國六排放循環(huán)熱浸狀態(tài)對發(fā)動機排放性能影響研究

王元真 陳雄 戴麗紅 彭夢姣 姜江

摘 ?要：國家排放法規(guī)對發(fā)動機排放性能測試方法進行了明確的規(guī)定，且對各種排放物的排放水平均進行了嚴格的限制。本文通過對《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段GB17691-2018）》標準中排放循環(huán)測試方法進行解析，對標準規(guī)定的關(guān)鍵因素進行對應(yīng)控制，研究WHTC試驗在不同熱浸狀態(tài)下發(fā)動機性能相關(guān)參數(shù)變化及對排放水平的影響。結(jié)果表明冷熱WHTC雙循環(huán)試驗的熱浸狀態(tài)不同，主要對NOx排放水平會產(chǎn)生一定的影響，對發(fā)動機性能排放標定及開發(fā)工作有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：WHTC;熱浸;排放NOx

中圖分類號：U463 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1005-2550（2022）02-0066-04

Research on Impact of Hot Dip State of G6 Emission Cycle on

Engine Emission Performance

WANG Yuan-zhen， CHEN Xiong， DAI Li-hong， PENG Meng-jiao， JIANG Jiang

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technology Center， Wuhan 430058， China）

Abstract： The national emission regulations clearly stipulate the engine emission performance test method， and strictly restrict the emission level of various emissions. In this paper， the emission cycle test method in the standard 《Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles（CHINA Ⅵ）》was analyzed， and the key factors specified in the standard were controlled accordingly to study the change of engine performance parameters and the impact on emission level under different hot immersion conditions in WHTC test. The results show that the different hot immersion conditions during cold-hot dual WHTC test mainly affect the NOx emission level， which has a certain significance for guiding the emission calibration and development of engine performance.

Key Words： WHTC; hot immersion; emission; NOx

著中國特色社會主義經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家交通道路運輸業(yè)也日益發(fā)達;同時也對物流運輸提出了更高的要求。柴油發(fā)動機因具有動力性強、可靠性穩(wěn)定優(yōu)點，在長途物流運輸中有著重要的地位。經(jīng)濟發(fā)展同時伴隨而來的環(huán)境污染問題也引起了國家的高度重視，大力提倡綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展;汽車保有量的不斷提升，使其排放物也成為城市污染物的主要來源之一[1]。為匹配經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境保護需求，中國在不同階段針對汽車排放制定了相關(guān)的測量方法及排放水平限值標準，其中GB17691-2018標準規(guī)定在2021年7月1日開始對柴油發(fā)動機正式實施國六排放標準，給各大生產(chǎn)企業(yè)帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。柴油發(fā)動機國六排放標準與前期國五等標準相比，要求排放物水平控制更低、測試條件要求更多、更加嚴格[2]。

柴油發(fā)動機因柴油特性及其運行機理原因，其主要排放物為NOx和PM（碳煙顆粒）。當(dāng)前柴油機主流普遍采用高壓共軌噴射技術(shù)，有效加強了柴油霧化效果，且隨著技術(shù)不斷發(fā)展和突破，大型柴油機的共軌壓力控制水平越來越高;匹配渦輪增壓技術(shù)，進一步提升柴油機進氣流量水平，使柴油與空氣充分混合，提升了柴油發(fā)動機的燃燒效率水平，抑制PM排放的生成[3]。NOx排放物主要是由于柴油機在高溫富氧情況下生成，通過采用EGR技術(shù)可以有效缸內(nèi)溫度的提升從而降低NOx排放水平[4]。但僅僅采用上述路線，發(fā)動機排放水平不能滿足國六排放水平，必須匹配對應(yīng)的后處理應(yīng)用技術(shù)。采用DOC+DPF可以高效的降低柴油機PM排放水平;通過SCR技術(shù)可以對NOx排放物進行還原轉(zhuǎn)換，最終可以使系統(tǒng)排放水平達成相關(guān)法規(guī)要求[4]。影響后處理技術(shù)轉(zhuǎn)換效率的環(huán)境因素較多，所以國家排放法規(guī)對排放循環(huán)試驗的控制條件進行了嚴格的控制，以保證排放法規(guī)排放水平的嚴格有效性。本文通過對《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段GB17691-2018）》進行解讀，結(jié)合某款發(fā)動機進行WHTC循環(huán)排放水平進行測試，研究WHTC循環(huán)在不同熱浸狀態(tài)下系統(tǒng)排放的水平，結(jié)果表明WHTC循環(huán)試驗的熱浸狀態(tài)對熱態(tài)WHTC循環(huán)的NOx排放物可以產(chǎn)生一定的影響;對其他排放物基本無明顯影響，為發(fā)動機性能開發(fā)標定工作提供了一定的指導(dǎo)方向。

1 ? ?試驗樣機

本文采用某款國六發(fā)動機進行試驗研究，該發(fā)動機燃油系統(tǒng)采用高壓共軌技術(shù)，且利用EGR技術(shù)以降低NOx原始排放水平，具體配置信息如表1：

圖1為該發(fā)動機系統(tǒng)配置布置，增壓器出口至DOC入口排氣段采用對應(yīng)的包裹技術(shù)以保證排氣溫降;后處理系統(tǒng)利用DOC及DPF來降低PM排放水平，通過SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換NOx排放以保證系統(tǒng)排放水平控制，通過ASC來捕捉逃逸的氨氣。

2 ? ?試驗過程介紹

國六排放法規(guī)對冷熱WHTC試驗環(huán)境控制條件有嚴格要求，冷態(tài)WHTC試驗要求發(fā)動機需充分冷浸，其水溫機油溫度不能超過30℃水平;試驗過程中環(huán)境溫度需要控制在25℃水平，完成冷態(tài)WHTC試驗后進入熱態(tài)WHTC循環(huán)，需進行10分鐘的熱浸。

圖2為該發(fā)動機循環(huán)工況運行點，WHTC試驗發(fā)動機循環(huán)工況主要布置在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速區(qū)域，且低負荷工況點占比較多。又因該循環(huán)為瞬態(tài)排放循環(huán)，不利于排氣溫度控制，會導(dǎo)致SCR溫度較低;SCR溫度對NOx轉(zhuǎn)換效率有著明顯的影響，從而導(dǎo)致該循環(huán)排放水平控制難度較大。

WHTC循環(huán)熱浸過程中SCR系統(tǒng)會產(chǎn)生熱損失從而導(dǎo)致SCR溫度降低，影響SCR轉(zhuǎn)換NOx效果。不同的熱浸狀態(tài)會對SCR的熱損失產(chǎn)生不同的影響，本文采用兩種狀態(tài)下對比分析熱浸狀態(tài)對WHTC瞬態(tài)排放結(jié)果的影響。首先對原機進行冷熱WHTC試驗，以判斷發(fā)動機的狀態(tài)水平;其次進行冷熱WHTC系統(tǒng)排放試驗，熱浸過程中關(guān)閉室內(nèi)風(fēng)機以避免強風(fēng)吹掃SCR造成過多熱量損失，以驗證該狀態(tài)下WHTC試驗循環(huán)排放水平（定義為熱浸A）;再次進行冷熱WHTC試驗，熱浸過程中采用室內(nèi)風(fēng)機強吹掃SCR系統(tǒng)，以驗證該狀態(tài)下系統(tǒng)排放水平（定義為熱浸B）。對比分析這兩種熱浸狀態(tài)下后處理狀態(tài)及系統(tǒng)排放水平，以研究不同熱浸狀態(tài)對柴油機WHTC試驗循環(huán)排放水平的影響。

3 ? ?試驗結(jié)果

3.1 ? 原機排放結(jié)果

表2為該發(fā)動機WHTC循環(huán)試驗原機排放水平，其各項排放水平均處于正常范圍內(nèi)。圖3為熱態(tài)WHTC試驗循環(huán)發(fā)動機排氣溫度。WHTC循環(huán)試驗主要為城市道路、市郊道路、高速道路工況，從圖3可以看出在熱態(tài)WHTC循環(huán)前0～600s范圍內(nèi)發(fā)動機排氣溫度處于較低水平，該區(qū)間工況點NOx系統(tǒng)排放水平控制難度較高。

3.2 ? 熱浸A試驗結(jié)果

熱浸狀態(tài)A過程中，發(fā)動機試驗間室內(nèi)風(fēng)機為關(guān)閉狀態(tài)，表3為該狀態(tài)下WHTC冷熱態(tài)試驗循環(huán)相關(guān)排放物的試驗結(jié)果，可以看出各項排放物均滿足GB17691-2018中國六排放污染物的限值要求。在此熱浸狀態(tài)下進行WHTC循環(huán)排放試驗效果良好。

3.3 ? 熱浸B試驗結(jié)果

熱浸狀態(tài)B過程中發(fā)動機試驗間室內(nèi)風(fēng)機為吹掃SCR系統(tǒng)狀態(tài)，表4為該狀態(tài)下WHTC試驗循環(huán)冷熱態(tài)相關(guān)排放物試驗結(jié)果。由表4可以看出除NOx排放外其余各排放物均滿足GB17691-2018中國六排放水平限值要求，表明熱浸狀態(tài)主要對NOx排放水平存在明顯的影響，對其他排放物影響較低。

根據(jù)國六法規(guī)循環(huán)要求，WHTC系統(tǒng)排放采用冷熱加權(quán)結(jié)果進行計算，冷態(tài)占比為0.14水平，熱態(tài)占比為0.86水平，所以最終排放物水平最主要取決于熱態(tài)WHTC排放水平[5]。由表3、表4對比分析可以看出，熱浸A狀態(tài)下熱態(tài)WHTC試驗NOx排放水平僅為294mg/（kWh）水平;但在熱浸B狀態(tài)下NOx排放水平高至501mg/（kWh）排放水平，導(dǎo)致最終系統(tǒng)排放超高。

3.4 ? 對比分析

圖4為不同熱浸狀態(tài)下熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx系統(tǒng)排放濃度對比分析圖，通過該圖可以看出在不同熱浸狀態(tài)下WHTC循環(huán)系統(tǒng)排放NOX排放變化趨勢基本一致，但是熱浸A的NOx排放水平明顯低于熱浸B狀態(tài)。試驗過程300～600s區(qū)間段的NOx排放水平最高，熱態(tài)B最高水平可以達到850ppm水平。

圖5為不同熱浸狀態(tài)下SCR系統(tǒng)床溫對比圖，在試驗循環(huán)前段部分SCR床溫趨于下降趨勢，主要原因為冷態(tài)WHTC系統(tǒng)排放結(jié)束后SCR溫度較高且存在熱容，進入熱態(tài)WHTC循環(huán)后在該工況段發(fā)動機排氣溫度較低引起SCR床溫下降。尤其在試驗循環(huán)400s左右SCR床溫出現(xiàn)低谷，此時其轉(zhuǎn)換效率最低，故出現(xiàn)NOx排放峰值。SCR轉(zhuǎn)換效率存在轉(zhuǎn)折點，當(dāng)其溫度高于某一限值時其轉(zhuǎn)換效率會快速升高，但低于該限值時SCR轉(zhuǎn)換效率很低或者為0，該特性由SCR的還原催化反應(yīng)特性決定，溫度過低其催化轉(zhuǎn)換反應(yīng)未被激活。本文所用SCR轉(zhuǎn)換效率的轉(zhuǎn)折點溫度大概在200～220℃，為敏感溫度區(qū)域范圍;另SCR系統(tǒng)尿素噴射速率與其床溫相關(guān)，但溫度過低為防止NH3逃逸水平過高其噴射速率會有所降低，故在前600s工況范圍內(nèi)，SCR床溫對其轉(zhuǎn)換效率有決定性的影響。熱浸B狀態(tài)下強風(fēng)吹掃SCR系統(tǒng)，導(dǎo)致其在熱浸過程中冷卻過快;在WHTC循環(huán)前段工況發(fā)動機排溫相對較低無法有效提升SCR床溫，故熱浸溫度損失對該工況段的SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率有決定性的作用。

圖6為不同熱浸狀態(tài)下尿素噴射速率，在熱浸A狀態(tài)下整個熱態(tài)WHTC循環(huán)消耗尿素244.6g，在熱浸B狀態(tài)下熱態(tài)WHTC循環(huán)消耗尿素220.3g，與熱浸A狀態(tài)相比尿素消耗量降低8.2%水平，更進一步不利于SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換NOx排放。

4 ? ?結(jié)論

本文對兩種WHTC試驗熱浸狀態(tài)下試驗循環(huán)進行對比分析，結(jié)果表明熱浸狀態(tài)主要影響SCR系統(tǒng)溫度損失從而對其轉(zhuǎn)換效率存在一定的影響，同時對尿素噴射速率也產(chǎn)生影響從而最終影響NOx排放水平。WHTC試驗過程中熱浸過程需嚴格按照法規(guī)要求進行控制，對發(fā)動機性能排放標定及開發(fā)工作有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

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[3]趙偉.國Ⅵ汽油車顆粒物排放后處理應(yīng)對策略[J]，汽車維護與修理，2021（2）;7～10.

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[5]GB 17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

王元真

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)能源動力工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，任責(zé)任工程師，主要研究發(fā)動機性能標定優(yōu)化和臺架試驗方法，已發(fā)表論文《船舶柴油機主動隔震監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計》。

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