柴油机车辆冒黑烟故障的原因分析

梁昌水， 卢吉国， 范明果， 张忠峰， 王树森， 张 涛

(潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261061)

柴油机车辆冒黑烟故障比较常见，除了零部件的机械故障和性能故障外，其他原因分析比较复杂，难以准确定位排查。某款匹配6 L柴油机的客车，在正常使用过程中出现冒黑烟现象，现场排查相关零部件，无机械故障和性能故障。由于环境温度高和中冷后进气温度高都会产生发动机供气量不足[1]，进而出现冒黑烟现象，所以本文通过发动机台架试验，测量环境温度与中冷后进气温度等参数对其冒黑烟的影响，同时结合柴油机ECU数据标定和整车匹配设计来探讨柴油机车辆在正常使用过程中出现冒黑烟故障的主要原因。

1 控制边界条件排查柴油机冒黑烟原因

1.1 柴油机冒黑烟概述

柴油机冒黑烟的原因主要是燃料燃烧不完全[2]，大量黑色碳微粒随尾气排出[3-5]。柴油机燃料完全燃烧的反应公式见式(1)，不完全燃烧的反应公式见式(2)。

(1)

(2)

燃烧不完全主要是进气不足或者供油过多，可能是整车个别零部件故障导致[6]，也可能因特殊工况导致，还有一种可能是柴油机使用的柴油牌号、质量不符合要求[7]，柴油品质差[8]、牌号不对或者十六烷值过高都会造成排气冒黑烟[9]。在车辆正常情况下冒黑烟是由进气量不足(供油过多)引起的。

1.2 台架试验测量环境温度对冒黑烟的影响

环境温度越高，则相对应的气体密度越低，柴油机的实际进气量就越少。在试验室通过空调调节台架的环境温度，分别控制在29 ℃和39 ℃；把发动机在各转速下的中冷后进气温度、排气背压、进气阻力都设为定值，以单一环境温度为变量进行对比试验。具体设定值见表1。测得结果如图1、图2和图3所示。

表1 发动机各转速下台架试验参数设定值一

(a)发动机扭矩对比图 (b)发动机进气量对比图

图1 发动机各转速下扭矩和进气量试验结果

(a)中冷后进气压力对比图 (b)过量空气系数对比图

图2 发动机各转速下中冷后进气压力和过量空气系数试验结果

(a)滤纸烟度对比图 (b)加速时间对比图

图3 发动机各转速下滤纸烟度和加速时间试验结果

从以上测试结果可以看出，环境温度为39 ℃与29 ℃相比：扭矩最大降低2.8%(1 100 r/min)，中冷后进气压力(1 200～2 300 r/min)降低4～7 kPa，进气量降低5%(2 300 r/min)，过量空气系数降低3%～4.6%，滤纸烟度增加177%(1 100 r/min)。

完成上述试验后又对发动机的加速时间进行测量，由图3(b)可以看出，环境温度39 ℃与29 ℃相比，加速时间呈明显的上升趋势，其中800～1 000 r/min区间增大了1 s左右。

由以上试验得出结论：环境温度高使进气量降低，从而导致动力性变差、冒烟风险增大，在低转速区烟度会增大50%以上。

1.3 台架试验测量中冷后进气温度对冒黑烟的影响

在台架试验室内将中冷后进气温度分别控制为20 ℃、40 ℃和60 ℃，把发动机在各转速下的中冷压降、进气阻力、排气背压和环境温度都设为定值，以单一中冷后进气温度为变量进行对比试验。具体设定值见表2。试验测得结果如图4所示。

表2 发动机各转速下台架试验参数设定值二

(a)加速时间对比图

(b)不透光烟度值对比图

图4 发动机各转速下加速时间和烟度试验结果

从图4(a)可以看出，与20 ℃、40 ℃时相比，中冷后进气温度为60 ℃时，在低转速段800～1 100 r/min之间的加速时间上升尤为明显。从图4(b)可以看出，在怠速到1 300 r/min之间烟度明显增大，尤其是中冷后进气温度在60 ℃时，烟度增幅较大。此时若车辆在低速区运行，且中冷后进气温度的平均值在60 ℃左右，烟度会较开发状态成倍增加。所以如果中冷器冷却效率不足，对低速区烟度影响很大。

综上得出以下结论：中冷后进气温度对发动机动力性以及冒黑烟影响非常明显，随着中冷后进气温度的升高，动力性将变差，烟度将增大，冒烟风险更高；当中冷后进气温度到60 ℃以上时可使烟度成倍增加。此外还从台架边界条件试验得出：中冷压降、排气背压和进气负压对烟度影响相对较小。

2 ECU标定对柴油机冒黑烟的影响

发动机烟度需要根据相关法规进行限制[10]，一般是由ECU基础数据中的烟度MAP来标定。烟度限制的Lmbd数值就是烟度MAP的直观反映，当Lmbd数值调大时，会出现一定的“气少油多”现象，导致烟度增大[11]。

在实际使用中，一些厂家为了提升车辆的动力性，修改了发动机ECU的基础数据，放宽烟度限制的MAP标定，烟度限制基本没起作用，导致换挡急踩油门后，发动机基本自由加速到外特性上。此时即使发动机中冷后进气温度不高(满足温度要求)的情况下也会出现冒黑烟现象。可以通过调整发动机ECU的Lmbd数值来解决，即加大在急加速过程中的烟度限制。柴油机的烟度排放满足国家法规是最基本的要求，ECU基础数据的烟度限制应能保证烟度和其他排放指标达标。

3 其他影响柴油机冒黑烟的因素

整车上部分零部件的匹配设计和驾驶员的驾驶习惯也会在很大程度上影响柴油机冒黑烟，具体有以下几点：

1)整车进排气同侧，中冷后进气温度被排气管加热，柴油机冒黑烟的风险增大；整车进气管道布置过长或者管径较小，使进气压力变小，导致发动机进气量不足，出现冒黑烟现象。

2)整车匹配电控风扇车辆是通过发动机水温来控制电控风扇离合器的开和关，无法根据中冷后进气温度来控制电控风扇的开和关，使得整车不能及时控制中冷后进气温度，柴油机冒黑烟的风险增大。

3)变速器匹配问题。一般客车变速器的挡间比要高于卡车，换挡后转速下降较快，换挡完成后加速的起始转速较低，进气压力延时响应，所以客车会比卡车更容易冒黑烟。

4)发动机舱设计不合理，通风散热性差，导致热负荷较高，并且风扇在进气温度过高时都没有开启，使进气温度较高。

5)很多驾驶员喜欢挂高挡行驶，或者在普通路况上频繁换挡或频繁变道超车、加速减速等[12]，发动机会长时间运行，在800～1 000 r/min转速区间发动机进气相对不足，导致冒烟风险增加，适当提高发动机运行转速，烟度则明显降低。

4 结束语

柴油机车辆在正常使用过程中出现冒黑烟现象，主要是环境空气温度和中冷后进气温度高导致。中冷压降、排气背压、进气负压和ECU烟度标定等都会对发动机的排气烟度造成一定影响。在整车的生产制造过程中应加强零部件匹配设计优化；此外，还应规范驾驶员的操作习惯，进一步降低冒黑烟风险。