柴油機(jī)車輛冒黑煙故障的原因分析

梁昌水， 盧吉國(guó)， 范明果， 張忠峰， 王樹森， 張 濤

(濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261061)

柴油機(jī)車輛冒黑煙故障比較常見，除了零部件的機(jī)械故障和性能故障外，其他原因分析比較復(fù)雜，難以準(zhǔn)確定位排查。某款匹配6 L柴油機(jī)的客車，在正常使用過(guò)程中出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)排查相關(guān)零部件，無(wú)機(jī)械故障和性能故障。由于環(huán)境溫度高和中冷后進(jìn)氣溫度高都會(huì)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)供氣量不足[1]，進(jìn)而出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，所以本文通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量環(huán)境溫度與中冷后進(jìn)氣溫度等參數(shù)對(duì)其冒黑煙的影響，同時(shí)結(jié)合柴油機(jī)ECU數(shù)據(jù)標(biāo)定和整車匹配設(shè)計(jì)來(lái)探討柴油機(jī)車輛在正常使用過(guò)程中出現(xiàn)冒黑煙故障的主要原因。

1 控制邊界條件排查柴油機(jī)冒黑煙原因

1.1 柴油機(jī)冒黑煙概述

柴油機(jī)冒黑煙的原因主要是燃料燃燒不完全[2]，大量黑色碳微粒隨尾氣排出[3-5]。柴油機(jī)燃料完全燃燒的反應(yīng)公式見式(1)，不完全燃燒的反應(yīng)公式見式(2)。

(1)

(2)

燃燒不完全主要是進(jìn)氣不足或者供油過(guò)多，可能是整車個(gè)別零部件故障導(dǎo)致[6]，也可能因特殊工況導(dǎo)致，還有一種可能是柴油機(jī)使用的柴油牌號(hào)、質(zhì)量不符合要求[7]，柴油品質(zhì)差[8]、牌號(hào)不對(duì)或者十六烷值過(guò)高都會(huì)造成排氣冒黑煙[9]。在車輛正常情況下冒黑煙是由進(jìn)氣量不足(供油過(guò)多)引起的。

1.2 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)冒黑煙的影響

環(huán)境溫度越高，則相對(duì)應(yīng)的氣體密度越低，柴油機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量就越少。在試驗(yàn)室通過(guò)空調(diào)調(diào)節(jié)臺(tái)架的環(huán)境溫度，分別控制在29 ℃和39 ℃；把發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓、進(jìn)氣阻力都設(shè)為定值，以單一環(huán)境溫度為變量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。具體設(shè)定值見表1。測(cè)得結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定值一

(a)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩對(duì)比圖 (b)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量對(duì)比圖

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下扭矩和進(jìn)氣量試驗(yàn)結(jié)果

(a)中冷后進(jìn)氣壓力對(duì)比圖 (b)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下中冷后進(jìn)氣壓力和過(guò)量空氣系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

(a)濾紙煙度對(duì)比圖 (b)加速時(shí)間對(duì)比圖

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下濾紙煙度和加速時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，環(huán)境溫度為39 ℃與29 ℃相比：扭矩最大降低2.8%(1 100 r/min)，中冷后進(jìn)氣壓力(1 200～2 300 r/min)降低4～7 kPa，進(jìn)氣量降低5%(2 300 r/min)，過(guò)量空氣系數(shù)降低3%～4.6%，濾紙煙度增加177%(1 100 r/min)。

完成上述試驗(yàn)后又對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，由圖3(b)可以看出，環(huán)境溫度39 ℃與29 ℃相比，加速時(shí)間呈明顯的上升趨勢(shì)，其中800～1 000 r/min區(qū)間增大了1 s左右。

由以上試驗(yàn)得出結(jié)論：環(huán)境溫度高使進(jìn)氣量降低，從而導(dǎo)致動(dòng)力性變差、冒煙風(fēng)險(xiǎn)增大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)煙度會(huì)增大50%以上。

1.3 臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)冒黑煙的影響

在臺(tái)架試驗(yàn)室內(nèi)將中冷后進(jìn)氣溫度分別控制為20 ℃、40 ℃和60 ℃，把發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的中冷壓降、進(jìn)氣阻力、排氣背壓和環(huán)境溫度都設(shè)為定值，以單一中冷后進(jìn)氣溫度為變量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。具體設(shè)定值見表2。試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如圖4所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定值二

(a)加速時(shí)間對(duì)比圖

(b)不透光煙度值對(duì)比圖

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下加速時(shí)間和煙度試驗(yàn)結(jié)果

從圖4(a)可以看出，與20 ℃、40 ℃時(shí)相比，中冷后進(jìn)氣溫度為60 ℃時(shí)，在低轉(zhuǎn)速段800～1 100 r/min之間的加速時(shí)間上升尤為明顯。從圖4(b)可以看出，在怠速到1 300 r/min之間煙度明顯增大，尤其是中冷后進(jìn)氣溫度在60 ℃時(shí)，煙度增幅較大。此時(shí)若車輛在低速區(qū)運(yùn)行，且中冷后進(jìn)氣溫度的平均值在60 ℃左右，煙度會(huì)較開發(fā)狀態(tài)成倍增加。所以如果中冷器冷卻效率不足，對(duì)低速區(qū)煙度影響很大。

綜上得出以下結(jié)論：中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性以及冒黑煙影響非常明顯，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，動(dòng)力性將變差，煙度將增大，冒煙風(fēng)險(xiǎn)更高；當(dāng)中冷后進(jìn)氣溫度到60 ℃以上時(shí)可使煙度成倍增加。此外還從臺(tái)架邊界條件試驗(yàn)得出：中冷壓降、排氣背壓和進(jìn)氣負(fù)壓對(duì)煙度影響相對(duì)較小。

2 ECU標(biāo)定對(duì)柴油機(jī)冒黑煙的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)煙度需要根據(jù)相關(guān)法規(guī)進(jìn)行限制[10]，一般是由ECU基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的煙度MAP來(lái)標(biāo)定。煙度限制的Lmbd數(shù)值就是煙度MAP的直觀反映，當(dāng)Lmbd數(shù)值調(diào)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的“氣少油多”現(xiàn)象，導(dǎo)致煙度增大[11]。

在實(shí)際使用中，一些廠家為了提升車輛的動(dòng)力性，修改了發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，放寬煙度限制的MAP標(biāo)定，煙度限制基本沒起作用，導(dǎo)致?lián)Q擋急踩油門后，發(fā)動(dòng)機(jī)基本自由加速到外特性上。此時(shí)即使發(fā)動(dòng)機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度不高(滿足溫度要求)的情況下也會(huì)出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。可以通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的Lmbd數(shù)值來(lái)解決，即加大在急加速過(guò)程中的煙度限制。柴油機(jī)的煙度排放滿足國(guó)家法規(guī)是最基本的要求，ECU基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的煙度限制應(yīng)能保證煙度和其他排放指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

3 其他影響柴油機(jī)冒黑煙的因素

整車上部分零部件的匹配設(shè)計(jì)和駕駛員的駕駛習(xí)慣也會(huì)在很大程度上影響柴油機(jī)冒黑煙，具體有以下幾點(diǎn)：

1)整車進(jìn)排氣同側(cè)，中冷后進(jìn)氣溫度被排氣管加熱，柴油機(jī)冒黑煙的風(fēng)險(xiǎn)增大；整車進(jìn)氣管道布置過(guò)長(zhǎng)或者管徑較小，使進(jìn)氣壓力變小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不足，出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。

2)整車匹配電控風(fēng)扇車輛是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫來(lái)控制電控風(fēng)扇離合器的開和關(guān)，無(wú)法根據(jù)中冷后進(jìn)氣溫度來(lái)控制電控風(fēng)扇的開和關(guān)，使得整車不能及時(shí)控制中冷后進(jìn)氣溫度，柴油機(jī)冒黑煙的風(fēng)險(xiǎn)增大。

3)變速器匹配問(wèn)題。一般客車變速器的擋間比要高于卡車，換擋后轉(zhuǎn)速下降較快，換擋完成后加速的起始轉(zhuǎn)速較低，進(jìn)氣壓力延時(shí)響應(yīng)，所以客車會(huì)比卡車更容易冒黑煙。

4)發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)不合理，通風(fēng)散熱性差，導(dǎo)致熱負(fù)荷較高，并且風(fēng)扇在進(jìn)氣溫度過(guò)高時(shí)都沒有開啟，使進(jìn)氣溫度較高。

5)很多駕駛員喜歡掛高擋行駛，或者在普通路況上頻繁換擋或頻繁變道超車、加速減速等[12]，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，在800～1 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相對(duì)不足，導(dǎo)致冒煙風(fēng)險(xiǎn)增加，適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，煙度則明顯降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)車輛在正常使用過(guò)程中出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，主要是環(huán)境空氣溫度和中冷后進(jìn)氣溫度高導(dǎo)致。中冷壓降、排氣背壓、進(jìn)氣負(fù)壓和ECU煙度標(biāo)定等都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣煙度造成一定影響。在整車的生產(chǎn)制造過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)零部件匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化；此外，還應(yīng)規(guī)范駕駛員的操作習(xí)慣，進(jìn)一步降低冒黑煙風(fēng)險(xiǎn)。