城市柴油公交車PM值超標的故障診斷及對策

韋開煥，黃孝平，馬驍飛，陳 彪，黃福川

（1. 廣西大學化學化工學院, 廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧 530004；2. 廣西諦恒生物能源投資有限公司， 廣西 南寧 530004）

城市柴油公交車PM值超標的故障診斷及對策

韋開煥1，黃孝平2，馬驍飛1，陳 彪1，黃福川1

（1. 廣西大學化學化工學院, 廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧 530004；2. 廣西諦恒生物能源投資有限公司， 廣西 南寧 530004）

PM的治理一直是解決柴油機污染的重點。對南寧市某公交公司的10臺柴油公交車進行了煙度值檢測，對PM排放不合格的公交車進行了故障分析。根據PM生成機理分析了導致公交車尾氣PM超標的各種原因，提出了相應的技改措施，達到了預期的效果。

柴油公交車；PM；產生原因；技改

目前，城市公交車中制約柴油車發展最大的問題是PM排放。柴油機PM（particulate matter 顆粒物）是在取樣狀態下柴油機排氣中除水分外的所有分散物質的總稱，其中干碳煙（Soot）占45%～50%，可溶性有機成分（SOF）占 35%～45%，硫酸鹽占5%～10%[1]。

公交車是城市重要的公共交通工具之一。因城市路況多變，公交車經常處于啟動、加速狀態，發動機處在轉速低、負荷大、開開停停的運行工況，其所采用的發動機通常要求具有啟動迅速、牽引力大、低速重載的特點。柴油發動機憑借較高的功率、轉換效率、燃油經濟性、較強的動力性以及良好的耐久性，而成為許多大中型商用車動力系統的首選。目前南寧市在運行的公交車中，柴油公交車占很大比重。

碳煙和吸附在它上面的多環芳香烴（PAHs），對人體具有很大的危害性。苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]芘等大分子量的PAHs化合物已被證實是一種強致癌物質[2]。另外，碳煙會影響道路上的能見度，是霧霾產生的一個重要因素之一。在城市道路狀態下，它的危害性遠遠超過NOx和氣態HC，是柴油公交車排放重點要控制的對象。特別是最近幾年，新環保法規的實施以及社會對霧霾現象的關注度不斷提高，人們對城市柴油公交車PM排放越來越重視。

1 公交車柴油機參數與初檢結果

1.1 試驗設備

為了解南寧市城市柴油公交車的 PM排放現狀，通過在年審中選擇南寧市某公交公司的10輛國Ⅲ排放標準的公交車進行自由加速煙度值檢測。該批型號公交車2006年出廠，采用發動機后置后驅形式。外形尺寸為10475 mm×2 500 mm×3 000mm，載客23～40人，最高車速80 km/h，配置YC6G240-30柴油機。6G系列柴油機系廣西玉柴機器股份有限公司全套引進美國福特公司柴油機設計、工藝技術及全套加工、裝配與檢測設備，并與德國FEV公司進行二次開發而成。主要技術參數如表1。

表1 YC6G240-30柴油機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of YC6G240-30 diesel engine

1.2 檢測設備

本次檢測所用檢測設備是深圳市某公司生產的HDWJ-15/330型重型柴油車加載減速煙度排放檢測系統(LUG/DOWN)，是專門為自由加速和穩態全負荷測試而設計的檢測儀器，適用于所有類型柴油車輛的煙度檢測。取樣探頭采用分流式，選用綠色發光二極管做光源。主要技術參數如表2。

表2 HDWJ-15/330型排放檢測系統(LUG/DOWN)主要技術參數Table 2 Main technical parameters of HDWJ-15/330 emission inspection system (LUG/DOWN)

1.3 檢測標準

按GB3847-2005《車用壓燃式發動機和壓燃式發動機汽車排氣煙度限值及測量方法》[3]附錄I:《在用汽車自由加速試驗 不透光煙度法》要求進行。

1.4 檢測結果

在十輛參檢車輛中，經過檢測，有7輛公交柴油車PM排放合格，有3輛公交柴油車超標比較嚴重。這3輛公交柴油車尾氣排放初檢結果如表3。

表3 柴油機尾氣排放初檢結果Table 3 Initial inspection results of diesel engine exhaust emissions

檢測時間：2015年5月26號下午；地點：南寧市某檢測站；測試場內溫度：38.1 ℃；大氣壓：99.7 kPa；相對濕度：54.8%。

2 PM值過高的原因分析及故障診斷

2.1 柴油發動機PM的生成機理

一般認為，柴油發動機的碳煙是燃料在高溫缺氧的條件下經過裂解脫氫后的產物。柴油機微粒的生成一般可分為三個階段[4-7]：

①成核階段：在高溫缺氧的條件下，燃料分子裂解為較小的烷烴，烷烴脫氫生成乙炔，乙炔聚合為共軛多烯烴，最后環化為多核結構的呈六角形基本單元的片晶。

②單粒階段：在柴油機氣缸中，初生石墨狀片晶具有很強的親和力，只存在很短時間，很快就聚合成近似球形的直徑大小在0.01～0.1μ m的單粒。

③單粒燃燒消失或附聚成更大絮團階段：在煙粒的整個生成過程中，若出現區域缺氧和 CO濃度過高，或溫度不足以使氧化反應順利進行等情況，碳粒不能燃燒。未燃燒的碳粒會相互團聚，形成更大的絮團，這些絮團會吸附SOF組分。如圖1。

圖1 微粒組分圖Fig.1 Particle composition diagram

2.2 影響柴油公交車PM生成的因素

①燃料質量

柴油中芳香烴含量及柴油的餾程，對柴油機微粒排放有著顯著的影響。相關研究顯示，芳香烴含量高、餾程高的柴油，其微粒排放量越大；而烷烴含量越高的柴油，其微粒排放越少[8]。另外，柴油中硫含量對柴油機排氣煙度有直接影響。歐洲的汽車油料研究表明：柴油中的硫質量分數從500 mg/L減少到30 mg/L，使得輕型車PM排放降低了7%，重型車PM排放降低了4%[9]。

②進氣渦流

適當增加燃燒室內空氣渦流的強度，可使碳煙排放量減少。其原因是：空氣渦流強度增加，可增強空氣與油滴的相對運動，使油滴蒸發速度加快，進氣量增多，提高了燃油與空氣混合的均勻性[10]。同時，渦流可加速燃燒，使氣缸內最高燃燒溫度和壓力提高，有利于未燃烴的氧化，使可溶性有機物（SOF）含量降低。

③轉速和負荷

大量參考文獻表明：高速小負荷時，柴油機單位油耗的顆粒物排放較大，且隨負荷增加，顆粒物排放量減??；在低速大負荷時，顆粒物排放量會隨空燃比的增加而有所增高。

④噴油參數

在直噴式柴油機中，當所有其他參數不變時，在提高初始噴油速率的前提下，如能減小噴油持續角，可使燃燒過程較快結束，以改善碳煙排放。提高噴油壓力可提高缸內油氣混合速率，燃油經濟性及碳煙排放均有改善[11]。北京航空航天大學王德福等人[12]通過數值模擬對高壓共軌柴油機研究發現：在噴油量、噴孔數量以及噴孔直徑保持不變的前提下，隨著噴油壓力的提高，燃油霧化效果更好，碳煙生成下降。

2.3 原因分析及故障診斷

根據現場觀察，發現三輛車均不同程度的有冒黑煙的異?，F象。柴油車-1登記日期為2006年6月26日，累計行駛56 000 km。冷卻水出水溫度85℃，排氣管在怠速時冒出大量黑煙，但正常工作后黑煙較少。柴油車-2登記日期為2008年12月2號，累計行駛552 865 km。冷卻水出水溫度90 ℃，排氣管在低速時不冒煙，高速時大量冒黑煙，在增大負荷后黑煙濃度明顯增加。柴油車-3登記日期為2006年6月6日。冷卻水出水溫度87 ℃，排氣管在全工況下均有不同程度的黑煙冒出。

公交柴油車出現這一現象的原因可能有：排氣背壓過高或進氣管道阻塞，增大了進氣阻力，造成進氣量不足，從而影響空氣、柴油混合比。油氣混合不均勻，導致了燃燒惡化，碳煙生成量急劇增加。

造成上述故障的原因有：①缸套活塞及活塞環磨損過大，氣門關閉不嚴，氣門間隙不合適等造成氣缸壓縮壓力偏低，氣缸內可燃混合氣不能正時著火；②消聲器內積灰過多，排氣不順暢，導致排氣背壓增高；③空氣濾芯堵塞嚴重或增壓器故障，導致進氣量減少，無法滿足噴入缸內柴油完全燃燒的需要而形成后燃[13]；④氣門間隙調整不正確，氣門粘滯或氣門和座圈密封不好；⑤高壓油泵供油量不均勻，噴油嘴調整不當或出現卡死，影響混合氣質量；⑥所使用的柴油質量或牌號有誤；⑦噴油器故障，噴孔磨損或堵塞、噴油壓力降低、噴油嘴積碳、針閥卡死、滴油等；⑧供油提前角過大，燃油在較低溫度下不能完全燃燒；⑨微粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）積碳清理不及時，導致排氣背壓增大，進氣充量不足。根據其具體情況，制定如圖2技術診斷框圖。

圖2 柴油機排黑煙技術診斷框圖Fig.2 Diagnostic block diagram of diesel engine exhaust smoke

3 診斷結果及技改措施

3.1 診斷結果分析

按診斷框圖檢查柴油車-1發現：①空氣濾清器積塵較多。②噴油嘴積炭較嚴重，噴油器阻塞，噴霧質量差。噴油嘴偶件座面有磨損。③該公司為追求經濟效益，曾長期使用0號普通柴油。其余各項指標正常。查閱GB 252-2011《普通柴油》[14]和GB 19147—2013《車用柴油(Ⅳ)》[15]，檢測該車用油。得出該車用油、普通柴油與車用柴油理化特性如表4。

表4 該車用油、普通柴油和車用柴油理化指標比較Table 4 Comparison of physical and chemical indexes of oil, ordinary diesel and diesel oil

通過比較可以看出，普通柴油的硫含量比車用燃油高近6倍，十六烷值也比車用柴油低。

由檢查結果初步判斷柴油車-1的PM超標原因可能是：①柴油機空氣濾清器堵塞引起的進氣充量不足。②噴油器維護不當造成的噴油嘴堵塞，油氣混合不均勻。③硫含量過高使SOF排放增加，同時導致DPF捕集效率下降，最終使PM排放超標。

檢查柴油車-2發現：空氣濾清器積塵嚴重，有塊狀的塵土粘在濾芯上，濾芯濾紙有破裂現象。增壓器渦輪葉輪上積有灰塵，葉片有輕微刮痕。

空氣濾清器是發動機進氣系統的重要部件，其主要作用是過濾空氣中的塵沙，以減少缸套、活塞、活塞環、氣門等關鍵部件的磨損[16]。正常情況下，吸附在濾芯上的塵土應為干燥粉末狀。該濾芯上的塵土呈塊狀吸附，說明濾芯上的塵土曾與水或水蒸汽接觸，使塵土變得潮濕或成泥狀黏附到空氣濾清器濾芯上。潮濕或成泥狀的塵土風干后便成塊狀吸附在濾芯上[17]。當受到較大的外力作用時，黏附不牢的塵塊便會脫落。脫落的塵塊會導致空氣濾清器堵塞，柴油機進氣充量不足。

由檢查結果初步判斷柴油車-2的PM超標原因可能是：①柴油機空氣濾清器堵塞引起的進氣充量不足。②增壓器葉輪積塵導致空壓機效率降低，進氣壓力減小，進氣量減少。

檢查柴油車-3發現：柴油機排氣背壓過高，查看后發現顆粒捕集器（DPF）積炭十分嚴重。檢查機油尺，發現機油量不足，顏色呈黑色。經詢問，該車使用的柴油機油為玉柴15W-40 CH-4全合成柴油發動機潤滑油。檢查發現，該車運行時間已經超過指定的換油周期。

DPF是降低柴油車PM排放最常用的機外處理裝置之一，是通過物理方法，采用多孔介質或纖維過濾材料對排氣進行過濾。該車DPF采用的是目前市場上銷售最多的以堇青石作材料合成的壁流式蜂窩陶瓷濾芯。

壁流式蜂窩陶瓷具有多孔結構，相鄰兩個通道中，一個通道入口被堵住，另一個通道出口被堵住，如圖3所示。這種結構迫使排氣從入口敞開通道進入，穿過多孔的陶瓷壁面進入相鄰的出口敞開通道，而微粒就被過濾在進氣道的壁面上。

圖3 壁流式蜂窩陶瓷結構Fig.3 Wall flow honeycomb ceramic structure

對柴油車-3所配的微粒捕集器進行拆檢，發現積炭層最厚處厚度超過兩毫米。對DPF進行電加熱再生，效果并不明顯。進一步檢查發現蜂窩陶瓷表面已有裂紋產生，局部有燒熔現象。判斷是加熱再生過程中產生的熱應力導致的[18]，據此認定微粒捕集器已經失效。

初步判斷柴油車-3的 PM超標原因可能是：DPF失效引起排氣背壓過大，進而導致進氣不足。

3.2 技改措施及檢測結果

根據診斷結果，分別對三輛柴油車采取不同的技改措施。

①柴油車-1：先把空濾器按順序分解，清除排塵袋中的灰塵，吹除濾芯上的灰塵。拆卸噴油器，用化學清洗劑清洗針閥頭部及針閥體頭部外周的積炭，同時用專用通針清除針閥頭部噴孔的積炭，然后用清潔柴油清洗。最后更換噴油嘴偶件。

②柴油車-2：清除空濾器排塵袋中的灰塵，更換空氣濾清器。更換的空氣濾清器為上海弗列加濾清器有限公司的SWB256150001型組合式空氣濾清器。清除增壓器葉輪上的灰塵。

③柴油車-3：放出變質機油，更換原廠機油濾清器，補充新的玉柴15W-40 CH-4柴油發動機潤滑油。更換微粒捕集器。

最后對三輛柴油車的燃油系統均進行了清洗，更換了空氣濾清器、機油濾清器和柴油濾清器等重要配件；同時換用合格的0號國Ⅳ車用柴油。更換的柴油濾清器具體參數如下5。

表5 柴油濾清器具體參數Table 5 Specific parameters of diesel fuel filter

試車運行一段時間后對三輛柴油公交車重新進行了一次檢測。檢測數據如下表6：

表6 第二次檢測數據Table 6 Second test data

檢測時間：2015年6月22號下午；地點：南寧市某檢測站；測試場地溫度：37.7 ℃；大氣壓：100.1 kPa；相對濕度：53.2%。

和初檢時比較，三輛柴油公交車尾氣煙度值平均值分別降低了87.0%、77.8%、87.3%，均已低于GB3847-2005《車用壓燃式發動機和壓燃式發動機汽車排氣煙度限值及測量方法》所要求的限值。

4 結 論

（1）硫含量對柴油發動機PM排放有顯著的影響，柴油公交車應盡量選用相應國標的柴油，這樣不僅能降低PM排放，還能延長公交車使用壽命。

（2）城市柴油公交車PM值超標的原因很多，主要原因是柴油發動機進氣不良。柴油公交車排氣異常時應首先檢查柴油發動機進排氣系統是否正常，然后再依次排查噴油組件等。

（3）公交公司應根據城市柴油公交車運行狀況，建立一套合適的公交車檢查/維護管理制度， 定期對柴油公交車易損部件進行維護。

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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

南寧市汽車表面工程材料工程技術中心，項目號：南科20151294。

2016-05-03

韋開煥（1991-），男，廣西來賓市人，碩士研究生，研究方向：從事車用發動機排放污染與控制研究。E-m ail：764743247@qq.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：從事發動機非金屬材料與排放的研究。E-m ail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。