柴油机尾气后处理系统故障诊断与优化

(湖北工业职业技术学院，湖北 十堰 442000)

0 引言

应对全球气候变暖提出的可持续发展战略中明确强调控制二氧化碳的排放量，并从汽车的使用量等各方面进行了改进，在减少汽车使用量的同时还要在源头上进行控制，也就是说对于汽车排放出来的尾气进行治理。对于柴油机汽车尾气来说更应引起重视，目前多种柴油车尾气后处理技术已经被提出并且处于研发阶段，其中包括氧化催化、微粒过滤器、氮化物催化还原等技术，且有希望投入实际使用。

1 柴油机尾气后处理系统的工作原理

目前，柴油机尾气后处理方面运用的两种尾气后处理系统，其中较先进的一种技术是SCR尾气后处理系统，即用简单的尿素溶液对尾气中的氮化物进行选择性氧化，将一氧化氮、二氧化氮等转换成氮气和水排出到空气中[1]。相比之下，SCR系统的工作原理更加简单明朗。只需要在发动机设备下加置一套尿素还原设备就可以对尾气进行还原处理，使汽车排放出更加绿色低污染的尾气。SCR尾气后处理系统中，尿素箱用于贮存和提供尿素，其上的液位和温度传感器对尿素进行实时监控，为尾气后处理系统中故障预防提供保障。因为尿素是提供氮氧化物转换的反应催化剂，一旦温度过低，尿素溶液将会冻结，又或者是温度过高也会导致系统故障。压缩空气罐在工作时，其内部的电动泵将尿素箱中的溶液与空气压缩并混合进入喷射管道，而催化器在SCR尾气后处理系统中的承担着另一套系统中的重要核心单元角色，不但有尾气催化转化的性能，同时还具备降低噪音消除杂音的功能。尾气后处理系统由排气温度传感器、压差传感器、空气滤清器等组成，对于尿素箱的加温一般情况下是利用发动机的冷却液来实现的。

2 故障原因诊断

2.1 尿素喷入计量的诊断

在柴油汽车尾气后处理SCR系统中，尿素的喷入计量是要严格按照汽车尾气中排放出来的氮化物浓度进行适应量喷入的。一旦尿素溶液的浓度过高或者是过低，都会造成尾气后处理系统的故障，从而使处理过后的尾气依旧无法达到绿色排放的标准。尿素脱硝是在受热的条件下分解成为氨气，氨气再进一步和氮化物进行反应，生成绿色环保对环境无污染的氮气和水蒸气，从而完成脱硝反应[2]。但是，如果一旦尿素的含量过高，受热分解生成的氨气含量也会随之增加，在脱硝反应的过程中，大量的氨气和氧气极易反应生成新的氮化物，影响排放质量。但是如果尿素含量过低，在受热分解时不能够产生足够计量的氨气，就没有办法和全部的氮化物进行反应，导致部分氮化物残留，也不能够达到完全实现尾气有害气体净化的目的。所以说，目前汽车领域迫切地需要一种结构简单而且成本低廉的尿素泵，来保证精密地控制好尿素的喷入使用量，并有效避免系统的故障。

2.2 催化器使用环境与功能诊断

催化器在汽车尾气后处理系统中承担着很重要的角色，因此，其对于燃油的要求也相对来说比较特殊，即必须使用符合规定的低硫含量的燃油。这是保证尾气处理达到排放标准的关键步骤。从故障的原因来诊断，如果使用了高硫含量的燃油，汽车尾气中含有的氮化物在硫元素浓度极高的情况下会产生硫化氮，从而污染转换器的表面，这样一来就会降低催化器在低温时的转化效率[3]。在汽车尾气后处理系统中，三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置。它可以把汽车尾气中的一氧化碳、一氧化氮、碳化氢等有害氮化物和碳化物，通过氧化还原的反应转变成为无害的二氧化碳、氮气和水蒸气。三元催化器的寿命期限在国内一般是汽车行程的8万～10万km。

3 柴油机尾气后处理系统优化

3.1 尿素计量严格精密把控是关键

在汽车尾气后处理SCR系统中，由于必须要用适量尿素溶液和排出的含有氮化物的汽车尾气进行反应，才能满足尾气净化的要求，这对尿素计量精准度提出了更高要求。因为每次排放出的汽车尾气的组成成分是变化不可控的，因此对于相应的尿素喷入量需要精确计量[4]。就目前来看，汽车行业中使用的尿素泵由驱动电源、电磁驱动装置和单向出液阀、进液口等组成。驱动电源的强大动力带动电磁驱动装置，从而驱动单向出液阀，使尿素溶液从进液口进入，线圈通电后产生磁场，该磁场在泵外壳与动铁芯之间产生电磁回路，使动铁芯被吸合，通过弹簧带动柱塞轴在柱塞套内往复运动。

3.2 催化器燃油要求检查不可马虎

在催化器的入口和出口处分别安装了一个温度传感器，温度传感器主要用于检测催化器是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行，并据此确定需要喷入的尿素量。氨催化还原反应所要求的温度一般保持在780～840 ℃之间。在催化器上还安装有氮氧化物传感器，是用于监测经过催化器处理后的尾气中氮氧化物的排放是否达到预期效果的装置[5]。在装有三元转化器的汽车柴油机中，不可以使用含有铅元素的汽油，因为铅颗粒随废气排出经三元催化器时，会依附在催化剂的外表面上，使催化器发生化学反应的接触面积减少，从而大大降低催化器的转换效率，并会导致三元催化器铅中毒。同时，一定要注意应防止未燃烧的混合气进入催化器。三元催化器开始起作用的温度是200 ℃左右，而超过1 000 ℃后，在这样的高温情况下，作为催化剂的贵金属成分，自身也将会发生化学变化，消耗催化器中有效的催化成分，使催化作用减弱。因此，车辆使用过程中要注意避免以下几种情况：一是过长时间的怠速空转，这样只会增加耗能并且释放出不必要的热量，降低催化剂的质量；二是点火时间过迟，释放出大量的化学可燃气体而不进行点燃，就会有许多有害气体无法进行一系列的转化，不能转化成汽车前进的动能，也无法达到尾气处理的无害排放；三是个别缸失火不工作和混合气过浓，都会导致排气管处有黑烟冒出；四是发动机烧机油；五是氧传感器失效；六是散热不良造成的水温过高，无法冷却使得过度的能量消耗。同时，因为三元催化器大多数内部都是蜂窝陶器形成的催化剂承载体，应当注意在颠簸道路上控制行驶速度[6]。

4 结语

空气是人类日常生活中最没有存在感却是最不可或缺的生命之源，为保护空气质量，在柴油机汽车尾气后处理的方面，本文分别阐述了汽车尾气后处理系统的工作原理，在应用中分析了故障诊断以及技术优化的方法。在精确的机械中进行化学反应就是其最简单的描述。上文提到的对于尿素喷入计量的严格把控，以及催化器对于燃油及温度的特殊要求，都对新时代下的绿色节能减排的汽车能源提出了新的更高也更迫切的需求。在柴油机尾气后处理的精细零部件以及大型发动机的处理上，现在正在研制出进一步节能减排的绿色便捷且安全环保的新技术，新技术的应用也将进一步改善柴油机的工作况态及其对环境产生的影响问题。

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