國(guó)六柴油機(jī)排氣熱管理技術(shù)試驗(yàn)研究

孟令軍，王月華，趙文輔，高宇航，張寶坤

中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司，吉林長(zhǎng)春 130011

0 引言

隨著國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)[1]的逐步實(shí)施，對(duì)排氣污染物的要求更加嚴(yán)格，柴油機(jī)排氣污染物主要是氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulate matter, PM)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)大幅加嚴(yán)了NOx和PM排放的限值。為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)一步降低排放，柴油機(jī)普遍采用了選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)等排氣后處理系統(tǒng)。后處理系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)排氣溫度和排放物濃度非常敏感，排氣溫度直接影響SCR系統(tǒng)的效率。中、輕型柴油機(jī)排量小，排氣溫度較低，城市工況下SCR系統(tǒng)效率普遍較低，甚至可能失效。

柴油機(jī)采用排氣熱管理技術(shù)提升排氣溫度有利于提高SCR的效率和DPF的再生，但會(huì)增加燃油消耗和排放物中碳煙的含量，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控進(jìn)行標(biāo)定，優(yōu)化和合理使用排氣熱管理技術(shù)。本文中主要研究進(jìn)氣節(jié)流、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)和燃油后噴3種發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱管理技術(shù)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究和分析柴油機(jī)低速、低負(fù)荷、低排溫工況下3種技術(shù)最優(yōu)的控制方式，在兼顧油耗和動(dòng)力性的同時(shí)，有效提升排氣溫度。

1 試驗(yàn)設(shè)備及研究方案

1.1 樣機(jī)和測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)樣機(jī)為某國(guó)產(chǎn)4缸柴油機(jī)，在柴油機(jī)進(jìn)氣管路前端安裝進(jìn)氣空調(diào)和空氣濾清器，保證進(jìn)氣質(zhì)量，控制進(jìn)氣溫度、濕度恒定；柴油機(jī)進(jìn)氣管路外接中冷器，控制增壓后的進(jìn)氣溫度不超過50 ℃；在進(jìn)氣管安裝節(jié)流閥和EGR系統(tǒng)；柴油機(jī)增壓器出口連接后處理器總成，連接的排氣管路按照整車應(yīng)用的尺寸和形式安裝。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)方法及測(cè)試設(shè)備嚴(yán)格按照國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)室環(huán)境采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：室溫為25 ℃，進(jìn)氣相對(duì)濕度為50%，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)采用全套AVL控制臺(tái)架和操作系統(tǒng)，測(cè)試設(shè)備符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求，排放物測(cè)試設(shè)備采用AVL全流稀釋采樣系統(tǒng)，試驗(yàn)測(cè)試的邊界條件參照文獻(xiàn)[2]。試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備型號(hào)如表2所示。

表2 試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備型號(hào)

1.2 試驗(yàn)研究方案

排氣熱管理技術(shù)主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況，發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況下排氣溫度相對(duì)較低，造成后處理系統(tǒng)載體溫度下降，當(dāng)SCR載體溫度過低時(shí)，SCR效率明顯下降，導(dǎo)致排氣污染物中的NOx濃度增大[3]。本文中選取發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷區(qū)的特征工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過提高排氣溫度，提高SCR載體溫度和SCR效率。

分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)工況試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)選取穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized steady-state cycle, WHSC)中的25%最大轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)，瞬態(tài)試驗(yàn)主要考察瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)中的低負(fù)荷區(qū)域[4]。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，通過調(diào)整進(jìn)氣節(jié)流閥、EGR閥和燃油后噴油量，實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣溫度的控制。進(jìn)氣節(jié)流閥不工作時(shí)開度為0，進(jìn)氣管路完全封閉時(shí)進(jìn)氣節(jié)流閥開度為100%；EGR管路不工作時(shí)EGR閥開度為0，EGR管路完全打開時(shí)EGR閥開度為100%。排氣溫度升高也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和原機(jī)排放(發(fā)動(dòng)機(jī)排出的未經(jīng)后處理器處理的氣體)水平，因此需要通過WHTC、WHSC和車載排放測(cè)試系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)循環(huán)驗(yàn)證，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、動(dòng)力性、排氣煙度和NOx濃度等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和對(duì)比分析，使柴油機(jī)采用排氣熱管理技術(shù)后，排放水平既符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求，也盡可能地貼近和符合整車實(shí)際應(yīng)用要求[5]。

2 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)分析

2.1 EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴對(duì)柴油機(jī)性能的影響

EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)的本質(zhì)都是降低空燃比，EGR和進(jìn)氣節(jié)流是通過調(diào)整EGR閥和進(jìn)氣節(jié)流閥開度，控制和減少進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的新鮮空氣量，燃油后噴的目的是增加參與燃燒的燃油量[6]。單獨(dú)使用EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)進(jìn)行WHSC試驗(yàn)，測(cè)試3種技術(shù)單獨(dú)作用時(shí)對(duì)SCR入口溫度(即排氣溫度)、比油耗和排放煙度的影響。

2.1.1 EGR

WHSC穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)選擇25%最大轉(zhuǎn)矩工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1463 r/min，SCR入口溫度、比油耗和煙度隨EGR閥開度變化曲線如圖1所示。

由圖1可知：EGR閥開度從0增大到50%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度都隨之平穩(wěn)增大，其中EGR閥開度為15%～30%時(shí)，SCR入口溫度增長(zhǎng)速度最快，基本呈線性增長(zhǎng)，比油耗也明顯上升；EGR閥開度大于50%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度不再有明顯變化，這是由于EGR閥開度大于50%后，EGR管路基本為全開狀態(tài)，EGR進(jìn)氣量不再有明顯變化，排氣溫度及性能也趨于穩(wěn)定；EGR閥開度為50%時(shí)，SCR入口溫度、比油耗和煙度達(dá)到最高，與EGR閥開度為0時(shí)相比，SCR入口溫度提升18 ℃，比油耗相對(duì)增加了7.1 g/(kW·h)，排氣煙度FSN達(dá)到最高，為0.62。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖1 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨EGR閥開度的變化曲線

2.1.2 進(jìn)氣節(jié)流

SCR入口溫度、比油耗和煙度隨節(jié)流閥開度的變化曲線如圖2所示(實(shí)際應(yīng)用中發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣節(jié)流閥最大開度為95%，進(jìn)氣節(jié)流閥開度大于95%時(shí)，由于空燃比過低發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工作)。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖2 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨節(jié)流閥開度的變化曲線

由圖2可知：進(jìn)氣節(jié)流閥開度從0增大到95%，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度都隨之增大；進(jìn)氣節(jié)流閥開度為0～70%，溫度、比油耗和排氣煙度變化均不明顯，這是由于低負(fù)荷工況的進(jìn)氣量較小，節(jié)流閥開度小幅度變化不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流；節(jié)流閥開度達(dá)到70%時(shí)，比油耗、排氣煙度、排氣溫度開始明顯增加；節(jié)流閥開度為70%～95%是發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況進(jìn)氣節(jié)流閥有效工作區(qū)域，隨著節(jié)流閥開度變大，SCR入口溫度、比油耗和排氣煙度均顯著提高；相對(duì)于初始狀態(tài)(節(jié)流閥開度為0)，節(jié)流閥開度為90%時(shí)SCR入口溫度提升了40 ℃，比油耗增大了8 g/(kW·h)，排氣煙度FSN約增大1；節(jié)流閥開度為95%時(shí)，SCR入口溫度進(jìn)一步提高，但此時(shí)的排氣煙度FSN過高，超過1.25，已不適合實(shí)際應(yīng)用。

2.1.3 燃內(nèi)后噴

固定后噴的噴油提前角對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為上止點(diǎn)后15°，控制每循環(huán)后噴油量從0增大至30 mg，SCR入口溫度、比油耗和煙度隨每循環(huán)后噴油量的變化曲線如圖3所示。

a)SCR入口溫度 b)比油耗 c)煙度 圖3 SCR入口溫度、比油耗和煙度隨每循環(huán)后噴油量的變化曲線

由圖3可知：隨著后噴油量的增加，比油耗和排氣煙度基本呈線性增大，SCR入口溫度也平穩(wěn)上升；每循環(huán)后噴油量為15 mg時(shí)，相對(duì)于初始狀態(tài)(后噴油量為0)，SCR入口溫度提升了21 ℃，比油耗增大了5 g/(kW·h)，排氣煙度FSN增大0.5；當(dāng)每循環(huán)后噴油量大于15 mg后，SCR入口溫度不再明顯上升，但煙度和油耗繼續(xù)增加，這是主噴燃燒消耗了大部分新鮮空氣，后噴燃燒可用的空氣有限，每循環(huán)后噴油量為15 mg時(shí)就已處于低空燃比狀態(tài)。

2.2 熱管理技術(shù)提升排溫效果

國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)普遍采用DPF和SCR的組合方式，既提高排氣溫度，同時(shí)控制排氣煙度。排氣煙度過大會(huì)造成DPF負(fù)荷過重，再生周期短。穩(wěn)態(tài)工況不同排氣煙度時(shí)EGR、進(jìn)氣節(jié)流、燃油后噴3種技術(shù)對(duì)提高排溫效果如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)工況不同煙度時(shí)3種技術(shù)提高排溫效果

由表3可知：同等排氣煙度下，進(jìn)氣節(jié)流提升排氣溫度效果最好，能夠達(dá)到的溫度最高，為225 ℃；EGR提升溫度效果有限，最大為203 ℃；燃油后噴的提升溫度效果介于兩者之間，為209 ℃。穩(wěn)態(tài)工況發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)表明，3種熱管理技術(shù)提升排氣溫度的高效區(qū)域分別是：EGR閥開度為20%～30%；節(jié)流閥開度為70%～90%，每循環(huán)燃油后噴油量為5～15 mg。

3 瞬態(tài)試驗(yàn)分析

3.1 EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴對(duì)排溫和排放的影響

單獨(dú)使用EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴進(jìn)行WHTC試驗(yàn)，測(cè)試使用3種排氣熱管理技術(shù)對(duì)SCR入口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和PM排放的影響[7]。EGR、節(jié)流閥、燃油后噴3種排氣熱管理技術(shù)的WHTC試驗(yàn)冷熱態(tài)加權(quán)測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 3種熱管理技術(shù)的排溫排放物WHTC測(cè)試結(jié)果

由表4可知：?jiǎn)为?dú)使用進(jìn)氣節(jié)流閥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)SCR入口溫度最高，為243 ℃，排放物的控制效果較差(NOx和PM比排放最大)；單獨(dú)使用EGR時(shí)NOx和PM比排放最小，但SCR入口溫度提升效果一般，SCR入口溫度比進(jìn)氣節(jié)流閥低21 ℃，差距明顯；燃油后噴的發(fā)動(dòng)機(jī)平均SCR入口溫度提升效果一般，與EGR相比，燃油后噴SCR入口溫度基本相同，但NOx和PM比排放大幅增加。

3.2 怠速和倒拖工況

瞬態(tài)工況發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和倒拖工況較多，與其它工況不同，此時(shí)噴油量很小，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣多，空燃比大，導(dǎo)致排氣溫度較低[8]，因此怠速和倒拖工況的熱管理策略以保溫為主。怠速和倒拖工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量少，燃燒能量和排氣溫度較低，后處理器載體溫度和后處理效率降低[9]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速(或倒拖)工況快速提升至中、負(fù)荷時(shí)，排氣污染物快速增加，但后處理載體的升溫過程相對(duì)較慢，SCR效率相對(duì)較低，NOx排放容易出現(xiàn)瞬態(tài)峰值，增加尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)[10]。對(duì)于瞬態(tài)試驗(yàn)中排氣溫度較低的怠速和倒拖工況，應(yīng)盡量減少排氣流量，減緩后處理器載體的溫度下降[11]。

圖4 怠速和倒拖工況WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比

EGR和進(jìn)氣節(jié)流都可以有效減少排氣流量：EGR通過使部分排氣回到進(jìn)氣管路，降低最終的排氣流量；進(jìn)氣節(jié)流可直接減少進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的新鮮空氣量，從而減少了排氣流量[12]。怠速和倒拖工況WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比如圖4所示(圖中紅色圓圈位置為怠速和倒拖工況影響區(qū)域)，其中第一次試驗(yàn)不使用EGR和進(jìn)氣節(jié)流，第二次試驗(yàn)綜合使用了EGR和進(jìn)氣節(jié)流。

由圖4可知，怠速和倒拖工況2組試驗(yàn)的SCR入口溫度有明顯區(qū)別。使用EGR和進(jìn)氣節(jié)流可有效減少進(jìn)氣量和排氣量，SCR入口溫度下降緩慢，保溫效果明顯。

3.3 中、低負(fù)荷工況

熱管理提升排氣溫度的主要區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)中、低負(fù)荷工況(低于50%標(biāo)定負(fù)荷)，綜合使用3種排氣熱管理技術(shù)可有效提升排氣溫度。倒拖工況使用大EGR閥開度(40%)和大節(jié)流閥開度(90%)，可有效減少新鮮空氣進(jìn)入氣缸，起到保溫效果；中、低負(fù)荷區(qū)域，應(yīng)使用較小EGR閥開度(<15%)，為節(jié)流閥的使用留出空燃比和煙度的裕度。節(jié)流閥是提升排氣溫度的主要方式，但受整車瞬態(tài)加速性限制，節(jié)流閥開度不能太大，隨著負(fù)荷的提高，節(jié)流閥開度從90%逐漸減少至75%。對(duì)因瞬態(tài)加速限制節(jié)流閥開度的工況，應(yīng)使用燃油后噴補(bǔ)償提升溫度，循環(huán)后噴油量應(yīng)控制為15 mg，后噴油量過大將導(dǎo)致排氣煙度明顯增大。

WHSC、WHTC、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(world not to exceed, WNTE)和PEMS為國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求排放達(dá)標(biāo)的4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)未采用任何排氣熱管理技術(shù)的原機(jī)和綜合采用EGR、節(jié)流閥、燃油后噴3種熱管理技術(shù)后的柴油機(jī)進(jìn)行WHSC、WHTC、WNTE、PEMS試驗(yàn)，柴油機(jī)NOx、PM排放測(cè)試結(jié)果和排放限值如表5所示。

表5 柴油機(jī)NOx和PM排放限值及試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，采用熱管理技術(shù)后的柴油機(jī)NOx和PM比排放均不同程度降低，其中NOx的降低幅度最大，原機(jī)的NOx排放無法達(dá)到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，綜合采用EGR、節(jié)流閥和燃油后噴3種方排氣熱管理技術(shù)后，由于SCR入口溫度和效率提高，NOx比排放顯著降低，柴油機(jī)排放滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求，整車可順利通過環(huán)境溫度為-7 ℃的PEMS試驗(yàn)。

4 結(jié)論

在4缸柴油機(jī)上采用EGR、進(jìn)氣節(jié)流和燃油后噴等排氣熱管理技術(shù)，分別對(duì)穩(wěn)態(tài)小負(fù)荷工況、瞬態(tài)工況和怠速工況進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析熱管理技術(shù)對(duì)SCR入口溫度、油耗、煙度、NOx及PM排放的影響，通過綜合運(yùn)用熱管理技術(shù)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，使NOx排放達(dá)到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求。

1)穩(wěn)態(tài)工況下，采用EGR、進(jìn)氣節(jié)流閥和燃油后噴都可提升排氣溫度，但比油耗和排氣煙度升高；EGR的合理使用范圍是20%～30%，進(jìn)氣節(jié)流閥的合理使用范圍是70%～90%，燃油后噴的合理使用范圍是5～15 mg；同等排氣煙度時(shí)，進(jìn)氣節(jié)流閥提升排氣溫度效果最好，EGR提升排氣溫度效果最差。

2)瞬態(tài)工況下，采用進(jìn)氣節(jié)流的升溫效果最好，但NOx比排放最高；采用EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和PM排放最低，但升溫效果最差；燃油后噴的升溫效果與EGR接近，NOx和PM比排放略高于EGR，適用于瞬態(tài)加速節(jié)流閥使用受限的工況。

3)怠速和倒拖工況下，采用節(jié)流閥和EGR技術(shù)可減少排氣流量，保溫效果明顯。

應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況綜合使用排氣熱管理技術(shù)，使柴油機(jī)瞬態(tài)工況的平均排溫高于SCR系統(tǒng)最低使用溫度，控制NOx及PM比排放達(dá)到國(guó)六排放的要求。