城市柴油公交车PM值超标的故障诊断及对策

韦开焕，黄孝平，马骁飞，陈 彪，黄福川

（1. 广西大学化学化工学院, 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004；2. 广西谛恒生物能源投资有限公司， 广西 南宁 530004）

城市柴油公交车PM值超标的故障诊断及对策

韦开焕1，黄孝平2，马骁飞1，陈 彪1，黄福川1

（1. 广西大学化学化工学院, 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004；2. 广西谛恒生物能源投资有限公司， 广西 南宁 530004）

PM的治理一直是解决柴油机污染的重点。对南宁市某公交公司的10台柴油公交车进行了烟度值检测，对PM排放不合格的公交车进行了故障分析。根据PM生成机理分析了导致公交车尾气PM超标的各种原因，提出了相应的技改措施，达到了预期的效果。

柴油公交车；PM；产生原因；技改

目前，城市公交车中制约柴油车发展最大的问题是PM排放。柴油机PM（particulate matter 颗粒物）是在取样状态下柴油机排气中除水分外的所有分散物质的总称，其中干碳烟（Soot）占45%～50%，可溶性有机成分（SOF）占 35%～45%，硫酸盐占5%～10%[1]。

公交车是城市重要的公共交通工具之一。因城市路况多变，公交车经常处于启动、加速状态，发动机处在转速低、负荷大、开开停停的运行工况，其所采用的发动机通常要求具有启动迅速、牵引力大、低速重载的特点。柴油发动机凭借较高的功率、转换效率、燃油经济性、较强的动力性以及良好的耐久性，而成为许多大中型商用车动力系统的首选。目前南宁市在运行的公交车中，柴油公交车占很大比重。

碳烟和吸附在它上面的多环芳香烃（PAHs），对人体具有很大的危害性。苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]芘等大分子量的PAHs化合物已被证实是一种强致癌物质[2]。另外，碳烟会影响道路上的能见度，是雾霾产生的一个重要因素之一。在城市道路状态下，它的危害性远远超过NOx和气态HC，是柴油公交车排放重点要控制的对象。特别是最近几年，新环保法规的实施以及社会对雾霾现象的关注度不断提高，人们对城市柴油公交车PM排放越来越重视。

1 公交车柴油机参数与初检结果

1.1 试验设备

为了解南宁市城市柴油公交车的 PM排放现状，通过在年审中选择南宁市某公交公司的10辆国Ⅲ排放标准的公交车进行自由加速烟度值检测。该批型号公交车2006年出厂，采用发动机后置后驱形式。外形尺寸为10475 mm×2 500 mm×3 000mm，载客23～40人，最高车速80 km/h，配置YC6G240-30柴油机。6G系列柴油机系广西玉柴机器股份有限公司全套引进美国福特公司柴油机设计、工艺技术及全套加工、装配与检测设备，并与德国FEV公司进行二次开发而成。主要技术参数如表1。

表1 YC6G240-30柴油机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of YC6G240-30 diesel engine

1.2 检测设备

本次检测所用检测设备是深圳市某公司生产的HDWJ-15/330型重型柴油车加载减速烟度排放检测系统(LUG/DOWN)，是专门为自由加速和稳态全负荷测试而设计的检测仪器，适用于所有类型柴油车辆的烟度检测。取样探头采用分流式，选用绿色发光二极管做光源。主要技术参数如表2。

表2 HDWJ-15/330型排放检测系统(LUG/DOWN)主要技术参数Table 2 Main technical parameters of HDWJ-15/330 emission inspection system (LUG/DOWN)

1.3 检测标准

按GB3847-2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度限值及测量方法》[3]附录I:《在用汽车自由加速试验 不透光烟度法》要求进行。

1.4 检测结果

在十辆参检车辆中，经过检测，有7辆公交柴油车PM排放合格，有3辆公交柴油车超标比较严重。这3辆公交柴油车尾气排放初检结果如表3。

表3 柴油机尾气排放初检结果Table 3 Initial inspection results of diesel engine exhaust emissions

检测时间：2015年5月26号下午；地点：南宁市某检测站；测试场内温度：38.1 ℃；大气压：99.7 kPa；相对湿度：54.8%。

2 PM值过高的原因分析及故障诊断

2.1 柴油发动机PM的生成机理

一般认为，柴油发动机的碳烟是燃料在高温缺氧的条件下经过裂解脱氢后的产物。柴油机微粒的生成一般可分为三个阶段[4-7]：

①成核阶段：在高温缺氧的条件下，燃料分子裂解为较小的烷烃，烷烃脱氢生成乙炔，乙炔聚合为共轭多烯烃，最后环化为多核结构的呈六角形基本单元的片晶。

②单粒阶段：在柴油机气缸中，初生石墨状片晶具有很强的亲和力，只存在很短时间，很快就聚合成近似球形的直径大小在0.01～0.1μ m的单粒。

③单粒燃烧消失或附聚成更大絮团阶段：在烟粒的整个生成过程中，若出现区域缺氧和 CO浓度过高，或温度不足以使氧化反应顺利进行等情况，碳粒不能燃烧。未燃烧的碳粒会相互团聚，形成更大的絮团，这些絮团会吸附SOF组分。如图1。

图1 微粒组分图Fig.1 Particle composition diagram

2.2 影响柴油公交车PM生成的因素

①燃料质量

柴油中芳香烃含量及柴油的馏程，对柴油机微粒排放有着显著的影响。相关研究显示，芳香烃含量高、馏程高的柴油，其微粒排放量越大；而烷烃含量越高的柴油，其微粒排放越少[8]。另外，柴油中硫含量对柴油机排气烟度有直接影响。欧洲的汽车油料研究表明：柴油中的硫质量分数从500 mg/L减少到30 mg/L，使得轻型车PM排放降低了7%，重型车PM排放降低了4%[9]。

②进气涡流

适当增加燃烧室内空气涡流的强度，可使碳烟排放量减少。其原因是：空气涡流强度增加，可增强空气与油滴的相对运动，使油滴蒸发速度加快，进气量增多，提高了燃油与空气混合的均匀性[10]。同时，涡流可加速燃烧，使气缸内最高燃烧温度和压力提高，有利于未燃烃的氧化，使可溶性有机物（SOF）含量降低。

③转速和负荷

大量参考文献表明：高速小负荷时，柴油机单位油耗的颗粒物排放较大，且随负荷增加，颗粒物排放量减小；在低速大负荷时，颗粒物排放量会随空燃比的增加而有所增高。

④喷油参数

在直喷式柴油机中，当所有其他参数不变时，在提高初始喷油速率的前提下，如能减小喷油持续角，可使燃烧过程较快结束，以改善碳烟排放。提高喷油压力可提高缸内油气混合速率，燃油经济性及碳烟排放均有改善[11]。北京航空航天大学王德福等人[12]通过数值模拟对高压共轨柴油机研究发现：在喷油量、喷孔数量以及喷孔直径保持不变的前提下，随着喷油压力的提高，燃油雾化效果更好，碳烟生成下降。

2.3 原因分析及故障诊断

根据现场观察，发现三辆车均不同程度的有冒黑烟的异常现象。柴油车-1登记日期为2006年6月26日，累计行驶56 000 km。冷却水出水温度85℃，排气管在怠速时冒出大量黑烟，但正常工作后黑烟较少。柴油车-2登记日期为2008年12月2号，累计行驶552 865 km。冷却水出水温度90 ℃，排气管在低速时不冒烟，高速时大量冒黑烟，在增大负荷后黑烟浓度明显增加。柴油车-3登记日期为2006年6月6日。冷却水出水温度87 ℃，排气管在全工况下均有不同程度的黑烟冒出。

公交柴油车出现这一现象的原因可能有：排气背压过高或进气管道阻塞，增大了进气阻力，造成进气量不足，从而影响空气、柴油混合比。油气混合不均匀，导致了燃烧恶化，碳烟生成量急剧增加。

造成上述故障的原因有：①缸套活塞及活塞环磨损过大，气门关闭不严，气门间隙不合适等造成气缸压缩压力偏低，气缸内可燃混合气不能正时着火；②消声器内积灰过多，排气不顺畅，导致排气背压增高；③空气滤芯堵塞严重或增压器故障，导致进气量减少，无法满足喷入缸内柴油完全燃烧的需要而形成后燃[13]；④气门间隙调整不正确，气门粘滞或气门和座圈密封不好；⑤高压油泵供油量不均匀，喷油嘴调整不当或出现卡死，影响混合气质量；⑥所使用的柴油质量或牌号有误；⑦喷油器故障，喷孔磨损或堵塞、喷油压力降低、喷油嘴积碳、针阀卡死、滴油等；⑧供油提前角过大，燃油在较低温度下不能完全燃烧；⑨微粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）积碳清理不及时，导致排气背压增大，进气充量不足。根据其具体情况，制定如图2技术诊断框图。

图2 柴油机排黑烟技术诊断框图Fig.2 Diagnostic block diagram of diesel engine exhaust smoke

3 诊断结果及技改措施

3.1 诊断结果分析

按诊断框图检查柴油车-1发现：①空气滤清器积尘较多。②喷油嘴积炭较严重，喷油器阻塞，喷雾质量差。喷油嘴偶件座面有磨损。③该公司为追求经济效益，曾长期使用0号普通柴油。其余各项指标正常。查阅GB 252-2011《普通柴油》[14]和GB 19147—2013《车用柴油(Ⅳ)》[15]，检测该车用油。得出该车用油、普通柴油与车用柴油理化特性如表4。

表4 该车用油、普通柴油和车用柴油理化指标比较Table 4 Comparison of physical and chemical indexes of oil, ordinary diesel and diesel oil

通过比较可以看出，普通柴油的硫含量比车用燃油高近6倍，十六烷值也比车用柴油低。

由检查结果初步判断柴油车-1的PM超标原因可能是：①柴油机空气滤清器堵塞引起的进气充量不足。②喷油器维护不当造成的喷油嘴堵塞，油气混合不均匀。③硫含量过高使SOF排放增加，同时导致DPF捕集效率下降，最终使PM排放超标。

检查柴油车-2发现：空气滤清器积尘严重，有块状的尘土粘在滤芯上，滤芯滤纸有破裂现象。增压器涡轮叶轮上积有灰尘，叶片有轻微刮痕。

空气滤清器是发动机进气系统的重要部件，其主要作用是过滤空气中的尘沙，以减少缸套、活塞、活塞环、气门等关键部件的磨损[16]。正常情况下，吸附在滤芯上的尘土应为干燥粉末状。该滤芯上的尘土呈块状吸附，说明滤芯上的尘土曾与水或水蒸汽接触，使尘土变得潮湿或成泥状黏附到空气滤清器滤芯上。潮湿或成泥状的尘土风干后便成块状吸附在滤芯上[17]。当受到较大的外力作用时，黏附不牢的尘块便会脱落。脱落的尘块会导致空气滤清器堵塞，柴油机进气充量不足。

由检查结果初步判断柴油车-2的PM超标原因可能是：①柴油机空气滤清器堵塞引起的进气充量不足。②增压器叶轮积尘导致空压机效率降低，进气压力减小，进气量减少。

检查柴油车-3发现：柴油机排气背压过高，查看后发现颗粒捕集器（DPF）积炭十分严重。检查机油尺，发现机油量不足，颜色呈黑色。经询问，该车使用的柴油机油为玉柴15W-40 CH-4全合成柴油发动机润滑油。检查发现，该车运行时间已经超过指定的换油周期。

DPF是降低柴油车PM排放最常用的机外处理装置之一，是通过物理方法，采用多孔介质或纤维过滤材料对排气进行过滤。该车DPF采用的是目前市场上销售最多的以堇青石作材料合成的壁流式蜂窝陶瓷滤芯。

壁流式蜂窝陶瓷具有多孔结构，相邻两个通道中，一个通道入口被堵住，另一个通道出口被堵住，如图3所示。这种结构迫使排气从入口敞开通道进入，穿过多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道，而微粒就被过滤在进气道的壁面上。

图3 壁流式蜂窝陶瓷结构Fig.3 Wall flow honeycomb ceramic structure

对柴油车-3所配的微粒捕集器进行拆检，发现积炭层最厚处厚度超过两毫米。对DPF进行电加热再生，效果并不明显。进一步检查发现蜂窝陶瓷表面已有裂纹产生，局部有烧熔现象。判断是加热再生过程中产生的热应力导致的[18]，据此认定微粒捕集器已经失效。

初步判断柴油车-3的 PM超标原因可能是：DPF失效引起排气背压过大，进而导致进气不足。

3.2 技改措施及检测结果

根据诊断结果，分别对三辆柴油车采取不同的技改措施。

①柴油车-1：先把空滤器按顺序分解，清除排尘袋中的灰尘，吹除滤芯上的灰尘。拆卸喷油器，用化学清洗剂清洗针阀头部及针阀体头部外周的积炭，同时用专用通针清除针阀头部喷孔的积炭，然后用清洁柴油清洗。最后更换喷油嘴偶件。

②柴油车-2：清除空滤器排尘袋中的灰尘，更换空气滤清器。更换的空气滤清器为上海弗列加滤清器有限公司的SWB256150001型组合式空气滤清器。清除增压器叶轮上的灰尘。

③柴油车-3：放出变质机油，更换原厂机油滤清器，补充新的玉柴15W-40 CH-4柴油发动机润滑油。更换微粒捕集器。

最后对三辆柴油车的燃油系统均进行了清洗，更换了空气滤清器、机油滤清器和柴油滤清器等重要配件；同时换用合格的0号国Ⅳ车用柴油。更换的柴油滤清器具体参数如下5。

表5 柴油滤清器具体参数Table 5 Specific parameters of diesel fuel filter

试车运行一段时间后对三辆柴油公交车重新进行了一次检测。检测数据如下表6：

表6 第二次检测数据Table 6 Second test data

检测时间：2015年6月22号下午；地点：南宁市某检测站；测试场地温度：37.7 ℃；大气压：100.1 kPa；相对湿度：53.2%。

和初检时比较，三辆柴油公交车尾气烟度值平均值分别降低了87.0%、77.8%、87.3%，均已低于GB3847-2005《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度限值及测量方法》所要求的限值。

4 结 论

（1）硫含量对柴油发动机PM排放有显著的影响，柴油公交车应尽量选用相应国标的柴油，这样不仅能降低PM排放，还能延长公交车使用寿命。

（2）城市柴油公交车PM值超标的原因很多，主要原因是柴油发动机进气不良。柴油公交车排气异常时应首先检查柴油发动机进排气系统是否正常，然后再依次排查喷油组件等。

（3）公交公司应根据城市柴油公交车运行状况，建立一套合适的公交车检查/维护管理制度， 定期对柴油公交车易损部件进行维护。

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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

南宁市汽车表面工程材料工程技术中心，项目号：南科20151294。

2016-05-03

韦开焕（1991-），男，广西来宾市人，硕士研究生，研究方向：从事车用发动机排放污染与控制研究。E-m ail：764743247@qq.com。

黄福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：从事发动机非金属材料与排放的研究。E-m ail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。