中冷后進(jìn)氣溫度對重型柴油機(jī)NOX排放性能的影響分析

焦文健，田剛，葉平雄，胡克容，張靳杰

中冷后進(jìn)氣溫度對重型柴油機(jī)NOX排放性能的影響分析

焦文健，田剛，葉平雄，胡克容，張靳杰

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

中冷后進(jìn)氣溫度是影響選擇性催化還原（SCR）轉(zhuǎn)化效率的重要因素。文章以一臺某廠家重型柴油機(jī)為研究對象，在發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)上運(yùn)行世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）工況，通過全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）檢測排氣中原機(jī)NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。結(jié)果表明，當(dāng)排氣溫度為42～62 ℃時，提高中冷后進(jìn)氣溫度能夠有效提高增壓中冷柴油機(jī)的排氣溫度，但也使得原始排氣中的NOX排放值增大；排氣溫度的提升使得SCR的轉(zhuǎn)化效率得以提升，但由于原始排氣中NOX排放值的增大，SCR的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。

重型柴油機(jī)；CVS；NOX排放性能；中冷后進(jìn)氣溫度

增壓技術(shù)廣泛地應(yīng)用于優(yōu)化柴油機(jī)的各方面性能，同時也使排放污染物NOX的排放水平[1-7]顯著提高。為了解決NOX的排放問題，目前最普遍的處理方法是采用增壓中冷技術(shù)，因此，增壓中冷后進(jìn)氣溫度就成為柴油機(jī)運(yùn)行必須控制的邊界參數(shù)[8-10]。

生態(tài)環(huán)境部于2018年正式發(fā)布了國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，與國V標(biāo)準(zhǔn)相比，除了規(guī)定的試驗工況更加接近實際運(yùn)行工況，排放物限值的要求也更加嚴(yán)格，即NOX排放限值僅為國V的1/5。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）是目前應(yīng)用較為廣泛的重型柴油機(jī)排放性能提升技術(shù)，其基本原理是NOX在高溫環(huán)境下，通過催化劑的作用選擇性地催化還原成氮?dú)夂退?，從而達(dá)到降低NOX排放的目的[11]。中冷后進(jìn)氣溫度是影響SCR轉(zhuǎn)化效率的重要因素。

1 試驗系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)置

試驗測試系統(tǒng)包含發(fā)動機(jī)臺架試驗所必需的測功機(jī)系統(tǒng)、油耗儀及燃油溫控系統(tǒng)、冷卻水控制系統(tǒng)、進(jìn)氣空調(diào)以及排放測試設(shè)備等，如表1所示。

表1 試驗系統(tǒng)設(shè)備表

儀器設(shè)備型號廠家 電力測功機(jī)AVL ASM 3000/1.8-4.5AVL 油耗儀及燃油溫控系統(tǒng)AVL 735S+753CAVL 進(jìn)氣空調(diào)AVL CONSYSAIR 3600AVL 冷卻水溫控系統(tǒng)KJR-SHW400康吉潤 全流稀釋采樣系統(tǒng)AVL SESAM i60AVL 單路直采排放柜MEXA-ONE-C1HORIBA 中冷器 自主研制

試驗發(fā)動機(jī)為某壓燃式增壓中冷柴油機(jī)，后處理型式為氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+壁流式顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）+SCR+氨氣氧化催化器（Ammonia Slip Cata- lyst, ASC）。試驗用來采樣的排放測試設(shè)備為某全流稀釋采樣系統(tǒng)（Constant Volume Sampling Sys- tem, CVS），測量精度≤2%。該系統(tǒng)使用兩級稀釋系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)排氣在稀釋通道內(nèi)通過初級稀釋混合后，還可以通過二級稀釋空氣對其再次稀釋，稀釋空氣為經(jīng)過處理后的溫度恒定潔凈空氣。試驗最終選擇的CVS流量為45 m3/min，此時的初級稀釋比為4.413 8。在其他試驗條件不變的前提下，將二級稀釋流量設(shè)置為10 L/min，初級流量設(shè)為55 L/min進(jìn)行試驗，總稀釋比分別為5.394 6。試驗流程嚴(yán)格按照《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691－2018）的要求進(jìn)行進(jìn)氣溫度和濕度、進(jìn)氣壓力阻力、排氣背壓、中冷壓差及溫度，以及冷卻水溫度等邊界參數(shù)測量。傳感器的安裝位置按《汽車發(fā)電機(jī)性能試驗方法》（GB/T 18297－2001）規(guī)定確定，除中冷后進(jìn)氣溫度以外的邊界參數(shù)按GB 17691－2018以及發(fā)動機(jī)備案參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

按照GB 17691－2018的要求，試驗前8 h內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行泄露檢查，試驗前10 min開啟稀釋系統(tǒng)，對零氣和量距氣對分析儀進(jìn)行標(biāo)定檢查。試驗中檢查所有儀器設(shè)備是否正常運(yùn)行，檢查污染物測量值超出分析儀對應(yīng)量程，檢查分析儀相關(guān)溫度要求超出設(shè)定要求。試驗結(jié)束后30 min內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)的氣袋分析，以及對氣體分析儀使用量程的零點(diǎn)和距點(diǎn)使用相同零氣和量距氣進(jìn)行檢查。

2 試驗方案

根據(jù)GB 17691－2018的要求，選擇同時進(jìn)行發(fā)動機(jī)原機(jī)排放測試和催化還原后的排放測試，原機(jī)排放選擇在后處理前段直采測量，催化還原后的排放測量選擇稀釋連續(xù)積分測量。試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗研究不同的中冷后進(jìn)氣溫度對排氣污染物NOX的影響，參考GB 17691－2018的要求以及企業(yè)對試驗用柴油機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度的要求，適當(dāng)拓寬范圍選擇中冷后進(jìn)氣溫度在42～62 ℃取點(diǎn)進(jìn)行試驗。試驗用中冷器可通過調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)流量，以及調(diào)控未通過熱交換器的氣體流量兩種方式來控制中冷后的進(jìn)氣問題。按照GB 17691－2018的要求冷卻介質(zhì)溫度不能低于20 ℃，本次試驗選擇控制未通過熱交換器氣體流量的方式來調(diào)節(jié)中冷后進(jìn)氣溫度。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗過程中，測量柴油機(jī)在GB 17691－2018中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)（WHTC循環(huán)）中的原機(jī)NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 中冷后進(jìn)氣溫度對其他參數(shù)影響

中冷后進(jìn)氣溫度的變化對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度、缸內(nèi)壓力、發(fā)動機(jī)功率以及排氣溫度都有一定影響。中冷溫度對柴油機(jī)WHTC循環(huán)排氣溫度的影響明顯，圖2為中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應(yīng)溫度下的平均排溫。可以看出，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，平均排氣溫度呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖2 不同中冷溫度下的WHTC循環(huán)平均排氣溫度

究其原因，柴油機(jī)的壓縮過程可以視為絕熱壓縮過程，就是將壓縮功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，隨著進(jìn)入缸內(nèi)的空氣溫度升高，壓縮完成時的工質(zhì)溫度也相應(yīng)提高，進(jìn)而提高缸內(nèi)的燃燒溫度，最終導(dǎo)致排氣溫度提高。

3.2 中冷后進(jìn)氣溫度對NOX排放影響

3.2.1原始NOX排放

在用風(fēng)門控制時實際功率百分比為217.2/355=0.61，查《2010版鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》表6-12《各種控制方式下根基功率消耗相對值》得：采用變頻調(diào)速后的功率百分比為23%。

圖3反映了中冷后進(jìn)氣溫度對柴油機(jī)WHTC循環(huán)原始排氣中氣體污染物NOX的影響，中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應(yīng)溫度下的原始排氣中氣體污染物NOX的排放值。由圖3可以看出，隨著中冷溫度的升高，原始排氣中氣體污染物NOX的排放值呈上升趨勢。

圖3 不同中冷溫度下的WHTC循環(huán)原始NOX排放

究其原因，中冷后溫度升高，噴油時缸內(nèi)溫度升高，燃料燃燒反應(yīng)加快，缸內(nèi)最高燃燒溫度升高，NOX生成反應(yīng)持續(xù)時間更長，從而帶來NOX排放增大。

3.2.2催化還原后NOX排放

圖4反映了中冷后進(jìn)氣溫度對柴油機(jī)WHTC循環(huán)催化還原后氣體污染物NOX的影響，中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應(yīng)溫度下催化還原后的氣體污染物NOX的排放值。由圖4可以看出，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，催化還原后的氣體污染物NOX的排放值呈下降趨勢。待中冷后進(jìn)氣溫度上升至一定溫度后，隨著溫度的升高，催化還原后的氣體污染物NOX的排放值逐漸呈上升的趨勢。

圖4 WHTC循環(huán)催化還原后NOX排放和SCR轉(zhuǎn)換效率

根據(jù)SCR催化器前NOX排放值和SCR催化器后的NOX排放值，計算出SCR轉(zhuǎn)化效率在不同中冷后進(jìn)氣溫度試驗中的數(shù)值變化如圖4所示，可以看出隨著溫度的增高，SCR轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

綜合分析可以看出，隨著中冷后進(jìn)氣溫度的升高，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度也呈現(xiàn)升高趨勢，進(jìn)而使排氣溫度升高，而SCR的轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度密切相關(guān)，提高排氣溫度使SCR的轉(zhuǎn)化效率得以提升。但持續(xù)提高中冷后進(jìn)氣溫度會使NOX的原始排放增加，因此，過高的中冷后進(jìn)氣溫度反而會使SCR的轉(zhuǎn)化效率降低，增加了SCR催化器后的NOX的排放值。

4 其他實驗室對比數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗證結(jié)果是否具有普遍性，在其他試驗中更換另一臺國Ⅵ發(fā)動機(jī)和后處理系統(tǒng)進(jìn)行試驗。按照同樣的試驗程序進(jìn)行，選擇中冷后進(jìn)氣溫度為42、45、48、50、52、54、57、60 ℃，對應(yīng)柴油機(jī)WHTC循環(huán)的平均排氣溫度、原始排氣中氣體污染物NOX排放值以及催化還原后的氣體污染物NOX排放值如表2所示?？梢钥闯?，趨勢和前一次試驗一致。

表2 比對試驗數(shù)據(jù)

參數(shù)參數(shù)值 中冷溫度/℃4245485052545760 排氣溫度/℃282.3285.6289.4291.7293.8296.1299.6304.1 原機(jī)NOX排放/[g?(kWh)-1]9.919.949.979.9910.0110.0310.0610.09 催化還原后NOX排放/[g?(kWh)-1]0.9320.9020.8750.8930.9170.9480.9761.012 SCR轉(zhuǎn)化效率/%90.690.991.291.190.890.690.389.9

5 結(jié)論

兩次試驗均表明，中冷溫度為42～62 ℃時，提高中冷后進(jìn)氣溫度能夠有效提高增壓中冷柴油機(jī)的排氣溫度，但也使得原始排氣中的NOX排放值增大，排氣溫度的提升使得SCR的轉(zhuǎn)化效率得以提升。但由于原始排氣中NOX排放值的增大，使得SCR的轉(zhuǎn)化效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

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Effect Analysis of Intercooled Inlet Temperature on NOXEmission Performance of Heavy Duty Diesel Engine

JIAO Wenjian, TIAN Gang, YE Pingxiong, HU Kerong, ZHANG Jinjie

( CATARC Automotive Inspection Center (Wuhan) Company Limited, Wuhan 430056, China )

The temperature of intercooled inlet is an important factor affecting the conversion efficiency of selective catalytic reduction (SCR).Taking a heavy duty diesel engine from a certain manufacturer as the research object, world harmonized transient cycle (WHTC) working condition is run on the engine bench test system,and the NOXemission of the engine in exhaust and that of the SCR catalytic converter are detected by constant volume sampling system (CVS) full-current dilu- tion sampling system in this paper.The results show that when the intercooled inlet temperature is in 42～62℃, the exhaust temperature of supercharged and intercooled diesel engine can be effectively improved by increasing the inlet temperature of intercooled diesel engine, but it also increases the NOXemission in the original exhaust, and the increase of exhaust temperature improves the conversion efficiency of SCR. However, due to the increase of NOXemission in the original exhaust, the conversion efficiency of SCR first increases and then decreases.

Heavy duty diesel engine;CVS;NOXemission performance;Intercooled inlet temperature

U464.11+5

A

1671-7988(2023)18-78-04

焦文?。?991－），男，碩士，工程師，研究方向為發(fā)動機(jī)排放測試，E-mail:jiaowenjian@catarc.ac.cn。

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司所內(nèi)課題（202111）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.016