進(jìn)氣中冷溫度對(duì)柴油機(jī)NOx排放性能的影響

李紫帝， 譚建偉， 葛蘊(yùn)珊， 李加強(qiáng)， 陳 偉， 王世杰

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 排放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.上海弗吉亞排氣系統(tǒng)有限公司，上海 201107)

進(jìn)氣中冷溫度對(duì)柴油機(jī)NOx排放性能的影響

李紫帝1,2， 譚建偉1,2， 葛蘊(yùn)珊1,2， 李加強(qiáng)1,2， 陳 偉1,2， 王世杰3

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 排放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.上海弗吉亞排氣系統(tǒng)有限公司，上海 201107)

提出了一種通過提高增壓中冷后的進(jìn)氣溫度來降低柴油機(jī)NOx排放的措施.用GT-Power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，改變進(jìn)氣中冷溫度，在基于歐Ⅵ排放法規(guī)要求的瞬態(tài)測試循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle, WHTC)下進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明：中冷溫度提升15℃，渦輪出口端循環(huán)平均溫度會(huì)提高12℃.在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，驗(yàn)證了中冷溫度的提升對(duì)WHTC循環(huán)排氣溫度提升的效果，研究了中冷溫度的提升對(duì)NOx排放以及SCR的性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在整個(gè)WHTC循環(huán)中，中冷溫度提升15℃，WHTC循環(huán)平均溫度可以提高5℃，NOx可以降低3.6%，SCR效率提高1.8%；對(duì)于WHTC循環(huán)中SCR平均溫度低的低負(fù)荷工況區(qū)，NOx甚至可以降低7.4%，SCR的催化轉(zhuǎn)化效率可以提升3.2%.

重型柴油機(jī);選擇性催化系統(tǒng);氮氧化物排放;低溫工況;中冷溫度;氮氧化物轉(zhuǎn)換效率;GT-Power

2015年中國機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)表明，2014年我國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.46億輛，其排放的氮氧化物(NOx)達(dá)到627.8萬噸，其中僅占14.2%的柴油車排放的NOx高達(dá)NOx排放總量的70%[1].為了降低城用柴油車的尾氣排放對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響，我國于2005年頒布了GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》，引入了ETC(European Transient Cycle)瞬態(tài)循環(huán)來評(píng)估重型車用柴油車的循環(huán)工況排放，并且規(guī)定了各階段的排放限值[2].但是實(shí)驗(yàn)表明法規(guī)排放特性測試結(jié)果與整車實(shí)際道路測試結(jié)果存在很大的差異,實(shí)際道路中柴油車的各污染物排放量(尤其是NOx)較高[3].

針對(duì)上述問題，環(huán)保部在原GB 17691-2005 基礎(chǔ)上增加了對(duì)城市用柴油車輛的WHTC循環(huán)要求，給出了從第Ⅳ階段開始柴油機(jī)WHTC循環(huán)各污染物的排放限值，該補(bǔ)充方案于2015年1月1日起開始實(shí)施[4].WHTC循環(huán)是歐洲Ⅵ階段排放標(biāo)準(zhǔn)中制定的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)循環(huán)，相比ETC循環(huán)WHTC循環(huán)怠速區(qū)和低負(fù)荷點(diǎn)明顯增多，轉(zhuǎn)速、功率、怠速比等循環(huán)特征參數(shù)和實(shí)際道路工況特征參數(shù)接近，更能反映出城用柴油車實(shí)際道路工況的特征[5-7].

對(duì)比WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)，ETC循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的51%，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷為37%，怠速時(shí)間占整個(gè)循環(huán)時(shí)間的6%；而WHTC循環(huán)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷明顯下降，3個(gè)數(shù)值分別為36%、17%和17%.這就導(dǎo)致WHTC循環(huán)的催化劑平均溫度較低， SCR催化器的效率會(huì)有所降低[8].由于SCR催化器的反應(yīng)效率與反應(yīng)溫度和催化器空速這兩個(gè)因素有關(guān)，可以通過升高催化劑溫度和降低催化器空速的方法來提高催化器的反應(yīng)效率[9].在這個(gè)背景下，研究人員提出了一系列能夠提高柴油機(jī)低溫工況下SCR系統(tǒng)效率的方案.比如：加裝進(jìn)氣節(jié)流閥、改變噴油提前角、改變噴油壓力、后噴以及在SCR催化器外表面加裝保溫材料等柴油機(jī)排氣熱量管理措施，這些措施都能有效提高催化器平均溫度，改善柴油機(jī)NOx排放[10].

在此基礎(chǔ)上，本文以城市車輛用柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法在WHTC循環(huán)工況下研究了進(jìn)氣中冷溫度的提升對(duì)循環(huán)平均排溫的提升程度，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中研究了中冷溫度的提升對(duì)SCR催化器平均溫度的提升效果以及對(duì)SCR系統(tǒng)催化效率的提升效果.試驗(yàn)結(jié)論可以為降低車用柴油機(jī)NOx排放技術(shù)提供參考.

1 仿真及結(jié)果分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的模型

仿真在GT-Power環(huán)境中進(jìn)行，所用燃燒模型為零維燃燒模型.

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程模型，完成轉(zhuǎn)速800～3 600 r/min全負(fù)荷狀態(tài)下的工作過程模擬.所建立的模型和設(shè)置參數(shù)比較準(zhǔn)確，計(jì)算的功率和扭矩最大誤差均在5%以內(nèi).

1.2 WHTC循環(huán)工況的仿真

根據(jù)WHTC循環(huán)給出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩計(jì)算出每秒發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.在模型中加入基于PID控制的噴油控制模塊，噴油器在WHTC循環(huán)的轉(zhuǎn)速下通過給定的目標(biāo)功率來噴油.

在中冷器的溫度為45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃的情況下進(jìn)行仿真，在WHTC循環(huán)下渦輪出口端的溫度曲線如圖1，循環(huán)渦輪出口端的平均溫度為圖2.

圖1可以明顯的看出，隨著中冷溫度的提升，WHTC循環(huán)平均排氣溫度有了較大的提升，在低負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較低的時(shí)候提升的更加明顯.圖2中顯示隨著中冷溫度的上升15 ℃WHTC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口平均溫度會(huì)升高12 ℃左右.

圖1 渦輪出口端溫度

圖2 渦輪出口端循環(huán)平均溫度

根據(jù)仿真結(jié)果，中冷溫度的提升對(duì)WHTC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口平均溫度有較大的提升，對(duì)中低負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口溫度提升明顯.由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的提升會(huì)造成NOx原排的上升，所以需要在實(shí)驗(yàn)中對(duì)SCR系統(tǒng)的性能提升效果進(jìn)行進(jìn)一步研究.

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)是在一臺(tái)四缸增壓中冷柴油機(jī)上進(jìn)行的，柴油機(jī)參數(shù)見表1.實(shí)驗(yàn)采用的SCR為固體SCR.SCR和DOC基本參數(shù)見表2.

表2 SCR和DOC基本參數(shù)

試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的NOx用AMA4000廢氣分析儀來測量，AMA4000對(duì)NOx的測量原理為化學(xué)發(fā)光法(CLD).試驗(yàn)中使用的測功機(jī)為DynasHT350型號(hào)的電力測功機(jī).試驗(yàn)中各儀器設(shè)備見表3.

表3 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

本試驗(yàn)擬研究不同的中冷溫度對(duì)SCR性能的影響.文中中冷溫度指進(jìn)氣中冷器出口處空氣的最高溫度，根據(jù)《HJ 689-2014-城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》，參考值為(45±5)℃，或由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供[4]，本次試驗(yàn)中通過在額定點(diǎn)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量的方法使中冷溫度最終穩(wěn)定在45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃，在循環(huán)進(jìn)行過程中，冷卻介質(zhì)流量不變.為了保證試驗(yàn)的一致性，每次試驗(yàn)之前都先讓發(fā)動(dòng)機(jī)熱浸10 min，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定之后開始試驗(yàn).試驗(yàn)過程中,測量柴油機(jī)在WHTC循環(huán)中SCR催化器前和SCR催化器后NOx的排放，每個(gè)中冷溫度下進(jìn)行了3次有效試驗(yàn).在各個(gè)中冷溫度下得到的NOx排放為3次試驗(yàn)的平均值.試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 中冷溫度的提升對(duì)排氣溫度的影響

圖4反映了中冷溫度對(duì)柴油機(jī)WHTC循環(huán)排氣溫度的影響，隨著中冷溫度的升高，排氣溫度呈升高趨勢.圖5顯示各中冷溫度下WHTC循環(huán)的平均排溫，中冷溫度為45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃時(shí)，平均排溫分別為238.5 ℃、240.1 ℃、241.5 ℃、242.7 ℃.中冷溫度從45 ℃上升到60 ℃渦輪出口端循環(huán)平均溫度上升了6 ℃.

圖4 中冷溫度對(duì)排溫的影響

圖5 不同中冷溫度下WHTC循環(huán)平均排溫

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果圖4和仿真結(jié)果圖1,在一個(gè)WHTC循環(huán)中溫度的變化趨勢大致相同，但是試驗(yàn)結(jié)果中溫度上升的趨勢沒有仿真結(jié)果明顯.隨著中冷溫度的上升，試驗(yàn)中循環(huán)平均溫度相比仿真結(jié)果更低，提升的幅度也沒用仿真明顯.仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因可能是：GT-Power中的燃燒模型和散熱模型不能精確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的燃燒和散熱狀態(tài)；實(shí)際試驗(yàn)中柴油機(jī)工作過程可能會(huì)改變周圍大氣參數(shù)，也可能會(huì)對(duì)最終的結(jié)果造成影響.

圖4中可以看出WHTC循環(huán)中，在柴油機(jī)渦后溫度比較低的工況區(qū)，中冷溫度對(duì)渦后溫度的影響要比渦后溫度高的工況區(qū)明顯.

2.2.2 中冷溫度的提升對(duì)NOx排放的影響

在不同中冷溫度下，分別測出在同一WHTC循環(huán)中SCR催化器前的NOx排放和SCR催化器后的NOx排放，排放結(jié)果見圖6和圖7.

圖6 不同中冷溫度下SCR前NOx排放

圖7 不同中冷溫度下SCR后NOx排放

按式(1)可以得到WHTC循環(huán)NOx的循環(huán)平均排放值M，見表4.

(1)

式中：M為NOx的摩爾質(zhì)量，m1為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量；m2為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗；v為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體摩爾體積22.4 g/mol；ρ為排氣的密度；T為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

由表4可以看出，SCR催化器前后的NOx都與進(jìn)氣中冷溫度有關(guān)，隨著進(jìn)氣中冷溫度的升高，SCR催化器前NOx排放增加，但是SCR催化器后NOx排放反而變小.中冷溫度從45℃提高到60℃，即提高15 ℃后，柴油機(jī)WHTC循環(huán)下NOx原排提高了0.114 g/kW·h，相比原來提高了1.53%；當(dāng)SCR系統(tǒng)開始工作后NOx反而降低了0.098 g/kW·h，相比原來降低了3.86%；SCR效率從65.81%提高到67.56%提高了1.25%.對(duì)NOx的降低比較明顯，在WHTC循環(huán)中，中冷溫度升高15 ℃，NOx下降3.62%.

表4 不同中冷溫度下WHTC循環(huán)平均NOx排放

在WHTC循環(huán)中，城市工況占49.6%，郊區(qū)工況占26%，高速工況占24.3%[8].其中，城市工況占的比例大，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣溫度低，SCR催化器的平均溫度也低.如圖8所示為SCR平均溫度曲線，如果選取WHTC循環(huán)中401 s～1 200 s作為城市工況控制區(qū)研究該控制區(qū)內(nèi)，中冷溫度對(duì)NOx排放的影響，在該區(qū)域內(nèi)SCR催化器前后NOx排放以及SCR效率如表5.

圖8 不同中冷溫度下SCR平均溫度

表5 不同中冷溫度下WHTC循環(huán)低負(fù)荷區(qū)內(nèi)NOx的平均排放

中冷溫度45℃50℃55℃60℃SCR前NOx/[g·(kW·h)-1]7439749675267562SCR后NOx/[g·(kW·h)-1]2676257925172478SCR效率6403%6559%6656%6723%

對(duì)比表4和表5中的數(shù)據(jù)，所選取控制區(qū)的800 s內(nèi)，提升中冷溫度對(duì)SCR效率的提升更加明顯，中冷溫度從45 ℃到60 ℃提高15 ℃,SCR效率上升3.2%，NOx下降7.4%.

3 結(jié) 論

仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，從45 ℃到60 ℃中冷溫度的提升能夠有效提高增壓中冷柴油機(jī)的渦后溫度;渦后溫度的提升能夠有效提高SCR催化劑的平均溫度，從而使SCR對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率得到提升，可以有效降低NOx的排放; 在所選取的城市工況控制區(qū)內(nèi)，中冷溫度的提升對(duì)SCR催化器性能的提升更加明顯.

本次試驗(yàn)所用的柴油機(jī)后處理主要針對(duì)NOx，沒有考慮中冷溫度的提升對(duì)PM等污染物的影響.在實(shí)際應(yīng)用上，為了減少NOx的排放，廠家在汽車制造過程中可以稍微減少水循環(huán)冷卻水流量或者在中冷器冷卻水入口加裝節(jié)流裝置來使中冷溫度得到提高.

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Impact of Intercooled Inlet Temperature on NOx Emission ofHeavy-duty Diesel Engine

LI Zi-di1,2, TAN Jian-wei1,2, GE Yun-shan1,2, LI Jia-qiang1,2,CHEN Wei1,2, WANG Shi-jie3

(1.National Lab of Auto Performance and Emission Test, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China; 2. Collaborative Innovation Center Electric Vehicles in Beijing ,Beijing 100081,China; 3. Faurecia Emission Control Technologies, Shanghai, 201107,China)

A method to reduce the NOx emission from a heavy-duty diesel engine is proposed by increasing the intake temperature of its intercooler. The model of the engine is built in GT-Power, and the relationship between the intake and exhaust temperatures is studied based on the World Harmonized Transient Cycle (WHTC). The simulation results show that the average temperature of the turbine outlet will increase by 12℃, if the temperature of the intercooler rises of 15℃. With the aid of the engine bench test, the effect of the rise in exhaust temperature on the WHTC is verified with the increase of the intercooler temperature, and the influence of the intercooler temperature on both the NOx emission and the Selective Catalytic Reduction (SCR) properties are studied. The testing results show that, during the whole WHTC, if the intercooler temperature rises of 15℃, the average exhaust temperature of the cycle will increase by 5℃, the NOx emission will reduce by 3.6%, and the SCR efficiency will improve by 1.8%. Under the low load conditions with a low SCR average temperature on the WHTC, the NOx emission is even lower 7.4% and the deNOx efficiency of SCR increases by 3.2%.

heavy-duty diesel engine (HDDE); selective catalytic reduction (SCR); NOx emission; low temperature condition; intercooler temperature; deNOx efficiency ; GT-Power

1009-4687(2016)04-0012-05

2016-9-19

李紫帝(1992-)，男，研究方向?yàn)橹匦蛙嚺欧欧较?

TK421+.5

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