不同中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)中NOx排放的影響

孫景震 向亦華 熊衛(wèi)東

摘要：指出了汽車中占比不高的柴油車排放的NOx權(quán)重占比高達(dá)60%，隨著汽車產(chǎn)量的增加，為增強(qiáng)人民的藍(lán)天幸福感，如何減少柴油機(jī)中NOx排放已經(jīng)成為主要研究內(nèi)容。不同的中冷系統(tǒng)直接影響中冷后進(jìn)氣溫度進(jìn)而影響NOx排放，主要介紹了兩種不同的中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)中的NOx排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在ETC試驗(yàn)循環(huán)中，二級(jí)中冷系統(tǒng)的NOx比排放比一級(jí)中冷系統(tǒng)的NOx比排放低20%，且中冷后的進(jìn)氣溫度對(duì)工況的敏感度較低。

關(guān)鍵詞：中冷系統(tǒng);中冷溫度;NOx排放;ETC循環(huán)

中圖分類號(hào)：U464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0233-02

1?引言

隨著我國向城鎮(zhèn)化及工業(yè)化轉(zhuǎn)化速度的加快，我國的汽車產(chǎn)業(yè)也隨之增長迅速，2019年的中國移動(dòng)環(huán)境管理年報(bào)顯示我國已經(jīng)連續(xù)十年成為世界機(jī)動(dòng)車產(chǎn)銷第一大國。汽車保有量的增加，帶來了更嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題。其中，占比只有7.9%的柴油貨車排放了60%的NOx，因此如何減少柴油機(jī)中的NOx排放已成為重中之重。

為堅(jiān)決打贏柴油機(jī)減排污染攻堅(jiān)戰(zhàn)，增強(qiáng)人民群眾的藍(lán)天幸福感，國家生態(tài)環(huán)境部于2005年頒布了GB17691-2005 《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(cè)量方法（ 中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段） 》標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用ETC（歐洲瞬態(tài)循環(huán)）測(cè)量重型柴油機(jī)污染物排放量[1]。汽車在工作過程中處于中低轉(zhuǎn)速負(fù)荷區(qū)域及怠速的工況居多，ETC工況循環(huán)正契合發(fā)動(dòng)機(jī)多變的工況。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于ETC工況中影響NOx排放的因素進(jìn)行了大量研究以期望減少重型柴油機(jī)中的NOx排放[2～5]。中冷后進(jìn)氣溫度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成及燃燒過程，從而對(duì)排放產(chǎn)生較大的影響。目前采用的中冷器系統(tǒng)可將中冷后溫度控制在45 ℃左右。為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，有必要研究不同的中冷形式對(duì)柴油機(jī)的ETC循環(huán)排放影響。

本文主要采用了兩種中冷系統(tǒng)，分別為一級(jí)中冷系統(tǒng)及二級(jí)中冷系統(tǒng)。一級(jí)中冷系統(tǒng)直接采用外循環(huán)水對(duì)增壓進(jìn)氣中冷，二級(jí)中冷系統(tǒng)通過自然外循環(huán)水冷卻控制內(nèi)循環(huán)水，內(nèi)循環(huán)水再去進(jìn)行中冷進(jìn)氣溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)調(diào)節(jié)中冷系統(tǒng)，使中冷后進(jìn)氣溫度調(diào)整為45 ℃，然后固定中冷水循環(huán)閥門開度。通過對(duì)比兩種中冷系統(tǒng)，更好地研究中冷系統(tǒng)對(duì)排放中NOx的影響，以期為降低柴油機(jī)中NOx排放提供依據(jù)。

2?測(cè)試循環(huán)及測(cè)試設(shè)備

本文研究對(duì)象為一款3.0L的帶SCR后處理的增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

測(cè)功機(jī)設(shè)備主要為德國Horiba公司進(jìn)口350kw交流電力測(cè)功機(jī)，氣體分析儀為日本Horiba研制的最新的Mexa One 系列全流稀釋分析儀，NOx測(cè)量原理為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的化學(xué)發(fā)光法（CLD）。油耗儀采用AVL公司生產(chǎn)的740，進(jìn)氣流量計(jì)為上海同圓發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FMT700-P。

3?試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ETC工況主要分為三段，每段時(shí)間為600s，第一段為模擬轉(zhuǎn)速和扭矩變化較大的市區(qū)循環(huán)構(gòu)成，第二段為模擬轉(zhuǎn)速和扭矩變化較小的郊區(qū)路段構(gòu)成，第三段為模擬轉(zhuǎn)速幾乎不變，扭矩變動(dòng)較小的高速路段組成。Mexa One分析儀通過連續(xù)采取三段中的NOx信號(hào)積分求得最后的污染物測(cè)量值[6]。

在相同的邊界條件下，除中冷系統(tǒng)不同外，相同的實(shí)驗(yàn)人員通過兩次實(shí)驗(yàn)循環(huán)最后測(cè)得的結(jié)果為：一級(jí)中冷系統(tǒng)NOx比排放值為2.05 g/kW·h，二級(jí)中冷系統(tǒng)NOx比排放值為1.65 g/kW·h。結(jié)果表明二級(jí)中冷系統(tǒng)最終測(cè)得NOx排放比一級(jí)中冷系統(tǒng)低20%。圖1為兩種中冷系統(tǒng)在整個(gè)循環(huán)中的實(shí)時(shí)排放濃度，由圖可知，兩種中冷系統(tǒng)NOx排放的差異主要體現(xiàn)在1200s之前，即出現(xiàn)在模擬的市區(qū)及郊區(qū)循環(huán)路段。 尤其是在前600s階段，兩種中冷系統(tǒng)的排放差異更大。

實(shí)驗(yàn)中直接影響NOx排放結(jié)果的因素為中冷后進(jìn)氣溫度，由于中冷后進(jìn)氣溫度的不同間接導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度、進(jìn)氣充量系數(shù)、排氣溫度、SCR的噴射效率及催化器的催化效率不同，最后導(dǎo)致排放的不同。圖2為不同中冷系統(tǒng)下ETC循環(huán)進(jìn)氣溫度圖，由圖可知，前1200s一級(jí)中冷系統(tǒng)的中冷后進(jìn)氣溫度低于二級(jí)中冷系統(tǒng)中冷后進(jìn)氣溫度的幅度較大，在1200s之后，兩者差距變小。在整個(gè)循環(huán)過程中，二級(jí)中冷系統(tǒng)的中冷后進(jìn)氣溫度受工況變化的影響較小，中冷后進(jìn)氣溫度更加穩(wěn)定。一級(jí)中冷系統(tǒng)的中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)工況變化比較敏感，而且在整個(gè)循環(huán)過程中，溫度都偏低于二級(jí)中冷系統(tǒng)。

中冷進(jìn)氣溫度高會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣充量系數(shù)降低，缸內(nèi)燃燒溫度過高，排氣溫度也會(huì)隨之變高。圖3為不同中冷系統(tǒng)下ETC循環(huán)渦后排氣溫度，從圖中可以看出，在整個(gè)ETC循環(huán)中，二級(jí)中冷系統(tǒng)的渦后排氣溫度都高于一級(jí)中冷系統(tǒng)，且平均溫度高9 ℃。

通過以上分析雖然二級(jí)中冷系統(tǒng)中冷后進(jìn)氣溫度提高，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度提高，原機(jī)NOx排放值會(huì)增加，但是由于排氣溫度的提高會(huì)導(dǎo)致SCR系統(tǒng)起噴時(shí)間也會(huì)加快，催化器起作用的窗口也會(huì)更加的寬廣，因此最終二級(jí)中冷系統(tǒng)的NOx比排放值會(huì)降低。在此過程中，SCR后處理對(duì)NOx比排放的降低遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中冷后進(jìn)氣溫度升高導(dǎo)致NOx比排放增加。一級(jí)中冷系統(tǒng)，由于進(jìn)氣溫度的偏低，充量系數(shù)會(huì)高于二級(jí)中冷系統(tǒng)，缸內(nèi)富氧條件滿足，導(dǎo)致產(chǎn)生的NOx排放升高，另外由于排氣溫度的降低導(dǎo)致SCR后處理進(jìn)入高效區(qū)窗口的時(shí)間延遲且處于高效區(qū)工作的時(shí)間變短，最終導(dǎo)致一級(jí)中冷系統(tǒng)的NOx比排放值偏大。

4?結(jié)論

（1）采用不同的中冷系統(tǒng)會(huì)直接影響中冷后進(jìn)氣溫度，間接的影響渦后排氣溫度和尿素噴射區(qū)后處理高效區(qū)起作用時(shí)間。

（2）二級(jí)中冷系統(tǒng)的中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)ETC工況的敏感度較小，測(cè)出的NOX比排放值比一級(jí)中冷系統(tǒng)高20%。

（3）采用二級(jí)中冷系統(tǒng)的中冷后進(jìn)氣溫度高于一級(jí)中冷系統(tǒng)，渦后排氣溫度會(huì)隨中冷后進(jìn)氣溫度的增加而增加，進(jìn)入尿素高效率區(qū)和后處理高效率工作區(qū)的時(shí)間隨中冷進(jìn)氣溫度的提高變得更快也更長。

參考文獻(xiàn)：

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