某柴油車冒黑煙問題的分析與改進(jìn)

錢德猛，張超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

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某柴油車冒黑煙問題的分析與改進(jìn)

錢德猛，張超

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

摘要：市場上某柴油車在特定工況下會(huì)出現(xiàn)冒黑煙問題。通過拆解排氣管，進(jìn)行燃油品質(zhì)分析、顆粒物成分分析、催化器前溫度分析和CFD分析，最終確定問題的原因在于催化器前溫度低，達(dá)不到正常的催化反應(yīng)溫度要求。重新布置催化器位置，優(yōu)化后的柴油車冒黑煙現(xiàn)象消失。

關(guān)鍵詞：柴油車；黑煙；催化器；可溶性有機(jī)物；速度均勻性系數(shù)

0引言

近些年，越來越多的城市出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象。引起霧霾的因素很多，其中機(jī)動(dòng)車排放是主要源頭之一。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要污染物是NOx和碳煙[1-2]。為了降低柴油車對(duì)城市的污染程度，各大城市均實(shí)施了柴油車排放限制標(biāo)準(zhǔn)。各大商用車廠家和供應(yīng)商為了達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，均采取了一些降排放的措施。最普遍的技術(shù)是在柴油機(jī)排氣管安裝DOC(氧化型催化器)[3-4]。

安裝了DOC的柴油機(jī)在正常行駛工況下可以滿足排放法規(guī)，大大降低了NOx和碳煙排放。但是，由于中國幅員廣闊，各個(gè)地區(qū)的道路情況和駕駛習(xí)慣不同，在一些特定工況下會(huì)出現(xiàn)柴油車冒黑煙問題。

1問題描述

文中所介紹的柴油車安裝了雙DOC，在正常駕駛工況下沒有出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。在一些道路不平的地區(qū)，車輛速度比較慢，車輛處于滿載狀態(tài)。這樣，車輛在長期低速大負(fù)荷的工況下，在突然加速或怠速踩油門，車輛排氣管會(huì)冒出一陣黑煙，見圖1。

2問題分析

針對(duì)該柴油車在長期低速大負(fù)荷的特定工況下冒黑煙問題，對(duì)其進(jìn)行了原因分析。梳理出以下3個(gè)主要原因：(1)燃油品質(zhì)差；(2)催化器前溫度偏低；(3)進(jìn)入DOC的廢氣不均勻。

3故障機(jī)拆檢情況

對(duì)出現(xiàn)冒黑煙的柴油機(jī)排氣歧管進(jìn)行了拆解，拆解后的結(jié)果見圖2。

圖2　排氣管拆解圖

排氣管包括以下組件：DOC前管道，雙DOC，DOC后管道，消聲器，消聲器后管道。DOC前端的積碳情況見圖3。可以看出：在載體的各個(gè)孔道內(nèi)及排氣管壁面上均附著了一定的碳煙顆粒。

圖3　DOC前端積碳圖

4拆檢后分析內(nèi)容

4.1燃油品質(zhì)分析

由于燃油品質(zhì)對(duì)顆粒物的影響非常大，因此針對(duì)出現(xiàn)冒黑煙地區(qū)使用的柴油進(jìn)行了檢測。由于燃油中對(duì)排放影響較大的組分有十六烷和硫，此次監(jiān)測的參數(shù)包括十六烷指數(shù)和硫含量。從檢測結(jié)果來看：十六烷指數(shù)偏低，硫含量超出國Ⅳ燃油標(biāo)準(zhǔn)4倍以上。硫含量高，容易造成DOC中毒，催化劑反應(yīng)活性降低，同時(shí)更容易生出硫酸鹽。燃油品質(zhì)較差，對(duì)排放影響很大。

4.2顆粒物成分分析

為詳細(xì)了解黑煙中的組分，便于從生成機(jī)制上分析黑煙生成原因，收集了問題車拆解后排氣管中的顆粒物。對(duì)顆粒物進(jìn)行熱重/差熱(TG/DSC)分析，得出以下結(jié)論：排氣管中顆粒物中，SOF(可溶性有機(jī)物)比例很高，占了總質(zhì)量的80%左右。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，DOC對(duì)PM中SOF的轉(zhuǎn)化效率為70%左右。所以，可以確定在冒黑煙工況下，DOC的轉(zhuǎn)換效率沒有達(dá)到正常的轉(zhuǎn)化效率。

4.3催化器前溫度分析

針對(duì)特定使用工況(車速低于60 km/h，滿載工況)的排溫進(jìn)行了測試，溫度傳感器分別分布于增壓器出口和DOC前，測試結(jié)果如下：增壓器溫度最高為320 ℃左右，DOC前的溫度為240～280 ℃。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，DOC前溫度在200～300 ℃時(shí)，DOC主要氧化HC的排放，主要是一些短鏈的HC。DOC前溫度在300 ℃以上，DOC對(duì)SOF的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到70%，有利于降低尾氣中PM的含量。

4.4CFD分析

考慮到排氣管及催化器殼體內(nèi)部可能有氣流流動(dòng)不均勻，可能會(huì)造成顆粒物沉積，從而產(chǎn)生黑煙，對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析。它是排氣系統(tǒng)研究的重要手段之一[6-7]。

4.4.1載體入口的氣流流動(dòng)速度均勻性

對(duì)于催化劑而言，進(jìn)入其中的氣流分布越均勻，則催化效率越高。而評(píng)價(jià)氣流分布均勻性的指標(biāo)就是速度均勻性系數(shù)，公式如下：

其中：Ai表示單元面積；

A表示整個(gè)出口的面積；

ui表示單元的速度；

通常γ值在0～1 之間，越大表示均勻性越好。

4.4.2CFD分析工況及計(jì)算結(jié)果

為了更加準(zhǔn)確預(yù)測冒黑煙工況，文中選取了3個(gè)典型的工況，見表1。

表1　分析工況點(diǎn)

在3種工況下，排氣管中載體入口處氣流速度均勻性系數(shù)見表2。3種工況下載體入口氣流速度均勻性系數(shù)均滿足不小于0.9的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表2　計(jì)算結(jié)果

圖4為排氣管及催化器內(nèi)部氣流流動(dòng)跡線圖。可以看出：氣流在排氣管及催化器內(nèi)部流動(dòng)順暢，沒有氣流流動(dòng)死區(qū)。可以排除排氣管及催化器內(nèi)部存在流動(dòng)死區(qū)導(dǎo)致的碳煙積攢。

圖4　速度跡線圖

5改進(jìn)方案及效果

結(jié)合拆機(jī)后4個(gè)方面的分析內(nèi)容，對(duì)柴油車在特定工況下冒黑煙得出以下結(jié)論：(1)問題車所在區(qū)域的柴油品質(zhì)較差，會(huì)導(dǎo)致催化劑催化效率降低，但這不是主要原因。(2)CFD分析結(jié)果顯示：排氣管及催化器內(nèi)部不存在氣流流動(dòng)死區(qū)。(3)排氣管內(nèi)積攢的顆粒物成分中，SOF轉(zhuǎn)化效率低，可以確定是催化劑轉(zhuǎn)化效率低造成。(4)對(duì)催化器前的溫度檢測顯示該處的溫度低于300 ℃，該溫度低于正常的催化劑工作溫度。

找到原因后，對(duì)排氣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。將催化器前的排氣管路縮短，將催化器的布置形式由非緊耦合式改變?yōu)榫o耦合式。在低速滿載工況下，檢測優(yōu)化后的催化器前溫度達(dá)到300 ℃以上。優(yōu)化后的柴油車在特定工況下排氣管出口黑煙消除，見圖5。

圖5　優(yōu)化后柴油車排煙情況

參考文獻(xiàn):

【1】周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【2】袁中莊，劉儀，季雨，等.非直噴式柴油機(jī)氣態(tài)污染物形成歷程研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1991(2)：131-136.

【3】涂先庫，黃永青，訾琨.在用柴油汽車排放污染物控制[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007,36(5)：61-64.

【4】李琨，武朋輝.降低柴油機(jī)排放污染物的措施[J].內(nèi)燃機(jī)，2007(5)：38-41.

【5】梁昱，周立迎，龔金科，等.車用催化轉(zhuǎn)化器入口管結(jié)構(gòu)改進(jìn)模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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,劉伯潭，程魁玉,等.歧管式催化轉(zhuǎn)化器流場分析于結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].汽車工程，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

作者簡介：錢德猛，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與仿真。E-mail:563420286@qq.com。

中圖分類號(hào):TK42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-061-03