中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)國(guó)六柴油機(jī)NOx排放的影響

王軍，張磊，樊志梟，張希杰，耿磊，王遠(yuǎn)景

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司，山東濰坊 261061；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

車用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)是目前最成熟的重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)，可使柴油機(jī)滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時(shí)具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，已在國(guó)內(nèi)外重型柴油機(jī)市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

增壓中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)性能影響較大，中冷后進(jìn)氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致充氣效率下降，影響柴油機(jī)功率；中冷后氣溫過(guò)低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣溫度較低，影響柴油機(jī)燃燒溫度及排氣溫度，從而影響SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率[4-5]。

1 仿真及結(jié)果分析

在GT-power環(huán)境中進(jìn)行柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度熱力學(xué)仿真，熱力學(xué)模型如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

圖1 柴油機(jī)熱力學(xué)仿真模型

選定穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)為功率81 kW、轉(zhuǎn)速2300 r/min和功率75 kW、轉(zhuǎn)速1800 r/min，模擬中冷后進(jìn)氣溫度分別為30、35、40、45、50、55、60 ℃時(shí)柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度均逐漸升高。柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度的升高導(dǎo)致原機(jī)NOx排放升高，渦輪后排溫的升高有助于提高SCR后處理系統(tǒng)的入口溫度[6-10]。

a)功率81 kW、轉(zhuǎn)速2300 r/min b) 功率75 kW、轉(zhuǎn)速1800 r/min圖2 不同工況下柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度模擬結(jié)果

2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

圖3 臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)

為更好地對(duì)比中冷后進(jìn)氣溫度的差異對(duì)排放結(jié)果的影響，本次試驗(yàn)選擇功率和排氣量相對(duì)較小的2.3 L機(jī)型進(jìn)行排放試驗(yàn)。按照文獻(xiàn)[11]中試驗(yàn)工況和試驗(yàn)條件要求進(jìn)行世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)排放循環(huán)測(cè)試。臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)布置如圖3所示。

采用二級(jí)中冷系統(tǒng)，分別將標(biāo)定工況中冷后進(jìn)氣溫度控制在30、40、50 ℃，固定中冷進(jìn)水閥門開(kāi)度，控制其他邊界條件不變，多次進(jìn)行WHTC循環(huán)，測(cè)量記錄噴尿素前后NOx排放、渦輪后排溫等參數(shù)。

分別采用中冷一級(jí)中冷系統(tǒng)、中冷二級(jí)中冷系統(tǒng)，固定中冷器循環(huán)水閥門開(kāi)度不變，進(jìn)行一天中不同時(shí)刻WHTC排放試驗(yàn)，觀察環(huán)境溫度變化對(duì)WHTC中冷后氣溫的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)WHTC排放的影響

原機(jī)NOx排放試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 排放結(jié)果對(duì)比表

標(biāo)定工況中冷后進(jìn)氣溫度控制在30、40、50 ℃，對(duì)應(yīng)的WHTC原機(jī)NOx排放結(jié)果分別為5.88、6.02、6.14 g/(kw·h)。隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，NOx原機(jī)排放結(jié)果也有所升高。

3.1.2 WHTC循環(huán)NOx尾排結(jié)果對(duì)比

WHTC循環(huán)試驗(yàn)在尾氣中NOx的體積分?jǐn)?shù)、尿素噴射速率、排氣溫度、中冷后進(jìn)氣溫度結(jié)果分別見(jiàn)圖4～7。

圖4 WHTC瞬態(tài)循環(huán)NOx體積分?jǐn)?shù) 圖5 WHTC瞬態(tài)循環(huán)尿素噴射速率

由圖4可見(jiàn)，NOx排放主要出現(xiàn)在WHTC循環(huán)前700 s，該區(qū)域排溫較低，尿素噴射較少且催化劑未達(dá)到最佳工作溫度，導(dǎo)致NOx體積分?jǐn)?shù)較高。對(duì)比不同中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果， 隨著中冷進(jìn)氣溫度的升高，循環(huán)中總的尿素噴射量增加，NOx體積分?jǐn)?shù)隨之降低。雖然中冷后進(jìn)氣溫度的升高也帶來(lái)原機(jī)NOx一定程度的升高,但國(guó)六噴射策略中尿素噴射速率能夠隨原機(jī)NOx體積分?jǐn)?shù)的變化而相應(yīng)調(diào)整。中冷后進(jìn)氣溫度升高后，排氣溫度升高，SCR噴射系統(tǒng)尿素能更快起噴，同時(shí)催化劑能夠更快進(jìn)入高效窗口區(qū)域，從而能夠提高SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，降低NOx排放結(jié)果。

圖6 WHTC瞬態(tài)循環(huán)排氣溫度 圖7 WHTC瞬態(tài)循環(huán)中冷后氣溫

當(dāng)中冷進(jìn)氣溫度為30 ℃時(shí)，NOx體積分?jǐn)?shù)最高，這是因?yàn)橹欣浜筮M(jìn)氣溫度過(guò)低后導(dǎo)致排氣溫度過(guò)低，使得在300～400 s區(qū)域工況未達(dá)到尿素噴射條件造成尿素未噴射，從而導(dǎo)致該部分區(qū)域NOx排放較高。

3.2 兩種不同冷卻系統(tǒng)中冷后進(jìn)氣溫度及排放結(jié)果對(duì)比

分別采用一級(jí)中冷系統(tǒng)、二級(jí)中冷系統(tǒng)在一天不同時(shí)段進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證兩種中冷系統(tǒng)對(duì)WHTC瞬態(tài)排放循環(huán)中冷后氣溫的影響。固定中冷器進(jìn)水閥門開(kāi)度，控制其他邊界條件一致，在一天中早、中、晚3個(gè)固定時(shí)刻進(jìn)行熱態(tài)WHTC循環(huán)。兩種系統(tǒng)試驗(yàn)獲得的各循環(huán)中冷后氣溫如圖8所示。

a)一級(jí)中冷系統(tǒng) b)二級(jí)中冷系統(tǒng)圖8 中冷后氣溫變化

由圖8可見(jiàn)，采用一級(jí)中冷系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，3個(gè)時(shí)段的中冷后平均進(jìn)氣溫度差異較大，分別為18.3、21.2、25.6 ℃。采用一級(jí)中冷系統(tǒng)時(shí)，中冷器內(nèi)冷卻液主要來(lái)自冷卻水箱，溫度受環(huán)境溫度影響較大，早上溫度較低，冬季時(shí)一般低于20 ℃，此時(shí)中冷后進(jìn)氣溫度也比較低；隨著氣溫的上升和系統(tǒng)的持續(xù)工作，冷卻水箱內(nèi)水溫逐漸升高，中冷后進(jìn)氣溫度也逐漸升高。

采用二級(jí)中冷系統(tǒng)時(shí)，由第二級(jí)中冷系統(tǒng)中冷凍液對(duì)一級(jí)中冷器中的冷卻液進(jìn)行冷卻，能夠較好的控制中冷器中冷卻液溫度，當(dāng)中冷器進(jìn)水閥門開(kāi)度固定時(shí)，前后幾次WHTC循環(huán)試驗(yàn)，中冷后進(jìn)氣溫度變化不大。采用二級(jí)中冷系統(tǒng)能夠較好地保證WHTC循環(huán)的排放一致性和正常尿素噴射需要的排氣溫度。

4 結(jié)論

1)中冷后進(jìn)氣溫度能夠影響柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，缸內(nèi)最高燃燒溫度和排氣溫度均上升。

2)隨著中冷后進(jìn)氣溫度的提高，WHTC循環(huán)的原機(jī)NOx排放升高；中冷后氣溫影響WHTC循環(huán)的排氣溫度和尿素噴射量。中冷后進(jìn)氣溫度過(guò)低，循環(huán)中部分工況低于尿素噴射溫度下限，導(dǎo)致尿素不噴射，NOx排放升高。

3)采用一級(jí)中冷系統(tǒng)時(shí)，中冷后進(jìn)氣溫度受外界環(huán)境影響較大，難以保證連續(xù)WHTC循環(huán)試驗(yàn)中冷后進(jìn)氣溫度的一致性；建議采用二級(jí)中冷系統(tǒng)保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性和有效性。