根据市场反馈，某款柴油车存在冒黑烟问题，主要现象为车辆在长期低速运行后，突然急加速或怠速踩油门，排气管会冒出大量黑烟。

　　为明确该问题状态，结合故障车辆实际使用的工况进行故障模拟，详细如下：

　　机外净化系统：双氧化催化转化器（DOC）；

　　试验用油：国III柴油；

　　试验工况：整车满载；

　　试验车速：40～60 km/h；

　　行驶总里程：200～250 km；

　　试验结论：试验结束后，急踩油门有大量黑烟冒出。

　　原因分析及排查

　　1.FTA分析

　　根据故障情况，建立了冒黑烟问题的FTA分析模型，从发动机的裸机排放分析、排温分析、流场分析和燃油品质等方面逐项排查，寻找原因，制定试验方案并验证（见图1）。

图1  FTA分析

        2.发动机本体排查

　　对市场反馈的故障车辆以及试验车辆所搭载发动机进行台架试验，两款发动机性能参数与设计状态相同。其裸机排放烟度FSN系数小于1.9，属于中等水平（FSN超过2.5可见烟），可排除发动机裸机排放质量太差造成的黑烟现象（见图2）。

图2  被测发动机的外特性曲线和裸机排放烟度测试结果

        3.柴油品质排查

　　由于燃油品质对颗粒物排放的影响非常大，因此对市场上出现的故障车辆所用柴油进行了检测，主要检测了对排放影响较大的十六烷（C16H34）指数及硫含量。从检测结果来看，C16H34的指数偏低，硫含量则较国IV燃油标准超标400%以上，燃油品质较差，对排放质量影响很大。

　　4.发动机排风系统拆解分析

　　对试验发动机排放系统进行拆解分析，调查排放系统中颗粒物的存在状态，并观察颗粒物在排气系统中的分布。拆解结果显示，积碳主要分布在DOC前、DOC后、消声器和尾管内。积碳状态比较干燥，类似于碳粉，没有结焦的情况，且附着并不牢固（见图3）。

　　随后，针对DOC或者消声器积烟问题，应用控制变量法进行分析。去除消音器后（采用空管代替），进行故障再现试验，冒黑烟现象仍然存在；去除DOC后（采用空管代替），进行故障再现试验，冒黑烟现象明显减弱，因此积烟问题主要在DOC上。

　　图3  故障件颗粒物分布图

        5.排气管流场均匀性分析

　　考虑到排气系统内有气体流动死角，可能会造成颗粒物沉积，产生黑烟，故而对该排气系统进行了流场均匀性分析（见图4）。分析结果显示排气系统的速度均匀性系数均大于0.9，满足设计要求；压力损失均小于1 kPa，满足要求。

图4  AVL FIRE软件分析

　　6.颗粒物成分分析

　　为明确排气系统各处可溶性有机物（SOF）和烟灰（SOOT）的含量，利用热重/差(TG/DSC)分析。DOC前：SOF占75%，SOOT占25%；双DOC之间：SOF占60%，SOOT占40%；DOC后：SOF占40%，SOOT占25%，水分占10%，硫酸盐或金属灰分占25%；尾管出口：SOF占47%，SOOT占38%，水分占15%（见图5）。

图5  颗粒物成分分析

　　以上结果表明：该发动机产生的PM中，SOF比例均很高，约占70～80%。而DOC对PM中SOF的转化效率一般为70%以上左右，因此判定故障车DOC对SOF的转化效率偏低。

　　7.车辆行驶工况分析

　　根据用户对故障车辆的反馈，由于当地路况较差，车辆只能以40～60 km/h的车速行驶，很少进行高速工况行驶。而在使用中发现这款车恰好在其它路况较好地区并未出现此类问题。故使用CRUISE软件对整车进行动力学仿真，模拟计算等速行驶时烟度值及等速工况点分布情况，得知40～60 km/h左右的速度正是发动机运行工况较为恶劣的速度区间，因而排放烟度较大。

　　8.DOC性能分析

　　对实车排温进行测量，在4档60 km/h等速工况时，发动机排温基本可达到320 ℃，但DOC前温度仅为280 ℃左右，温度损失约40 ℃。其主要原因是由于催化器离增压器出口较远。

　　一般而言，DOC转化效率与贵金属含量和温度相关，贵金属含量越高，温度越高，其效率也越高。在故障车所搭载DOC中，贵金属含量为50 g/ft3，在同类型车中处于中等水平，不存在贵金属含量偏低的因素。从DOC前后温度对比分析中得知，DOC转化效率明显不高，与故障车排气管积烟状态相符。

　　9.原因分析总结

　　通过以上分析，基本可确定故障车辆急加速时冒黑烟问题的原因有，油品不好（C16H34指数偏低，硫含量偏高）、车辆运行工况下的排放烟度较高，以及车辆运行工况下催化器前温度较低（使得DOC转化效率偏低）等三大因素。综上所述，发动机排出的颗粒物堆积于排气管各处，在急加速或者怠速踩油门时被吹出，形成冒黑烟现象。

　　解决方案与验证

　　1.方案制定

　　根据以上原因分析，制定可行方案。选定通过改进前DOC排温较低的问题（可通过采用后喷、DOC紧耦合等方案），来改善冒黑烟的现象的方法。

　　考虑到后喷会增加燃油消耗，且标定周期较长。故而总体来看，紧耦合式排气管是最简单、最有效方案。新的紧耦合式排气管方案，催化器到增压器出口仅为210 mm，且全程添加隔热罩保温（见图6）。

图6  新旧排气管数模对比

　　2.方案验证

　　对紧耦合式排气管方案进行装车验证，运行故障再现工况。运行里程分别为200 km、1 000 km与5 000 km。结果显示冒黑烟问题基本消除，证明此方案可有效避免冒黑烟的问题。同时对新方案排放性能进行验证，验证结果显示新方案满足排放要求。

　　结论

　　1.通过应用FTA故障分析法，理清可能引发故障的因素，通过各种理论与试验相结合的方法，快速确定故障原因，为解决问题奠定基础。事实证明，FTA模型是一种解决故障问题可靠的、有效的分析方法。

　　2.应用CRUISE软件仿真分析，确定整车工况性能状态，为确定故障原因提供有效支持。

　　3.理论模拟分析必须要与车辆实际使用状态相结合，前期理论分析考虑问题越完善，后期客户实际使用发生故障概率则越小。