進氣節(jié)流對柴油機性能影響的試驗研究*

姚廣濤，趙國斌，鄧成林，劉宏威

(軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161)

2016085

進氣節(jié)流對柴油機性能影響的試驗研究*

姚廣濤，趙國斌，鄧成林，劉宏威

(軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161)

針對柴油機排氣SCR后處理裝置在排氣溫度較低時性能不佳問題，在WP10柴油機進氣系統(tǒng)上設(shè)置了進氣節(jié)流閥，進行了進氣節(jié)流對柴油機排氣溫度、排放和油耗等影響的試驗研究。結(jié)果表明：進氣節(jié)流可明顯提高柴油機小負荷時的排氣溫度，隨著節(jié)流度的加大，在一定范圍內(nèi)不會引起發(fā)動機油耗和PM與NOx排放的明顯增加，但當節(jié)流度超過一定范圍，影響會明顯增加，且轉(zhuǎn)速越高，影響的幅度越大。

進氣節(jié)流；排氣溫度；SCR；發(fā)動機性能

前言

目前，降低柴油車污染物排放主要依靠兩條技術(shù)路線：(1)優(yōu)化燃燒過程，通過超高壓噴射燃油降低顆粒物，用選擇性催化還原(selective catalyst reduction, SCR)等后處理裝置消減NOx；(2)采用廢氣再循環(huán)以降低NOx，由此帶來的顆粒物增加則使用顆粒物過濾器(diesel particulate filter, DPF)進行捕集處理。

廢氣再循環(huán)技術(shù)通常會惡化燃燒過程，降低燃油經(jīng)濟性，進而帶來成本增加[1-2]。相反，使用優(yōu)化燃燒+SCR技術(shù)可改善燃燒過程，一定程度上提高了燃油經(jīng)濟性；另外，SCR技術(shù)對于燃油質(zhì)量，主要是硫含量的要求不高，因此更適合我國的國情[3]。

然而，SCR系統(tǒng)低溫性能不佳，只有在排氣溫度達300℃以上才能正常工作。而實際車輛排氣溫度，特別是公交車排氣溫度遠低于此溫度，從而使大量NOx未經(jīng)處理直接排入大氣，對大氣造成了二次污染。隨著排放法規(guī)逐步嚴格，這個問題引起了更加廣泛的重視，尤其是隨著新的全球穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(world harmonized steady-state cycle, WHSC)和全球瞬態(tài)測試循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)[4]的采用，低溫排放不合格的柴油機將面臨審核不通過的命運，所以如何有效改善SCR系統(tǒng)低溫性能成為必須解決的一大技術(shù)難題[5-6]。

柴油機屬于富氧燃燒，特別是在低負荷時，適當減少進氣量可以提高混合氣濃度，減少過多進氣的吸熱，進而提高排氣溫度，改善柴油機低負荷SCR系統(tǒng)性能。但是，進氣量的減少，必然會引起柴油機性能的變化。本文中通過臺架試驗方法，開展了進氣節(jié)流對柴油機性能、排氣溫度和排放特性影響研究，為采用進氣節(jié)流方式提高柴油機排氣溫度提供了技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗裝置與方法

試驗系統(tǒng)如圖1所示，測試臺架采用AVL測試系統(tǒng)，如圖2所示，包括柴油機測功和排放測量系統(tǒng)，具體組成與型號見表1。發(fā)動機為濰柴WP10型柴油機，在進氣系統(tǒng)加裝進氣節(jié)流閥，發(fā)動機主要參數(shù)見表2。

進氣節(jié)流措施主要應(yīng)用于柴油機低負荷工況，一般來說發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不會高于500N·m，因此綜合考慮各個工況，選擇200和350N·m轉(zhuǎn)矩下的800，900，1 200，1 500，1 800和2 100r·min-1轉(zhuǎn)速共12個工況作為試驗工況開展試驗研究。定義進氣節(jié)流度為節(jié)流閥關(guān)閉角度的百分比(全開為0，全關(guān)為100%)，分別選擇0，50%，60%，70%和80%的節(jié)流度，測試進氣節(jié)流閥的節(jié)流度對排氣溫度、油耗、NOx和PM排放的影響。

表1 臺架測試系統(tǒng)

表2 WP10柴油機主要性能參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 進氣節(jié)流對排氣溫度的影響

圖3和圖4分別為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩200和350N·m時不同轉(zhuǎn)速工況下排氣溫度隨節(jié)流度的變化。

由圖可見：(1)進氣節(jié)流措施提高排氣溫度的效果十分明顯，使用進氣節(jié)流后最高排氣溫度基本都能達到300℃以上，較小轉(zhuǎn)速/負荷工況也能高于200℃；(2)如果以300℃排氣溫度為控溫目標，針對不同的工況需要設(shè)置不同的節(jié)流度；(3)相同轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速越高排氣溫度提升越明顯。比如在350N·m轉(zhuǎn)矩工況下，當節(jié)流度為80%時，轉(zhuǎn)速為800和900r·min-1工況排氣溫度分別提高57和78℃，提升率為23%和31%；而1 800和2 100r·min-1工況排氣溫度分別提高290和330℃，提升率為110%和125%。

這是因為在節(jié)流閥同樣開度下，轉(zhuǎn)速越高進氣流量減小率越大。而在實際應(yīng)用中，只需要排氣溫度達到300℃就能滿足SCR的工作要求，因此對于高轉(zhuǎn)速工況節(jié)流度要按要求減小。

相同轉(zhuǎn)速(以800和1 500r·min-1為例)不同轉(zhuǎn)矩工況下排氣溫度隨節(jié)流度的變化如圖5和圖6所示。

由圖可見，在中低轉(zhuǎn)速下時，轉(zhuǎn)矩越大，排氣溫度越高，但提升幅度與低轉(zhuǎn)矩相差不大。在節(jié)流度達到80%時，800r·min-1和1 500r·min-1，轉(zhuǎn)矩200N·m工況排氣溫度分別提高20%和64%，800和1 500r·min-1，轉(zhuǎn)矩350N·m工況排氣溫度分別提高22%和67%。這是因為在中低轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩條件下，在轉(zhuǎn)速相同時，不同轉(zhuǎn)矩進氣流量相差不大，800r·min-1、200N·m工況原進氣量為260kg/h，800r·min-1、350N·m工況原進氣量為263kg/h；1 500r·min-1、200N·m工況原進氣量為540kg/h，1 500r·min-1、350N·m工況原進氣量為582kg/h。

在2 100r·min-1轉(zhuǎn)速下兩種轉(zhuǎn)矩的排氣溫度變化幅度相差較為明顯，如圖7所示。

在節(jié)流度達到80%時，2 100r·min-1、200N·m工況排氣溫度提高101%，2 100r·min-1、350N·m工況排氣溫度提高125%。這是因為2 100r·min-1、200N·m工況原進氣量為856kg/h，2 100r·min-1、350N·m工況原進氣量為1 016kg/h，相差較大，因此排氣溫度提升幅度相差較明顯。

從以上分析可以看到，對于不同轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)矩的工況，因為進氣流量的不同和節(jié)流閥自身的工作特性，同樣節(jié)流度下對排氣溫度的提升效果是不同的。因此必須針對不同工況設(shè)置不同的節(jié)流度。表3列出80%節(jié)流度下所試驗的12個工況排氣溫度提升率。

表3 80%節(jié)流度下各工況排氣溫度提升率 %

2.2 進氣節(jié)流對油耗的影響

圖8和圖9分別為200和350N·m轉(zhuǎn)矩下各轉(zhuǎn)速油耗隨節(jié)流度的變化曲線。

可以看出，在節(jié)流度達到70%之前各工況油耗變化很小，在節(jié)流度80%時高轉(zhuǎn)速工況油耗有明顯增加，尤其以2 100r·min-1轉(zhuǎn)速下變化最為明顯，但是從2.1節(jié)中可以看到，此時排氣溫度已遠遠超過SCR所需的工作溫度，因此該工況下并不需要達到這么高的節(jié)流度。

以300℃排氣溫度為控制目標，分別確定12個工況所需達到的節(jié)流度。試驗點接近300℃的取試驗點的節(jié)流度；與300℃相差較大的點則在相鄰的點用線性插值法確定節(jié)流度。結(jié)果如表4所示。

表4 各工況達到300℃排氣溫度所需節(jié)流度 %

對排氣溫度達到300℃時的油耗增加率按照相同方法處理，結(jié)果如表5所示。

可以看出，表4、表5中的工況分為3類：第1類是通過進氣節(jié)流依然不能達到300℃排氣溫度的(表中標注Ⅰ)；第2類是能夠達到300℃排氣溫度但油耗增加較大的(表中標注Ⅱ)；第3類工況是能夠達到300℃排氣溫度且油耗增加較小的(表中未標注部分)。

2.3 進氣節(jié)流對NOx排放的影響

圖10和圖11分別為200和350N·m轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速下NOx排放隨節(jié)流度的變化情況。

可以看出，NOx排放隨著節(jié)流度增加有增大的趨勢。在節(jié)流度達到60%以后增幅明顯加快，而且轉(zhuǎn)速越高增幅越大，達到80%節(jié)流度時350N·m,2 100r·min-1轉(zhuǎn)速工況的NOx甚至超過原來的2倍。但是與2.2節(jié)中的情況類似，在節(jié)流閥的實際使用中并不需要達到這么高的節(jié)流度。以300℃排氣溫度為控制目標，分別確定各工況需要達到的節(jié)流度，并計算該節(jié)流度下NOx排放的增加率，結(jié)果如表6所示。

表6 NOx排放增加率 %

可以看出，在350N·m轉(zhuǎn)矩下，NOx排放平均增加率為10%左右，而在200N·m轉(zhuǎn)矩下，各轉(zhuǎn)速NOx排放平均增加了50%左右。因此應(yīng)根據(jù)SCR的轉(zhuǎn)化效率確定使用進氣節(jié)流的范圍，如果提高排氣溫度后SCR能夠除去的NOx的量低于進氣節(jié)流本身增加的NOx的量，則應(yīng)停止使用進氣節(jié)流。

2.4 進氣節(jié)流對PM排放的影響

圖12和圖13分別為200和350N·m轉(zhuǎn)矩下各轉(zhuǎn)速工況的煙度隨節(jié)流度的變化情況。

可以看出，在一定節(jié)流度內(nèi)，煙度隨節(jié)流度增幅不大，但節(jié)流度超過60%以后，煙度急劇增加。排氣溫度達到300℃時的節(jié)流度所對應(yīng)的煙度增加率如表7所示。

可以看出，在350N·m轉(zhuǎn)矩下，PM的平均增加率為10%左右，而在200N·m轉(zhuǎn)矩下，各轉(zhuǎn)速PM排放平均增加率為20%左右。因此，應(yīng)根據(jù)SCR的轉(zhuǎn)化率確定使用進氣節(jié)流的范圍，盡可能降低PM排放的增加量。

表7 煙度排放增加率 %

3 結(jié)論

(1) 柴油機采用進氣節(jié)流措施提高排氣溫度的效果十分明顯，使用進氣節(jié)流后最高排氣溫度基本都能達到300℃以上，較小轉(zhuǎn)速/負荷工況也能高于200℃。

(2) 柴油機在小負荷時，進氣節(jié)流度達到70%之前各工況油耗變化很小，在節(jié)流度80%時高轉(zhuǎn)速工況油耗有明顯增加。

(3) 柴油機采用進氣節(jié)流，在一定的節(jié)氣門開度范圍內(nèi)，NOx和PM排放隨著節(jié)流度增加變化不明顯，在節(jié)流度達到60%以后增幅明顯加快，而且轉(zhuǎn)速越高增幅越大。

[1] 章健勇,李忠照,張開強,等.廢氣再循環(huán)對均質(zhì)壓燃發(fā)動機燃燒的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2013,47(11):1752-1756.

[2] CHATTERJEE S, CONWAY R, VISWANATHAN S, et al. NOxand PM Control From Heavy Duty Diesel Engines Using a Combination of Low Pressure EGR and Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter[C]. SAE Paper 2003-01-0048.

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[7] BAYARSUREN B, ODBILEG N, MYAGMARJAV J, et al. Study on Some Factors Affecting to Diesel Engine PM Emissions[C]. Strategic Technology,2007. IFOST 2007. International Forum on. IEEE,2007:236-237.

An Experimental Study on the Effects of IntakeThrottling on Diesel Engine Performance

Yao Guangtao, Zhao Guobin, Deng Chenglin & Liu Hongwei

DepartmentofAutomotiveEngineering,MilitaryTransportationUniversity,Tianjin300161

In view of the poor performance of SCR type exhaust after-treatment device for diesel engine at lower exhaust temperature, an additional intake throttle is added on the intake system of diesel engine WP10, and an experimental study is conducted on the effects of intake throttling on the exhaust temperature, emission and fuel consumption of diesel engine. The results show that intake throttling can significantly increase the exhaust temperature at low load conditions. As throttling ratio increases within a certain range, the fuel consumption and PM and NOxemissions do not rise significantly. However, when throttling ratio exceeds certain range, the effect becomes apparent, and the higher the speed the more significant the influence.

intake throttling; exhaust temperature; SCR; engine performance

*國家863計劃項目(2013AA065303)資助。

原稿收到日期為2015年1月21日，修改稿收到日期為2015年4月7日。