梁昌水， 盧吉國， 范明果， 張忠峰， 王樹森， 張 濤

(濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061)

柴油機車輛冒黑煙故障比較常見，除了零部件的機械故障和性能故障外，其他原因分析比較復雜，難以準確定位排查。某款匹配6 L柴油機的客車，在正常使用過程中出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，現(xiàn)場排查相關零部件，無機械故障和性能故障。由于環(huán)境溫度高和中冷后進氣溫度高都會產(chǎn)生發(fā)動機供氣量不足[1]，進而出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，所以本文通過發(fā)動機臺架試驗，測量環(huán)境溫度與中冷后進氣溫度等參數(shù)對其冒黑煙的影響，同時結(jié)合柴油機ECU數(shù)據(jù)標定和整車匹配設計來探討柴油機車輛在正常使用過程中出現(xiàn)冒黑煙故障的主要原因。

1 控制邊界條件排查柴油機冒黑煙原因

1.1 柴油機冒黑煙概述

柴油機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]。柴油機燃料完全燃燒的反應公式見式(1)，不完全燃燒的反應公式見式(2)。

(1)

(2)

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

1.2 臺架試驗測量環(huán)境溫度對冒黑煙的影響

環(huán)境溫度越高，則相對應的氣體密度越低，柴油機的實際進氣量就越少。在試驗室通過空調(diào)調(diào)節(jié)臺架的環(huán)境溫度，分別控制在29 ℃和39 ℃；把發(fā)動機在各轉(zhuǎn)速下的中冷后進氣溫度、排氣背壓、進氣阻力都設為定值，以單一環(huán)境溫度為變量進行對比試驗。具體設定值見表1。測得結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

表1 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下臺架試驗參數(shù)設定值一

(a)發(fā)動機扭矩對比圖 (b)發(fā)動機進氣量對比圖

圖1 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下扭矩和進氣量試驗結(jié)果

(a)中冷后進氣壓力對比圖 (b)過量空氣系數(shù)對比圖

圖2 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下中冷后進氣壓力和過量空氣系數(shù)試驗結(jié)果

(a)濾紙煙度對比圖 (b)加速時間對比圖

圖3 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下濾紙煙度和加速時間試驗結(jié)果

從以上測試結(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)，中冷后進氣壓力(1 200～2 300 r/min)降低4～7 kPa，進氣量降低5%(2 300 r/min)，過量空氣系數(shù)降低3%～4.6%，濾紙煙度增加177%(1 100 r/min)。

完成上述試驗后又對發(fā)動機的加速時間進行測量，由圖3(b)可以看出，環(huán)境溫度39 ℃與29 ℃相比，加速時間呈明顯的上升趨勢，其中800～1 000 r/min區(qū)間增大了1 s左右。

由以上試驗得出結(jié)論：環(huán)境溫度高使進氣量降低，從而導致動力性變差、冒煙風險增大，在低轉(zhuǎn)速區(qū)煙度會增大50%以上。

1.3 臺架試驗測量中冷后進氣溫度對冒黑煙的影響

在臺架試驗室內(nèi)將中冷后進氣溫度分別控制為20 ℃、40 ℃和60 ℃，把發(fā)動機在各轉(zhuǎn)速下的中冷壓降、進氣阻力、排氣背壓和環(huán)境溫度都設為定值，以單一中冷后進氣溫度為變量進行對比試驗。具體設定值見表2。試驗測得結(jié)果如圖4所示。

表2 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下臺架試驗參數(shù)設定值二

(a)加速時間對比圖

(b)不透光煙度值對比圖

圖4 發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下加速時間和煙度試驗結(jié)果

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

綜上得出以下結(jié)論：中冷后進氣溫度對發(fā)動機動力性以及冒黑煙影響非常明顯，隨著中冷后進氣溫度的升高，動力性將變差，煙度將增大，冒煙風險更高；當中冷后進氣溫度到60 ℃以上時可使煙度成倍增加。此外還從臺架邊界條件試驗得出：中冷壓降、排氣背壓和進氣負壓對煙度影響相對較小。

2 ECU標定對柴油機冒黑煙的影響

發(fā)動機煙度需要根據(jù)相關法規(guī)進行限制[10]，一般是由ECU基礎數(shù)據(jù)中的煙度MAP來標定。煙度限制的Lmbd數(shù)值就是煙度MAP的直觀反映，當Lmbd數(shù)值調(diào)大時，會出現(xiàn)一定的“氣少油多”現(xiàn)象，導致煙度增大[11]。

在實際使用中，一些廠家為了提升車輛的動力性，修改了發(fā)動機ECU的基礎數(shù)據(jù)，放寬煙度限制的MAP標定，煙度限制基本沒起作用，導致?lián)Q擋急踩油門后，發(fā)動機基本自由加速到外特性上。此時即使發(fā)動機中冷后進氣溫度不高(滿足溫度要求)的情況下也會出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。可以通過調(diào)整發(fā)動機ECU的Lmbd數(shù)值來解決，即加大在急加速過程中的煙度限制。柴油機的煙度排放滿足國家法規(guī)是最基本的要求，ECU基礎數(shù)據(jù)的煙度限制應能保證煙度和其他排放指標達標。

3 其他影響柴油機冒黑煙的因素

整車上部分零部件的匹配設計和駕駛員的駕駛習慣也會在很大程度上影響柴油機冒黑煙，具體有以下幾點：

1)整車進排氣同側(cè)，中冷后進氣溫度被排氣管加熱，柴油機冒黑煙的風險增大；整車進氣管道布置過長或者管徑較小，使進氣壓力變小，導致發(fā)動機進氣量不足，出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。

2)整車匹配電控風扇車輛是通過發(fā)動機水溫來控制電控風扇離合器的開和關，無法根據(jù)中冷后進氣溫度來控制電控風扇的開和關，使得整車不能及時控制中冷后進氣溫度，柴油機冒黑煙的風險增大。

3)變速器匹配問題。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，進氣壓力延時響應，所以客車會比卡車更容易冒黑煙。

4)發(fā)動機艙設計不合理，通風散熱性差，導致熱負荷較高，并且風扇在進氣溫度過高時都沒有開啟，使進氣溫度較高。

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)動機會長時間運行，在800～1 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)動機進氣相對不足，導致冒煙風險增加，適當提高發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速，煙度則明顯降低。

4 結(jié)束語

柴油機車輛在正常使用過程中出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，主要是環(huán)境空氣溫度和中冷后進氣溫度高導致。中冷壓降、排氣背壓、進氣負壓和ECU煙度標定等都會對發(fā)動機的排氣煙度造成一定影響。在整車的生產(chǎn)制造過程中應加強零部件匹配設計優(yōu)化；此外，還應規(guī)范駕駛員的操作習慣，進一步降低冒黑煙風險。