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        城市柴油公交車PM值超標(biāo)的故障診斷及對(duì)策

        2016-12-20 13:21:14韋開煥黃孝平馬驍飛黃福川
        當(dāng)代化工 2016年11期
        關(guān)鍵詞:檢測(cè)

        韋開煥,黃孝平,馬驍飛,陳 彪,黃福川

        (1. 廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;2. 廣西諦恒生物能源投資有限公司, 廣西 南寧 530004)

        城市柴油公交車PM值超標(biāo)的故障診斷及對(duì)策

        韋開煥1,黃孝平2,馬驍飛1,陳 彪1,黃福川1

        (1. 廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;2. 廣西諦恒生物能源投資有限公司, 廣西 南寧 530004)

        PM的治理一直是解決柴油機(jī)污染的重點(diǎn)。對(duì)南寧市某公交公司的10臺(tái)柴油公交車進(jìn)行了煙度值檢測(cè),對(duì)PM排放不合格的公交車進(jìn)行了故障分析。根據(jù)PM生成機(jī)理分析了導(dǎo)致公交車尾氣PM超標(biāo)的各種原因,提出了相應(yīng)的技改措施,達(dá)到了預(yù)期的效果。

        柴油公交車;PM;產(chǎn)生原因;技改

        目前,城市公交車中制約柴油車發(fā)展最大的問(wèn)題是PM排放。柴油機(jī)PM(particulate matter 顆粒物)是在取樣狀態(tài)下柴油機(jī)排氣中除水分外的所有分散物質(zhì)的總稱,其中干碳煙(Soot)占45%~50%,可溶性有機(jī)成分(SOF)占 35%~45%,硫酸鹽占5%~10%[1]。

        公交車是城市重要的公共交通工具之一。因城市路況多變,公交車經(jīng)常處于啟動(dòng)、加速狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)處在轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷大、開開停停的運(yùn)行工況,其所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)通常要求具有啟動(dòng)迅速、牽引力大、低速重載的特點(diǎn)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)憑借較高的功率、轉(zhuǎn)換效率、燃油經(jīng)濟(jì)性、較強(qiáng)的動(dòng)力性以及良好的耐久性,而成為許多大中型商用車動(dòng)力系統(tǒng)的首選。目前南寧市在運(yùn)行的公交車中,柴油公交車占很大比重。

        碳煙和吸附在它上面的多環(huán)芳香烴(PAHs),對(duì)人體具有很大的危害性。苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]芘等大分子量的PAHs化合物已被證實(shí)是一種強(qiáng)致癌物質(zhì)[2]。另外,碳煙會(huì)影響道路上的能見度,是霧霾產(chǎn)生的一個(gè)重要因素之一。在城市道路狀態(tài)下,它的危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)NOx和氣態(tài)HC,是柴油公交車排放重點(diǎn)要控制的對(duì)象。特別是最近幾年,新環(huán)保法規(guī)的實(shí)施以及社會(huì)對(duì)霧霾現(xiàn)象的關(guān)注度不斷提高,人們對(duì)城市柴油公交車PM排放越來(lái)越重視。

        1 公交車柴油機(jī)參數(shù)與初檢結(jié)果

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備

        為了解南寧市城市柴油公交車的 PM排放現(xiàn)狀,通過(guò)在年審中選擇南寧市某公交公司的10輛國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車進(jìn)行自由加速煙度值檢測(cè)。該批型號(hào)公交車2006年出廠,采用發(fā)動(dòng)機(jī)后置后驅(qū)形式。外形尺寸為10475 mm×2 500 mm×3 000mm,載客23~40人,最高車速80 km/h,配置YC6G240-30柴油機(jī)。6G系列柴油機(jī)系廣西玉柴機(jī)器股份有限公司全套引進(jìn)美國(guó)福特公司柴油機(jī)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)及全套加工、裝配與檢測(cè)設(shè)備,并與德國(guó)FEV公司進(jìn)行二次開發(fā)而成。主要技術(shù)參數(shù)如表1。

        表1 YC6G240-30柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of YC6G240-30 diesel engine

        1.2 檢測(cè)設(shè)備

        本次檢測(cè)所用檢測(cè)設(shè)備是深圳市某公司生產(chǎn)的HDWJ-15/330型重型柴油車加載減速煙度排放檢測(cè)系統(tǒng)(LUG/DOWN),是專門為自由加速和穩(wěn)態(tài)全負(fù)荷測(cè)試而設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀器,適用于所有類型柴油車輛的煙度檢測(cè)。取樣探頭采用分流式,選用綠色發(fā)光二極管做光源。主要技術(shù)參數(shù)如表2。

        表2 HDWJ-15/330型排放檢測(cè)系統(tǒng)(LUG/DOWN)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of HDWJ-15/330 emission inspection system (LUG/DOWN)

        1.3 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

        按GB3847-2005《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度限值及測(cè)量方法》[3]附錄I:《在用汽車自由加速試驗(yàn) 不透光煙度法》要求進(jìn)行。

        1.4 檢測(cè)結(jié)果

        在十輛參檢車輛中,經(jīng)過(guò)檢測(cè),有7輛公交柴油車PM排放合格,有3輛公交柴油車超標(biāo)比較嚴(yán)重。這3輛公交柴油車尾氣排放初檢結(jié)果如表3。

        表3 柴油機(jī)尾氣排放初檢結(jié)果Table 3 Initial inspection results of diesel engine exhaust emissions

        檢測(cè)時(shí)間:2015年5月26號(hào)下午;地點(diǎn):南寧市某檢測(cè)站;測(cè)試場(chǎng)內(nèi)溫度:38.1 ℃;大氣壓:99.7 kPa;相對(duì)濕度:54.8%。

        2 PM值過(guò)高的原因分析及故障診斷

        2.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)PM的生成機(jī)理

        一般認(rèn)為,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙是燃料在高溫缺氧的條件下經(jīng)過(guò)裂解脫氫后的產(chǎn)物。柴油機(jī)微粒的生成一般可分為三個(gè)階段[4-7]:

        ①成核階段:在高溫缺氧的條件下,燃料分子裂解為較小的烷烴,烷烴脫氫生成乙炔,乙炔聚合為共軛多烯烴,最后環(huán)化為多核結(jié)構(gòu)的呈六角形基本單元的片晶。

        ②單粒階段:在柴油機(jī)氣缸中,初生石墨狀片晶具有很強(qiáng)的親和力,只存在很短時(shí)間,很快就聚合成近似球形的直徑大小在0.01~0.1μ m的單粒。

        ③單粒燃燒消失或附聚成更大絮團(tuán)階段:在煙粒的整個(gè)生成過(guò)程中,若出現(xiàn)區(qū)域缺氧和 CO濃度過(guò)高,或溫度不足以使氧化反應(yīng)順利進(jìn)行等情況,碳粒不能燃燒。未燃燒的碳粒會(huì)相互團(tuán)聚,形成更大的絮團(tuán),這些絮團(tuán)會(huì)吸附SOF組分。如圖1。

        圖1 微粒組分圖Fig.1 Particle composition diagram

        2.2 影響柴油公交車PM生成的因素

        ①燃料質(zhì)量

        柴油中芳香烴含量及柴油的餾程,對(duì)柴油機(jī)微粒排放有著顯著的影響。相關(guān)研究顯示,芳香烴含量高、餾程高的柴油,其微粒排放量越大;而烷烴含量越高的柴油,其微粒排放越少[8]。另外,柴油中硫含量對(duì)柴油機(jī)排氣煙度有直接影響。歐洲的汽車油料研究表明:柴油中的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)從500 mg/L減少到30 mg/L,使得輕型車PM排放降低了7%,重型車PM排放降低了4%[9]。

        ②進(jìn)氣渦流

        適當(dāng)增加燃燒室內(nèi)空氣渦流的強(qiáng)度,可使碳煙排放量減少。其原因是:空氣渦流強(qiáng)度增加,可增強(qiáng)空氣與油滴的相對(duì)運(yùn)動(dòng),使油滴蒸發(fā)速度加快,進(jìn)氣量增多,提高了燃油與空氣混合的均勻性[10]。同時(shí),渦流可加速燃燒,使氣缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力提高,有利于未燃烴的氧化,使可溶性有機(jī)物(SOF)含量降低。

        ③轉(zhuǎn)速和負(fù)荷

        大量參考文獻(xiàn)表明:高速小負(fù)荷時(shí),柴油機(jī)單位油耗的顆粒物排放較大,且隨負(fù)荷增加,顆粒物排放量減??;在低速大負(fù)荷時(shí),顆粒物排放量會(huì)隨空燃比的增加而有所增高。

        ④噴油參數(shù)

        在直噴式柴油機(jī)中,當(dāng)所有其他參數(shù)不變時(shí),在提高初始噴油速率的前提下,如能減小噴油持續(xù)角,可使燃燒過(guò)程較快結(jié)束,以改善碳煙排放。提高噴油壓力可提高缸內(nèi)油氣混合速率,燃油經(jīng)濟(jì)性及碳煙排放均有改善[11]。北京航空航天大學(xué)王德福等人[12]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)高壓共軌柴油機(jī)研究發(fā)現(xiàn):在噴油量、噴孔數(shù)量以及噴孔直徑保持不變的前提下,隨著噴油壓力的提高,燃油霧化效果更好,碳煙生成下降。

        2.3 原因分析及故障診斷

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,發(fā)現(xiàn)三輛車均不同程度的有冒黑煙的異?,F(xiàn)象。柴油車-1登記日期為2006年6月26日,累計(jì)行駛56 000 km。冷卻水出水溫度85℃,排氣管在怠速時(shí)冒出大量黑煙,但正常工作后黑煙較少。柴油車-2登記日期為2008年12月2號(hào),累計(jì)行駛552 865 km。冷卻水出水溫度90 ℃,排氣管在低速時(shí)不冒煙,高速時(shí)大量冒黑煙,在增大負(fù)荷后黑煙濃度明顯增加。柴油車-3登記日期為2006年6月6日。冷卻水出水溫度87 ℃,排氣管在全工況下均有不同程度的黑煙冒出。

        公交柴油車出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能有:排氣背壓過(guò)高或進(jìn)氣管道阻塞,增大了進(jìn)氣阻力,造成進(jìn)氣量不足,從而影響空氣、柴油混合比。油氣混合不均勻,導(dǎo)致了燃燒惡化,碳煙生成量急劇增加。

        造成上述故障的原因有:①缸套活塞及活塞環(huán)磨損過(guò)大,氣門關(guān)閉不嚴(yán),氣門間隙不合適等造成氣缸壓縮壓力偏低,氣缸內(nèi)可燃混合氣不能正時(shí)著火;②消聲器內(nèi)積灰過(guò)多,排氣不順暢,導(dǎo)致排氣背壓增高;③空氣濾芯堵塞嚴(yán)重或增壓器故障,導(dǎo)致進(jìn)氣量減少,無(wú)法滿足噴入缸內(nèi)柴油完全燃燒的需要而形成后燃[13];④氣門間隙調(diào)整不正確,氣門粘滯或氣門和座圈密封不好;⑤高壓油泵供油量不均勻,噴油嘴調(diào)整不當(dāng)或出現(xiàn)卡死,影響混合氣質(zhì)量;⑥所使用的柴油質(zhì)量或牌號(hào)有誤;⑦噴油器故障,噴孔磨損或堵塞、噴油壓力降低、噴油嘴積碳、針閥卡死、滴油等;⑧供油提前角過(guò)大,燃油在較低溫度下不能完全燃燒;⑨微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)積碳清理不及時(shí),導(dǎo)致排氣背壓增大,進(jìn)氣充量不足。根據(jù)其具體情況,制定如圖2技術(shù)診斷框圖。

        圖2 柴油機(jī)排黑煙技術(shù)診斷框圖Fig.2 Diagnostic block diagram of diesel engine exhaust smoke

        3 診斷結(jié)果及技改措施

        3.1 診斷結(jié)果分析

        按診斷框圖檢查柴油車-1發(fā)現(xiàn):①空氣濾清器積塵較多。②噴油嘴積炭較嚴(yán)重,噴油器阻塞,噴霧質(zhì)量差。噴油嘴偶件座面有磨損。③該公司為追求經(jīng)濟(jì)效益,曾長(zhǎng)期使用0號(hào)普通柴油。其余各項(xiàng)指標(biāo)正常。查閱GB 252-2011《普通柴油》[14]和GB 19147—2013《車用柴油(Ⅳ)》[15],檢測(cè)該車用油。得出該車用油、普通柴油與車用柴油理化特性如表4。

        表4 該車用油、普通柴油和車用柴油理化指標(biāo)比較Table 4 Comparison of physical and chemical indexes of oil, ordinary diesel and diesel oil

        通過(guò)比較可以看出,普通柴油的硫含量比車用燃油高近6倍,十六烷值也比車用柴油低。

        由檢查結(jié)果初步判斷柴油車-1的PM超標(biāo)原因可能是:①柴油機(jī)空氣濾清器堵塞引起的進(jìn)氣充量不足。②噴油器維護(hù)不當(dāng)造成的噴油嘴堵塞,油氣混合不均勻。③硫含量過(guò)高使SOF排放增加,同時(shí)導(dǎo)致DPF捕集效率下降,最終使PM排放超標(biāo)。

        檢查柴油車-2發(fā)現(xiàn):空氣濾清器積塵嚴(yán)重,有塊狀的塵土粘在濾芯上,濾芯濾紙有破裂現(xiàn)象。增壓器渦輪葉輪上積有灰塵,葉片有輕微刮痕。

        空氣濾清器是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要部件,其主要作用是過(guò)濾空氣中的塵沙,以減少缸套、活塞、活塞環(huán)、氣門等關(guān)鍵部件的磨損[16]。正常情況下,吸附在濾芯上的塵土應(yīng)為干燥粉末狀。該濾芯上的塵土呈塊狀吸附,說(shuō)明濾芯上的塵土曾與水或水蒸汽接觸,使塵土變得潮濕或成泥狀黏附到空氣濾清器濾芯上。潮濕或成泥狀的塵土風(fēng)干后便成塊狀吸附在濾芯上[17]。當(dāng)受到較大的外力作用時(shí),黏附不牢的塵塊便會(huì)脫落。脫落的塵塊會(huì)導(dǎo)致空氣濾清器堵塞,柴油機(jī)進(jìn)氣充量不足。

        由檢查結(jié)果初步判斷柴油車-2的PM超標(biāo)原因可能是:①柴油機(jī)空氣濾清器堵塞引起的進(jìn)氣充量不足。②增壓器葉輪積塵導(dǎo)致空壓機(jī)效率降低,進(jìn)氣壓力減小,進(jìn)氣量減少。

        檢查柴油車-3發(fā)現(xiàn):柴油機(jī)排氣背壓過(guò)高,查看后發(fā)現(xiàn)顆粒捕集器(DPF)積炭十分嚴(yán)重。檢查機(jī)油尺,發(fā)現(xiàn)機(jī)油量不足,顏色呈黑色。經(jīng)詢問(wèn),該車使用的柴油機(jī)油為玉柴15W-40 CH-4全合成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。檢查發(fā)現(xiàn),該車運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過(guò)指定的換油周期。

        DPF是降低柴油車PM排放最常用的機(jī)外處理裝置之一,是通過(guò)物理方法,采用多孔介質(zhì)或纖維過(guò)濾材料對(duì)排氣進(jìn)行過(guò)濾。該車DPF采用的是目前市場(chǎng)上銷售最多的以堇青石作材料合成的壁流式蜂窩陶瓷濾芯。

        壁流式蜂窩陶瓷具有多孔結(jié)構(gòu),相鄰兩個(gè)通道中,一個(gè)通道入口被堵住,另一個(gè)通道出口被堵住,如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)迫使排氣從入口敞開通道進(jìn)入,穿過(guò)多孔的陶瓷壁面進(jìn)入相鄰的出口敞開通道,而微粒就被過(guò)濾在進(jìn)氣道的壁面上。

        圖3 壁流式蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)Fig.3 Wall flow honeycomb ceramic structure

        對(duì)柴油車-3所配的微粒捕集器進(jìn)行拆檢,發(fā)現(xiàn)積炭層最厚處厚度超過(guò)兩毫米。對(duì)DPF進(jìn)行電加熱再生,效果并不明顯。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)蜂窩陶瓷表面已有裂紋產(chǎn)生,局部有燒熔現(xiàn)象。判斷是加熱再生過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的[18],據(jù)此認(rèn)定微粒捕集器已經(jīng)失效。

        初步判斷柴油車-3的 PM超標(biāo)原因可能是:DPF失效引起排氣背壓過(guò)大,進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣不足。

        3.2 技改措施及檢測(cè)結(jié)果

        根據(jù)診斷結(jié)果,分別對(duì)三輛柴油車采取不同的技改措施。

        ①柴油車-1:先把空濾器按順序分解,清除排塵袋中的灰塵,吹除濾芯上的灰塵。拆卸噴油器,用化學(xué)清洗劑清洗針閥頭部及針閥體頭部外周的積炭,同時(shí)用專用通針清除針閥頭部噴孔的積炭,然后用清潔柴油清洗。最后更換噴油嘴偶件。

        ②柴油車-2:清除空濾器排塵袋中的灰塵,更換空氣濾清器。更換的空氣濾清器為上海弗列加濾清器有限公司的SWB256150001型組合式空氣濾清器。清除增壓器葉輪上的灰塵。

        ③柴油車-3:放出變質(zhì)機(jī)油,更換原廠機(jī)油濾清器,補(bǔ)充新的玉柴15W-40 CH-4柴油發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油。更換微粒捕集器。

        最后對(duì)三輛柴油車的燃油系統(tǒng)均進(jìn)行了清洗,更換了空氣濾清器、機(jī)油濾清器和柴油濾清器等重要配件;同時(shí)換用合格的0號(hào)國(guó)Ⅳ車用柴油。更換的柴油濾清器具體參數(shù)如下5。

        表5 柴油濾清器具體參數(shù)Table 5 Specific parameters of diesel fuel filter

        試車運(yùn)行一段時(shí)間后對(duì)三輛柴油公交車重新進(jìn)行了一次檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表6:

        表6 第二次檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 6 Second test data

        檢測(cè)時(shí)間:2015年6月22號(hào)下午;地點(diǎn):南寧市某檢測(cè)站;測(cè)試場(chǎng)地溫度:37.7 ℃;大氣壓:100.1 kPa;相對(duì)濕度:53.2%。

        和初檢時(shí)比較,三輛柴油公交車尾氣煙度值平均值分別降低了87.0%、77.8%、87.3%,均已低于GB3847-2005《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度限值及測(cè)量方法》所要求的限值。

        4 結(jié) 論

        (1)硫含量對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放有顯著的影響,柴油公交車應(yīng)盡量選用相應(yīng)國(guó)標(biāo)的柴油,這樣不僅能降低PM排放,還能延長(zhǎng)公交車使用壽命。

        (2)城市柴油公交車PM值超標(biāo)的原因很多,主要原因是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不良。柴油公交車排氣異常時(shí)應(yīng)首先檢查柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)是否正常,然后再依次排查噴油組件等。

        (3)公交公司應(yīng)根據(jù)城市柴油公交車運(yùn)行狀況,建立一套合適的公交車檢查/維護(hù)管理制度, 定期對(duì)柴油公交車易損部件進(jìn)行維護(hù)。

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        Fault Diagnosis and Countermeasure of PM Value Exceeding Standard of City Diesel Buses

        WEI Kai-huan1,HUANG Xiao-ping2,MA Xiao-fei2,CHEN biao1,HUANG Fu–chuan2
        (1. Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology,School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004,China;2. Guangxi Diheng Bio Energy Investment Co., Ltd., Guangxi Nanning 530004, China)

        The control of PM has been a key point to solve the pollution of diesel engines. In this paper, smoke emission of 10 diesel buses from a bus company in Nanning city was detected, failure analysis of the buses with unqualified PM emission was carried out. According to PM formation mechanism, a variety of reasons to cause excessive PM in bus exhaust were analyzed. Combined with the actual working conditions, the corresponding measures were proposed.

        diesel bus; PM; cause; technical transformation

        TE 624

        A

        1671-0460(2016)11-2589-05

        南寧市汽車表面工程材料工程技術(shù)中心,項(xiàng)目號(hào):南科20151294。

        2016-05-03

        韋開煥(1991-),男,廣西來(lái)賓市人,碩士研究生,研究方向:從事車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染與控制研究。E-m ail:764743247@qq.com。

        黃福川(1963-),男,教授,博士,研究方向:從事發(fā)動(dòng)機(jī)非金屬材料與排放的研究。E-m ail:huangfuchuan@gxu.edu.cn。

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