进气中冷温度对柴油机NOx排放性能的影响

李紫帝， 谭建伟， 葛蕴珊， 李加强， 陈 伟， 王世杰

(1.北京理工大学 机械与车辆学院 排放实验室，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.上海弗吉亚排气系统有限公司，上海 201107)

进气中冷温度对柴油机NOx排放性能的影响

李紫帝1,2， 谭建伟1,2， 葛蕴珊1,2， 李加强1,2， 陈 伟1,2， 王世杰3

(1.北京理工大学 机械与车辆学院 排放实验室，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.上海弗吉亚排气系统有限公司，上海 201107)

提出了一种通过提高增压中冷后的进气温度来降低柴油机NOx排放的措施.用GT-Power软件建立发动机的模型，改变进气中冷温度，在基于欧Ⅵ排放法规要求的瞬态测试循环(World Harmonized Transient Cycle, WHTC)下进行了仿真.仿真结果表明：中冷温度提升15℃，涡轮出口端循环平均温度会提高12℃.在发动机台架试验中，验证了中冷温度的提升对WHTC循环排气温度提升的效果，研究了中冷温度的提升对NOx排放以及SCR的性能的影响.实验结果表明：在整个WHTC循环中，中冷温度提升15℃，WHTC循环平均温度可以提高5℃，NOx可以降低3.6%，SCR效率提高1.8%；对于WHTC循环中SCR平均温度低的低负荷工况区，NOx甚至可以降低7.4%，SCR的催化转化效率可以提升3.2%.

重型柴油机;选择性催化系统;氮氧化物排放;低温工况;中冷温度;氮氧化物转换效率;GT-Power

2015年中国机动车污染防治年报表明，2014年我国机动车保有量达到2.46亿辆，其排放的氮氧化物(NOx)达到627.8万吨，其中仅占14.2%的柴油车排放的NOx高达NOx排放总量的70%[1].为了降低城用柴油车的尾气排放对城市空气质量的影响，我国于2005年颁布了GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，引入了ETC(European Transient Cycle)瞬态循环来评估重型车用柴油车的循环工况排放，并且规定了各阶段的排放限值[2].但是实验表明法规排放特性测试结果与整车实际道路测试结果存在很大的差异,实际道路中柴油车的各污染物排放量(尤其是NOx)较高[3].

针对上述问题，环保部在原GB 17691-2005 基础上增加了对城市用柴油车辆的WHTC循环要求，给出了从第Ⅳ阶段开始柴油机WHTC循环各污染物的排放限值，该补充方案于2015年1月1日起开始实施[4].WHTC循环是欧洲Ⅵ阶段排放标准中制定的发动机瞬态循环，相比ETC循环WHTC循环怠速区和低负荷点明显增多，转速、功率、怠速比等循环特征参数和实际道路工况特征参数接近，更能反映出城用柴油车实际道路工况的特征[5-7].

对比WHTC循环和ETC循环，ETC循环中发动机平均转速是额定转速的51%，发动机平均负荷为37%，怠速时间占整个循环时间的6%；而WHTC循环转速和负荷明显下降，3个数值分别为36%、17%和17%.这就导致WHTC循环的催化剂平均温度较低， SCR催化器的效率会有所降低[8].由于SCR催化器的反应效率与反应温度和催化器空速这两个因素有关，可以通过升高催化剂温度和降低催化器空速的方法来提高催化器的反应效率[9].在这个背景下，研究人员提出了一系列能够提高柴油机低温工况下SCR系统效率的方案.比如：加装进气节流阀、改变喷油提前角、改变喷油压力、后喷以及在SCR催化器外表面加装保温材料等柴油机排气热量管理措施，这些措施都能有效提高催化器平均温度，改善柴油机NOx排放[10].

在此基础上，本文以城市车辆用柴油机为研究对象，通过仿真结合实验的方法在WHTC循环工况下研究了进气中冷温度的提升对循环平均排温的提升程度，并在发动机台架试验中研究了中冷温度的提升对SCR催化器平均温度的提升效果以及对SCR系统催化效率的提升效果.试验结论可以为降低车用柴油机NOx排放技术提供参考.

1 仿真及结果分析

1.1 发动机工作过程的模型

仿真在GT-Power环境中进行，所用燃烧模型为零维燃烧模型.

发动机基本参数如表1.

表1 发动机基本参数

根据发动机基本参数建立了发动机的工作过程模型，完成转速800～3 600 r/min全负荷状态下的工作过程模拟.所建立的模型和设置参数比较准确，计算的功率和扭矩最大误差均在5%以内.

1.2 WHTC循环工况的仿真

根据WHTC循环给出的发动机转速及扭矩计算出每秒发动机的功率.在模型中加入基于PID控制的喷油控制模块，喷油器在WHTC循环的转速下通过给定的目标功率来喷油.

在中冷器的温度为45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃的情况下进行仿真，在WHTC循环下涡轮出口端的温度曲线如图1，循环涡轮出口端的平均温度为图2.

图1可以明显的看出，随着中冷温度的提升，WHTC循环平均排气温度有了较大的提升，在低负荷工况下发动机排气温度较低的时候提升的更加明显.图2中显示随着中冷温度的上升15 ℃WHTC循环的发动机涡轮出口平均温度会升高12 ℃左右.

图1 涡轮出口端温度

图2 涡轮出口端循环平均温度

根据仿真结果，中冷温度的提升对WHTC循环的发动机涡轮出口平均温度有较大的提升，对中低负荷工况发动机涡轮出口温度提升明显.由于发动机进气温度的提升会造成NOx原排的上升，所以需要在实验中对SCR系统的性能提升效果进行进一步研究.

2 试验过程

2.1 试验设备及方法

试验是在一台四缸增压中冷柴油机上进行的，柴油机参数见表1.实验采用的SCR为固体SCR.SCR和DOC基本参数见表2.

表2 SCR和DOC基本参数

试验中，发动机产生的NOx用AMA4000废气分析仪来测量，AMA4000对NOx的测量原理为化学发光法(CLD).试验中使用的测功机为DynasHT350型号的电力测功机.试验中各仪器设备见表3.

表3 实验仪器及设备

本试验拟研究不同的中冷温度对SCR性能的影响.文中中冷温度指进气中冷器出口处空气的最高温度，根据《HJ 689-2014-城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法》，参考值为(45±5)℃，或由发动机厂家提供[4]，本次试验中通过在额定点调节冷却介质流量的方法使中冷温度最终稳定在45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃，在循环进行过程中，冷却介质流量不变.为了保证试验的一致性，每次试验之前都先让发动机热浸10 min，发动机各项参数稳定之后开始试验.试验过程中,测量柴油机在WHTC循环中SCR催化器前和SCR催化器后NOx的排放，每个中冷温度下进行了3次有效试验.在各个中冷温度下得到的NOx排放为3次试验的平均值.试验系统如图3所示.

图3 实验测试系统

2.2 试验结果与分析

2.2.1 中冷温度的提升对排气温度的影响

图4反映了中冷温度对柴油机WHTC循环排气温度的影响，随着中冷温度的升高，排气温度呈升高趋势.图5显示各中冷温度下WHTC循环的平均排温，中冷温度为45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃时，平均排温分别为238.5 ℃、240.1 ℃、241.5 ℃、242.7 ℃.中冷温度从45 ℃上升到60 ℃涡轮出口端循环平均温度上升了6 ℃.

图4 中冷温度对排温的影响

图5 不同中冷温度下WHTC循环平均排温

对比试验结果图4和仿真结果图1,在一个WHTC循环中温度的变化趋势大致相同，但是试验结果中温度上升的趋势没有仿真结果明显.随着中冷温度的上升，试验中循环平均温度相比仿真结果更低，提升的幅度也没用仿真明显.仿真结果与试验结果存在差异的原因可能是：GT-Power中的燃烧模型和散热模型不能精确地模拟发动机实际的燃烧和散热状态；实际试验中柴油机工作过程可能会改变周围大气参数，也可能会对最终的结果造成影响.

图4中可以看出WHTC循环中，在柴油机涡后温度比较低的工况区，中冷温度对涡后温度的影响要比涡后温度高的工况区明显.

2.2.2 中冷温度的提升对NOx排放的影响

在不同中冷温度下，分别测出在同一WHTC循环中SCR催化器前的NOx排放和SCR催化器后的NOx排放，排放结果见图6和图7.

图6 不同中冷温度下SCR前NOx排放

图7 不同中冷温度下SCR后NOx排放

按式(1)可以得到WHTC循环NOx的循环平均排放值M，见表4.

(1)

式中：M为NOx的摩尔质量，m1为发动机进气量；m2为发动机油耗；v为标准状况下气体摩尔体积22.4 g/mol；ρ为排气的密度；T为发动机扭矩；n为发动机转速.

由表4可以看出，SCR催化器前后的NOx都与进气中冷温度有关，随着进气中冷温度的升高，SCR催化器前NOx排放增加，但是SCR催化器后NOx排放反而变小.中冷温度从45℃提高到60℃，即提高15 ℃后，柴油机WHTC循环下NOx原排提高了0.114 g/kW·h，相比原来提高了1.53%；当SCR系统开始工作后NOx反而降低了0.098 g/kW·h，相比原来降低了3.86%；SCR效率从65.81%提高到67.56%提高了1.25%.对NOx的降低比较明显，在WHTC循环中，中冷温度升高15 ℃，NOx下降3.62%.

表4 不同中冷温度下WHTC循环平均NOx排放

在WHTC循环中，城市工况占49.6%，郊区工况占26%，高速工况占24.3%[8].其中，城市工况占的比例大，对应的发动机涡后排气温度低，SCR催化器的平均温度也低.如图8所示为SCR平均温度曲线，如果选取WHTC循环中401 s～1 200 s作为城市工况控制区研究该控制区内，中冷温度对NOx排放的影响，在该区域内SCR催化器前后NOx排放以及SCR效率如表5.

图8 不同中冷温度下SCR平均温度

表5 不同中冷温度下WHTC循环低负荷区内NOx的平均排放

中冷温度45℃50℃55℃60℃SCR前NOx/[g·(kW·h)-1]7439749675267562SCR后NOx/[g·(kW·h)-1]2676257925172478SCR效率6403%6559%6656%6723%

对比表4和表5中的数据，所选取控制区的800 s内，提升中冷温度对SCR效率的提升更加明显，中冷温度从45 ℃到60 ℃提高15 ℃,SCR效率上升3.2%，NOx下降7.4%.

3 结 论

仿真和试验结果均表明，从45 ℃到60 ℃中冷温度的提升能够有效提高增压中冷柴油机的涡后温度;涡后温度的提升能够有效提高SCR催化剂的平均温度，从而使SCR对NOx的转化效率得到提升，可以有效降低NOx的排放; 在所选取的城市工况控制区内，中冷温度的提升对SCR催化器性能的提升更加明显.

本次试验所用的柴油机后处理主要针对NOx，没有考虑中冷温度的提升对PM等污染物的影响.在实际应用上，为了减少NOx的排放，厂家在汽车制造过程中可以稍微减少水循环冷却水流量或者在中冷器冷却水入口加装节流装置来使中冷温度得到提高.

[1] Chan C K,Yao X H. Air pollution in mega cities in China[J]. Atmospheric Environment: 2008, 42(1):1-42

[2] 中华人民共和国环境保护部.GB 17691-2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)[S].北京:中国环境出版社，2005.

[3] 孙国华，杜 骞，蒲雨新.循环评价城市中柴油车尾气排放性能的适应性研究[J].小型内燃机与摩托, 2013, 42(5):10-13.

[4] 中华人民共和国环境保护部.HJ 689-2014-城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法(WHTC工况法) [S].北京：中国环境出版社，2014.

[5] 赵国斌，盖永田.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的实验比较与研究[J].汽车工程学报, 2015,5(1)：30-34.

[6] 朱敏霖, 陶泽民, 廖云峰, 等.柴油机应对WHTC循环策略研究 [R]. 玉林, 广西玉柴机器股份有限公司, 2013.

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[8] 郭家栋. 重型车实际道路车载排放测试及排放特性研究[D]. 北京理工大学. 2015.

[9] 刘巽俊.内燃机排放与控制[M]．北京：机械工业出版社, 2002.

[10]帅石金, 唐 韬, 赵彦光, 等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报, 2012,3(3):201-216.

Impact of Intercooled Inlet Temperature on NOx Emission ofHeavy-duty Diesel Engine

LI Zi-di1,2, TAN Jian-wei1,2, GE Yun-shan1,2, LI Jia-qiang1,2,CHEN Wei1,2, WANG Shi-jie3

(1.National Lab of Auto Performance and Emission Test, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China; 2. Collaborative Innovation Center Electric Vehicles in Beijing ,Beijing 100081,China; 3. Faurecia Emission Control Technologies, Shanghai, 201107,China)

A method to reduce the NOx emission from a heavy-duty diesel engine is proposed by increasing the intake temperature of its intercooler. The model of the engine is built in GT-Power, and the relationship between the intake and exhaust temperatures is studied based on the World Harmonized Transient Cycle (WHTC). The simulation results show that the average temperature of the turbine outlet will increase by 12℃, if the temperature of the intercooler rises of 15℃. With the aid of the engine bench test, the effect of the rise in exhaust temperature on the WHTC is verified with the increase of the intercooler temperature, and the influence of the intercooler temperature on both the NOx emission and the Selective Catalytic Reduction (SCR) properties are studied. The testing results show that, during the whole WHTC, if the intercooler temperature rises of 15℃, the average exhaust temperature of the cycle will increase by 5℃, the NOx emission will reduce by 3.6%, and the SCR efficiency will improve by 1.8%. Under the low load conditions with a low SCR average temperature on the WHTC, the NOx emission is even lower 7.4% and the deNOx efficiency of SCR increases by 3.2%.

heavy-duty diesel engine (HDDE); selective catalytic reduction (SCR); NOx emission; low temperature condition; intercooler temperature; deNOx efficiency ; GT-Power

1009-4687(2016)04-0012-05

2016-9-19

李紫帝(1992-)，男，研究方向为重型车排放方向.

TK421+.5

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