重型國VI柴油車后處理器溫度場研究

李會，徐秀，楊含笑，孫寧輝，劉凡，王強(qiáng)

重型國VI柴油車后處理器溫度場研究

李會，徐秀，楊含笑，孫寧輝，劉凡，王強(qiáng)

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

重型柴油發(fā)動機(jī)渦輪增壓器后的排氣溫度可以達(dá)到530℃左右，考慮發(fā)動機(jī)到后處理器排氣管路的溫降，排氣到達(dá)后處理器后，內(nèi)部排氣溫度依然最高可達(dá)520℃以上，而其殼體表面溫度約為250℃左右，這對于重型車機(jī)艙熱管理以及整車布置依然是一個不小的挑戰(zhàn)。通過對后處理器內(nèi)部與外部溫度在極限工況下進(jìn)行試驗測試，探究其溫度場分布及溫降趨勢，以及隔熱措施的效用，研究成果對相關(guān)從業(yè)人員具有參考意義。

后處理器；溫度場；國VI；布置

前言

重型柴油車因其優(yōu)異的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性越來越受到各大主機(jī)廠的青睞，但同時因其整車造型以及降風(fēng)阻的需要，普遍存在布置空間緊湊，機(jī)艙散熱較差等客觀不足。后處理器作為關(guān)鍵的熱源之一，國VI法規(guī)發(fā)布以后，各廠家為了滿足排放要求，后處理器均采用雙層保溫結(jié)構(gòu)，其表面溫度從國V階段的500℃左右降至250℃左右，但由于沒有確定的測試數(shù)據(jù)或者后處理器溫度場分布可供參考，在整車進(jìn)行各系統(tǒng)布置時，很難在布置空間優(yōu)化、零部件的熱損害風(fēng)險以及隔熱措施的合理選用之間取得最優(yōu)方案。本研究通過對某重型柴油車進(jìn)行整車熱平衡臺架試驗，測試在極限工況下，后處理器溫度場分布、溫降趨勢以及隔熱措施的實際效用。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本次試驗在整車試驗臺架上進(jìn)行，通過“水力測功機(jī)”連接軸與整車傳動軸連接，操作臺通過控制水力測功機(jī)中水流量的大小來模擬對整車的負(fù)載，進(jìn)而可以將發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)至某一工況。整車參數(shù)與發(fā)動機(jī)參數(shù)分別參見表 1、表 2。

表1 整車參數(shù)

表2 發(fā)動機(jī)參數(shù)

1.2 試驗方法

發(fā)動機(jī)在額定點或扭矩點達(dá)到其最極限工況，本次試驗通過調(diào)節(jié)水力測功機(jī)，將發(fā)動機(jī)分別調(diào)節(jié)到這兩種工況，然后通過對比分析這兩種工況下后處理器溫度場的差異，選擇較為惡劣的一個工況進(jìn)行后處理器溫度場研究。

為測試后處理器內(nèi)部與外部的溫度分布，分別在渦輪增壓器后排氣管、后處理器表面、距離后處理器30、60、160以及距離后處理器30的金屬隔熱板后布置溫度傳感器，同時同步采集后處理器DOC_in、SCR_out溫度傳感器的溫度值，分別作為后處理器進(jìn)、出氣口的溫度。對應(yīng)的傳感器布置示意圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器布置示意圖

1.3 試驗條件

本次試驗測試在整車熱平衡條件下進(jìn)行，即冷卻風(fēng)扇直連、節(jié)溫器常開、空調(diào)調(diào)到最大冷卻、后處理器禁止主動再生。在實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)后處理器周圍溫度場達(dá)到平衡所需的時間要比發(fā)動機(jī)冷卻液熱平衡所需的時間更長，所以我們適當(dāng)延長發(fā)動機(jī)達(dá)到熱平衡后的數(shù)據(jù)采集的時間到600s以上，使發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度達(dá)到平衡。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 整車工況分析

按上述試驗方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并制作成圖線，功率點和扭矩點的發(fā)動機(jī)工況數(shù)據(jù)分別如圖 2，圖 3所示。

圖2 功率點發(fā)動機(jī)工況數(shù)據(jù)

圖3 扭矩點發(fā)動機(jī)工況數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示，本次試驗環(huán)境溫度為25℃，整車達(dá)到熱平衡以后，功率點和扭矩點發(fā)動機(jī)冷卻液出水溫度分別為81℃、83℃，說明扭矩點發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷更大。

2.2 排氣溫度分析

發(fā)動機(jī)功率點和扭矩點排氣溫度測試數(shù)據(jù)分別見圖4、圖5，提取各測點的有效最高溫度，數(shù)據(jù)見表3。我們可以看到，發(fā)動機(jī)扭矩點工況下在各測點的排氣溫度較功率點低約20℃，功率點和扭矩點排氣管路的溫降分別為5℃、4℃，后處理器內(nèi)部排氣溫降均為2℃。

圖4 功率點排氣溫度

圖5 扭矩點排氣溫度

表3 有效最高排氣溫度數(shù)據(jù)

2.3 后處理器表面溫度

本次試驗測試的功率點和扭矩點后處理器表面溫度數(shù)據(jù)分別見圖 6、圖 7?？梢钥吹焦β庶c和扭矩點的最高表面溫度分別為246℃、245℃，表面溫度相當(dāng)。

圖6 功率點后處理器表面溫度

圖7 扭矩點后處理器表面溫度

2.4 后處理器溫度場分析

綜合分析2.1-2.3試驗結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)功率點排氣溫度較扭矩點高20℃的情況下，而后處理器的表面溫度卻相當(dāng)，說明扭矩點發(fā)動機(jī)艙的熱負(fù)荷更大，我們這次選取在扭矩點工況下來研究后處理器外部的溫度場分布。采集的溫度數(shù)據(jù)如圖 8所示，提取各測點的有效最高溫度，數(shù)據(jù)見表4。

分析數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，距離后處理器表面30mm，溫度可迅速從245℃降到101℃，溫降較為明顯。當(dāng)距離繼續(xù)增大，溫降幅度顯著減小，約為5℃/30mm。增加簡單的隔熱措施（厚度為3mm的金屬板），隔熱效果較為明顯，同樣的間距下較沒有隔熱措施多降溫14.5℃。

圖8 后處理器溫度場數(shù)據(jù)

表4 測溫點數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）發(fā)動機(jī)扭矩點工況下，機(jī)艙熱負(fù)荷更大，對于分析后處理器外部的極限溫度場更具代表性。

（2）距離后處理器表面較小的間距，溫降幅度明顯，例如本試驗，距離30mm溫度可以降到100℃左右，基本滿足大部分非金屬零部件的耐溫要求。繼續(xù)加大與后處理器的間距，溫降不再明顯。

（3）簡單的隔熱措施對于溫降有顯著效果，在空間不夠，或者零部件耐溫不滿足要求的情況下可考慮使用。

Rearch on Aftertreatment Temperature Field of China VI Heavy Duty Vehicles

Li Hui, Xu Xiu, Yang Hanxiao, Sun Ninghui, Liu Fan, Wang Qiang

( Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

The exhaust temperature after heavy duty engine turboc-harger can rearch 530℃ or so.Considering the tempera -ture drop of the exhaust pipe from the engine to the Aftertreatment,the internal exhaust temperature in Aftertreatment can still exceed 520℃,and thesurface temperature of Aftertreatment is about 250℃,which is still achallenge to the thermal management of the Underhood and the layout of the whole vehicle.Through the ultimate working conditiontest of the inner and outer temperature of the Aftertreatment,we studied the temperature field, temperature drop trend and effect of heat insulation measures.The research results have certain referencesto relevant practitioners.

Aftertreatment device; Temperature field; China VI; Layout

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.025

U464

A

1671-7988(2021)03-83-03

U464

A

1671-7988(2021)03-83-03

李會，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，研究方向：車輛排氣系統(tǒng)設(shè)計。