某柴油车冒黑烟问题的分析与改进

钱德猛，张超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)



某柴油车冒黑烟问题的分析与改进

钱德猛，张超

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

摘要：市场上某柴油车在特定工况下会出现冒黑烟问题。通过拆解排气管，进行燃油品质分析、颗粒物成分分析、催化器前温度分析和CFD分析，最终确定问题的原因在于催化器前温度低，达不到正常的催化反应温度要求。重新布置催化器位置，优化后的柴油车冒黑烟现象消失。

关键词：柴油车；黑烟；催化器；可溶性有机物；速度均匀性系数

0引言

近些年，越来越多的城市出现雾霾现象。引起雾霾的因素很多，其中机动车排放是主要源头之一。柴油发动机的主要污染物是NOx和碳烟[1-2]。为了降低柴油车对城市的污染程度，各大城市均实施了柴油车排放限制标准。各大商用车厂家和供应商为了达到排放标准，均采取了一些降排放的措施。最普遍的技术是在柴油机排气管安装DOC(氧化型催化器)[3-4]。

安装了DOC的柴油机在正常行驶工况下可以满足排放法规，大大降低了NOx和碳烟排放。但是，由于中国幅员广阔，各个地区的道路情况和驾驶习惯不同，在一些特定工况下会出现柴油车冒黑烟问题。

1问题描述

文中所介绍的柴油车安装了双DOC，在正常驾驶工况下没有出现冒黑烟现象。在一些道路不平的地区，车辆速度比较慢，车辆处于满载状态。这样，车辆在长期低速大负荷的工况下，在突然加速或怠速踩油门，车辆排气管会冒出一阵黑烟，见图1。

2问题分析

针对该柴油车在长期低速大负荷的特定工况下冒黑烟问题，对其进行了原因分析。梳理出以下3个主要原因：(1)燃油品质差；(2)催化器前温度偏低；(3)进入DOC的废气不均匀。

3故障机拆检情况

对出现冒黑烟的柴油机排气歧管进行了拆解，拆解后的结果见图2。

图2　排气管拆解图

排气管包括以下组件：DOC前管道，双DOC，DOC后管道，消声器，消声器后管道。DOC前端的积碳情况见图3。可以看出：在载体的各个孔道内及排气管壁面上均附着了一定的碳烟颗粒。

图3　DOC前端积碳图

4拆检后分析内容

4.1燃油品质分析

由于燃油品质对颗粒物的影响非常大，因此针对出现冒黑烟地区使用的柴油进行了检测。由于燃油中对排放影响较大的组分有十六烷和硫，此次监测的参数包括十六烷指数和硫含量。从检测结果来看：十六烷指数偏低，硫含量超出国Ⅳ燃油标准4倍以上。硫含量高，容易造成DOC中毒，催化剂反应活性降低，同时更容易生出硫酸盐。燃油品质较差，对排放影响很大。

4.2颗粒物成分分析

为详细了解黑烟中的组分，便于从生成机制上分析黑烟生成原因，收集了问题车拆解后排气管中的颗粒物。对颗粒物进行热重/差热(TG/DSC)分析，得出以下结论：排气管中颗粒物中，SOF(可溶性有机物)比例很高，占了总质量的80%左右。而根据经验，DOC对PM中SOF的转化效率为70%左右。所以，可以确定在冒黑烟工况下，DOC的转换效率没有达到正常的转化效率。

4.3催化器前温度分析

针对特定使用工况(车速低于60 km/h，满载工况)的排温进行了测试，温度传感器分别分布于增压器出口和DOC前，测试结果如下：增压器温度最高为320 ℃左右，DOC前的温度为240～280 ℃。

根据经验，DOC前温度在200～300 ℃时，DOC主要氧化HC的排放，主要是一些短链的HC。DOC前温度在300 ℃以上，DOC对SOF的转化效率可以达到70%，有利于降低尾气中PM的含量。

4.4CFD分析

考虑到排气管及催化器壳体内部可能有气流流动不均匀，可能会造成颗粒物沉积，从而产生黑烟，对排气系统进行CFD分析。它是排气系统研究的重要手段之一[6-7]。

4.4.1载体入口的气流流动速度均匀性

对于催化剂而言，进入其中的气流分布越均匀，则催化效率越高。而评价气流分布均匀性的指标就是速度均匀性系数，公式如下：

其中：Ai表示单元面积；

A表示整个出口的面积；

ui表示单元的速度；

通常γ值在0～1 之间，越大表示均匀性越好。

4.4.2CFD分析工况及计算结果

为了更加准确预测冒黑烟工况，文中选取了3个典型的工况，见表1。

表1　分析工况点

在3种工况下，排气管中载体入口处气流速度均匀性系数见表2。3种工况下载体入口气流速度均匀性系数均满足不小于0.9的评价标准。

表2　计算结果

图4为排气管及催化器内部气流流动迹线图。可以看出：气流在排气管及催化器内部流动顺畅，没有气流流动死区。可以排除排气管及催化器内部存在流动死区导致的碳烟积攒。

图4　速度迹线图

5改进方案及效果

结合拆机后4个方面的分析内容，对柴油车在特定工况下冒黑烟得出以下结论：(1)问题车所在区域的柴油品质较差，会导致催化剂催化效率降低，但这不是主要原因。(2)CFD分析结果显示：排气管及催化器内部不存在气流流动死区。(3)排气管内积攒的颗粒物成分中，SOF转化效率低，可以确定是催化剂转化效率低造成。(4)对催化器前的温度检测显示该处的温度低于300 ℃，该温度低于正常的催化剂工作温度。

找到原因后，对排气管结构进行相应的优化。将催化器前的排气管路缩短，将催化器的布置形式由非紧耦合式改变为紧耦合式。在低速满载工况下，检测优化后的催化器前温度达到300 ℃以上。优化后的柴油车在特定工况下排气管出口黑烟消除，见图5。

图5　优化后柴油车排烟情况

参考文献:

【1】周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2004.

【2】袁中庄，刘仪，季雨，等.非直喷式柴油机气态污染物形成历程研究[J].内燃机学报，1991(2)：131-136.

【3】涂先库，黄永青，訾琨.在用柴油汽车排放污染物控制[J].小型内燃机与摩托车，2007,36(5)：61-64.

【4】李琨，武朋辉.降低柴油机排放污染物的措施[J].内燃机，2007(5)：38-41.

【5】梁昱，周立迎，龚金科，等.车用催化转化器入口管结构改进模拟与试验[J].农业机械学报，2006,37(9)：53-57.

【6】HINTERBERGER C,OLESEN M,HOSSFELDAND C,et al.3D Simulation of Diesel Particulate Filter Regeneration with Supplementary Fuel Injection[R].SAE Paper,2008-01-0443.

【7】谷芳,刘伯潭，程魁玉,等.歧管式催化转化器流场分析于结构改进[J].汽车工程，2007,29(12)：1066-1069.

Analysis and Improvement of a Diesel Vehicle for Problem of Black Smoke

QIAN Demeng，ZHANG Chao

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Abstract:The diesel vehicle is appeared the problem of black smoke in the market at specific working conditions. The exhaust pipe was dismount and disconnected to search causation. Ultimately, the cause of the problem was determined that the low temperature before catalyzer, which could not up to the requirement of normal catalytic reaction temperature, by analyses of fuel quality, compositon of particles, temperature before catalyzer and computer fluid dynamics (CFD). The position of the catalyzer was rearranged, so the phenomenon of black smoke was disappeared for the optimized diesel vehicle.

Keywords:Diesel vehicle; Black smoke; Catalyzer; Soluble organic fraction; Uniformity coefficient of velocity

收稿日期：2015-07-23

作者简介：钱德猛，男，博士，高级工程师，研究方向为汽车及发动机设计与仿真。E-mail:563420286@qq.com。

中图分类号:TK42

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-061-03