提高柴油機排氣溫度方法對比分析

張朝陽，仲昆

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

隨著人們環(huán)保意識的提高，國家加大了對車輛排放的控制力度。根據(jù)自身的技術(shù)特長和生產(chǎn)經(jīng)驗，重型柴油機生產(chǎn)企業(yè)正在采取各種措施以達到更為嚴格的排放要求。為實現(xiàn)歐Ⅳ排放,柴油機采用的主要后處理技術(shù)包括冷卻廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation， EGR)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)和選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)。EGR技術(shù)與DPF共同使用，通過EGR技術(shù)來降低NOx排放，再通過DPF來降低顆粒物(particulate matter，PM)排放。應(yīng)用SCR技術(shù)主要為了獲得最大的NOx轉(zhuǎn)化率。首先通過機內(nèi)凈化，使顆粒物排放達到歐Ⅳ排放要求；其次通過SCR后處理系統(tǒng)降低NOx，以達到歐IV 排放標準。相同條件下，溫度越高，SCR催化轉(zhuǎn)化器的效率越高，DPF的再生效率越高[1]。如果要滿足高效SCR和DPF再生要求，就需要發(fā)動機有較好的排溫熱管理方法。而現(xiàn)有排溫熱管理方法多種多樣且復(fù)雜，針對排溫熱管理技術(shù)的研究就更加重要。

鄭貴聰?shù)萚1]研究在發(fā)動機臺架上進氣節(jié)流閥和排氣蝶閥對排溫的影響，結(jié)果顯示，排放循環(huán)下進氣節(jié)流閥不僅溫升效果好，油耗也稍低于排氣蝶閥。王琦瑋等[2]研究了利用電加熱裝置和燃燒器提升排氣溫度和實現(xiàn)DPF主動再生?？軅鞲籟3]采取推遲主噴定時、節(jié)氣門、渦前和渦后保溫等措施后，發(fā)動機冷態(tài)世界統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)循環(huán)溫升94.3 ℃，熱態(tài)WHTC循環(huán)溫升53.9 ℃。劉光義等[4]試驗研究了采用后噴、增大可變幾何渦輪增壓器(variable geometry turbocharger，VGT)開度和利用進氣門晚關(guān)提升SCR后處理器溫度。王建[5]利用發(fā)動機臺架試驗研究了控制噴油參數(shù)對缸內(nèi)排氣溫度的影響，提出各區(qū)域升溫噴油控制策略。曹政[6]研究表明，DPF再生觸發(fā)時采用排氣熱管理策略后，DPF入口溫度能迅速提升且能滿足DPF再生溫度要求。莊健[7]研究了適當控制節(jié)氣門開度實現(xiàn)柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)入口溫度250 ℃以上時HC正常起燃。余永華[8]研究發(fā)現(xiàn)，在滿足低排放和低油耗的前提下，僅靠單一排氣熱管理措施難以提高排溫,須兩種或兩種以上措施合理匹配、共同作用。李海慶[9]通過試驗顯示，中冷器冷卻水的控制可作為進氣節(jié)流閥提高排溫時的一種有效補充手段。唐蛟[10-11]利用發(fā)動機臺架試驗研究了中低負荷穩(wěn)態(tài)工況下進氣節(jié)流閥、噴油提前角、噴射壓力和后噴等排氣熱量管理主動控制措施對排氣溫度的影響；并指出DPF主動再生時，通過進氣節(jié)流閥和后噴相結(jié)合的排氣溫度控制措施，DOC前的平均排氣溫度可提高到320 ℃左右，實現(xiàn)了DPF連續(xù)快速再生。魏紅玲[12]指出熱態(tài)EGR不僅能提升發(fā)動機排氣溫度，還能大幅度降低NOx排放。金釗等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在低速小負荷工況下，與帶增壓器的柴油機相比，自然吸氣狀態(tài)的柴油機夠提升排氣溫度，轉(zhuǎn)速越高負荷越大，升溫能力越明顯。

1 提升排氣溫度方法

排氣熱管理措施很多，但是各有優(yōu)缺點。目前常用的提高排氣溫度的方式為：節(jié)流閥、排氣背壓、非冷卻EGR、軌壓后噴。這些方式主要通過降低進氣量或提高噴油量使燃燒不充分，從而提高排氣溫度。

節(jié)流閥安裝在進氣管前，通過減小進氣量提升排溫。排氣背壓方式是在渦輪增壓器后安裝節(jié)流閥，通過減小排氣量增大進氣阻力，減小進氣量，提升排溫。非冷卻EGR在冷卻EGR技術(shù)基礎(chǔ)上去掉EGR冷卻器，直接將渦前廢氣引入氣缸，利用廢氣比熱大、溫度高的特點，減小進氣量，提高進氣溫度，提高排溫。軌壓后噴方式包含軌壓和后噴兩種方法，軌壓方法通過降低燃燒時的噴油壓力，使得燃燒時燃油的霧化效果降低，使燃燒不充分，起到提升排溫的作用；后噴方法是通過推遲噴油，將一部分燃油在主噴后噴射，由于噴油時刻過晚導(dǎo)致燃燒不充分，大量的熱未完全做功即被排到排氣管中,從而提高排氣溫度。由于軌壓和后噴方法效果相對較弱，研究過程中將兩種方式進行結(jié)合，統(tǒng)一用軌壓后噴表示。

2 穩(wěn)態(tài)對比

2.1 試驗方案

表1 試驗工況點

選擇某款增壓中冷電控高壓共軌柴油機為研究對象，采取的技術(shù)路線是EGR+DOC+DPF+SCR，柴油機進氣端布置節(jié)流閥，SCR后端布置排氣節(jié)流閥[14]。

試驗工況如表1所示，選取3個不同轉(zhuǎn)速低負荷工況點，分別調(diào)節(jié)進氣節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥、EGR閥開度，標定后噴油量、后噴時刻和軌壓，得到排溫與油耗、廢氣量、NOx比排放的影響關(guān)系。

2.2 試驗結(jié)果

圖1為各工況下排溫與油耗率的關(guān)系曲線。由圖1可知，非冷卻EGR方式對油耗影響最小，而且提高排溫的能力也最?。卉墘汉髧姺绞綄τ秃挠绊懽畲?但提高排溫的能力很小;節(jié)流閥和排氣背壓方案提升排溫的能力最大，節(jié)流閥對油耗的影響比排氣節(jié)流閥小。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖1 各工況下排溫與油耗率關(guān)系

SCR系統(tǒng)不僅要關(guān)注起始溫度，還要關(guān)注整個SCR系統(tǒng)的加熱時間。溫度相同時，廢氣流量決定SCR的加熱時間。4種熱管理方案廢氣流量的對比如圖2所示。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖2 各工況下排溫與廢氣量關(guān)系

由圖2可知，節(jié)流閥、排氣背壓和非冷卻EGR通過降低廢氣量或降低進氣量方式起到提升排溫的效果；由于噴油量的增多軌壓后噴，增壓器作功能力增強，進氣量增大，燃燒溫度變化不大，排溫提升有限。相對于排氣背壓，節(jié)流閥在相同排溫情況下廢氣量少，故將SCR全部加熱時間變長。

4種方案下排溫與NOx排放的關(guān)系如圖3所示。節(jié)流閥和排氣背壓對NOx排放基本無影響，而軌壓后噴方案和非冷卻EGR方案NOx排放物的生成能夠隨著排溫的降低而降低。

a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖3 各工況下排溫與NOx排放的關(guān)系

3 瞬態(tài)對比

車輛正常駕駛循環(huán)下發(fā)動機大部分時間以瞬態(tài)工況運行為主，如何能夠在發(fā)動機開始運行時迅速提升排氣溫度，并且短時間內(nèi)將SCR系統(tǒng)完全加熱極為重要。非冷卻EGR和軌壓后噴方案提升排溫能力有限，故只對比進、排氣背壓在瞬態(tài)工況下的表現(xiàn)。瞬態(tài)對比采用在冷態(tài)下、在相同時間內(nèi)加速到同一工況，檢測排溫隨時間的變化并記錄油耗。瞬態(tài)對比如圖4所示。

由于采用自然冷卻的方式，起始溫度無法統(tǒng)一，但由圖4可知，相對于節(jié)流閥，排氣背壓能夠更快地加熱后處理系統(tǒng)。

為了避免起始溫度不一致對兩種加熱方法的影響，可以將起始溫度進行統(tǒng)一分析，則圖4即可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5。

由圖5可知，排氣背壓方式較節(jié)流閥方式能夠更快的完成后處理系統(tǒng)加熱。節(jié)流閥方式SCR后溫度到達150 ℃需790 s，累計油耗1069.2 g；而排氣背壓方式達到150 ℃需610 s，累計油耗914 g。排氣背壓方式較節(jié)流閥方式快180 s，油耗減少155.2 g。即排氣背壓方式雖然在穩(wěn)態(tài)工況油耗更高，但加熱后處理時間更短，所以能夠使用最低的油耗將后處理系統(tǒng)完全加熱。

圖4 節(jié)流閥和排氣背壓瞬態(tài)對比 圖5 起始溫度統(tǒng)一后瞬態(tài)對比

4 結(jié)論

通過對比節(jié)流閥、排氣背壓、非冷卻EGR和軌壓后噴等4種提升排溫方案，表明非冷卻EGR對油耗影響最小但提升排溫能力也最差，而軌壓后噴方式對油耗影響最大且提升排溫能力較差；相對節(jié)流閥方式，排氣背壓方式能夠更快更省地將后處理系統(tǒng)完全加熱。