择性催化还原）技术;尿素箱;水加热电磁阀
Key words： NOX（Nitrogen Oxide）;SCR（Selective Catalytic Reduction）;urea tank;water heating solenoid valve
中图分类号：U464.172 ; 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）14-0001-03
0 引言
柴油机相对于汽油机而言，不是根据当量比进行燃烧，因而其拥有功率大，运行效率好，成本低等诸多优点，因此在商用车、工程车辆、特种机械等多重领域广泛应用，但是其排放包括氮氧化物等污染物含量过高的缺点同样比较突出。目前，国家对环境污染问题日益重视，车辆的排放法规也逐渐严格并不断升级。对国外柴油机技术调研发现，发动机本体的机内控制技术与国内基本一致，例如：优化燃烧室，减少发动机内摩擦;提高高压共轨系统的喷射压力，提升雾化效果;采用高效增压器以及采用先进的EGR技术等。而针对后处理系统我国采用尿素-SCR后处理技术偏多，它具有燃油经济性好、安全性好等优点。
但是，由于尿素溶液具有在-11℃环境下结晶的特性，在低温寒冷地区使用过程中尿素被冻住而无法正常喷射的现象普遍存在，需要利用发动机冷却水对尿素箱进行加热，加热时间直接受尿素箱水加热电磁阀控制。发动机ECU通过尿素箱温度、环境温度及冷却液温度来判断是否打开尿素箱水加热电磁阀。
目前监测电磁阀是否工作良好的方式之一是通过数据标定，实现ECU上电后自检。但是频繁上电自检会减少加热电磁阀的寿命，而如果关闭自检，电磁阀可能长时间处于关闭状态，电磁阀容易卡滞生锈。另外，某些主机厂要求在添加冷却液时，打开加热电磁阀，以便尿素箱回路也加满冷却液。本文主要分析尿素箱水加热电磁阀的工作原理及常见失效模式，创新提出一种简易工具，用于判断尿素箱加热电磁的好坏。（图1）
1 工作原理及控制逻辑
1.1 工作原理
当前市场上使用的尿素箱大部分是集成式的，有尿素泵、液位传感器、温度传感器、水加热管路以及电磁切断阀等。
后处理水加热和冷却系统从发动机散热器出口取水，分别对尿素箱进行加热和对尿素喷射单元进行冷却。散热器出水温度相对尿素喷射单元温度较低，流经尿素喷射单元后，带走其电器件工作时产生的热量，起到冷却的作用，使喷射单元电器件始终工作在合适温度范围内;散热器出水温度相对处于低温环境的尿素温度较高，经过冷却液电磁阀控制，通过尿素箱加热水管与尿素箱中的低温尿素完成对流换热，完成尿素加热后的冷却液通过回流管回流到发动机本体。其中是否对尿素加热受加热电磁阀直接控制，ECU通过外部条件计算控制尿素加热电磁阀的开启和关闭。（图2）
需要加熱时，ECU为电磁阀提供驱动电势差，通过继电器控制电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀体座上提起，阀门打开;
加热完毕时，ECU控制继电器断开，电磁力消失，电磁阀内部弹簧把关闭件压在阀体座上，阀门关闭。（图3）
1.2 控制逻辑
尿素箱水加热电磁阀开关的控制逻辑为：
结晶判定：当ECU通过尿素箱内部的温度传感器时刻监测尿素温度，当尿素温度低于ECU内部的设定值后，即判断尿素处于结晶状态或存在结晶风险。
加热模式：ECU判断尿素存在结晶时同时读取发动机冷却液的出水温度，当出水温度到达可以对尿素加热的温度后，ECU控制尿素箱水加热电磁阀打开，发动冷却液从尿素箱入口流经尿素箱内的水加热管，通过热交换的方式，对尿素箱内的尿素加热。热交换完毕的发动机冷却液从尿素箱出口回流发动机水道中。
加热关闭：基于尿素在高温下挥发的特性，ECU监控加热后的尿素温度达到设定值后，ECU控制尿素箱加热电磁阀关闭，尿素加热结束。
ECU接收尿素温度信号和冷却液温度信号，输出对加热电控阀的控制状态。（图4）
2 尿素箱过加热的故障分析
某电控柴油机型在市场使用中，OBD灯常亮，报“尿素箱过度加热”的故障，通过数据分析发现后处理加热电磁阀处于关闭状态，但是尿素箱内温度达到70℃。（图5）
初步分析原因可能为：①由于冷却液中的杂质卡滞，导致尿素箱水加热电磁阀常开，一直给尿素箱加热;②尿素箱水加热电磁阀没有按照安装方向要求，导致阀门被水压顶开现场用诊断设备控制电磁阀的工作通断正常，又排查电磁阀内部无异常杂质导致卡滞。最终，调整水加热电磁阀的进水口和出水口解决。（图6）
3 测试方法研究
依据电磁阀原理，电磁阀线圈通电后，可以控制电磁阀的接通。目前，通常使用专用诊断设备的执行器测试功能完成，但是这种方法需要具备专用的诊断设备和软件才能使用，受限制较多。本论文基于电磁阀原理及ECU控制逻辑，设计开发一种集成线束，通过按下翘板开关来控制电磁阀的通断。
3.1 翘板开关的设计
当翘板开关位于档位1时候;A1和A2闭合， B1和B2闭合，此时ECU和尿素箱水加热电磁阀正常连接，电磁阀的工作受ECU控制，只有满足ECU标定参数才能闭合。
当翘板开关位于档位2时候，A1和C2闭合，B1和D2闭合，ECU针脚和电阻连接，尿素箱水加热电磁阀和正负极连接。此时，尿素箱水加热电磁阀两端电压是24V，尿素箱水加热电磁阀打开。（图7、表1）
3.2 集成测试线束的开发
车辆正常情况下，整车线束与尿素箱的加热电磁阀通过接插件连接。当需要手动控制时候，操作方式如下：①断开接插件的连接，整车线束端连接“尿素箱水加热电磁阀ECU端接插件”，尿素箱水加热电磁阀端连接“尿素箱水加热电磁阀端接插件”。②“电源正极”连接蓄电池正极， “电源负极”连接蓄电池的负极。③当需要打开加热电磁阀时候，按下翘板开关。当需要关闭加热电磁阀时候，恢复翘板开关。（图8）
4 总结
国六排放法规被称为史上最严法规，对上游车企、发动机厂等企业的生产技术、检测标准和售后服务带来一定的调整。本文总结了尿素箱加热电磁阀的工作原理和控制原理，并分析市场常见的尿素箱过加热的故障模式，最终提出一种尿素箱加热电磁的测试方法。该方法集成接插件、电阻、电源线、保险和专用翘板开关为一体，简单易用，可以高效判断尿素箱电磁阀故障点，防止因尿素溶液过度加热而失效引起的NOX转换效率低的问题。
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