柴油机WHTC循环排气热管理之后处理技术研究
2017-08-08刘悦锋
摘 要：本文介绍了WHTC排放测试循环的背景，以一台3.8L柴油机为试验样机，对其运行WHTC循环以及现行国标GB17691-2005中的欧洲瞬态排放测试循环（ETC）的试验工况进行了后处理排气温度对比分析，造成WHTC循环NOX排放的主要原因就是发动机在循环过程中排气温度偏低，SCR后处理系统工作条件不佳。因此能够提高或保持后处理器的温度，选择更高效适用的后处理是我们研究的方向，本文基于后处理保温措施，后处理的选择对排放的影响进行分析。
关键词：柴油机；聚类分析；管路保温；SCR 催化转化器
中图分类号：U467.2+1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0066-05
Abstract： In this paper， the background of the WHTC emission test cycle is introduced， and a 3.8L diesel engine is used as a test prototype. The WHTC cycle and the test condition of European Transient emission test Cycle （ETC） of the current GB17691-2005 in China are compared and analyzed. Through the analysis of the post - treatment exhaust temperature of the test case， The main reason for the high NOX emission in the WHTC cycle is that the exhaust temperature of the engine is lower during the cycle， and the working condition of the SCR post-treatment system is poorer. Therefore， it is the direction of our research to improve or maintain the temperature of the post processor， and to choose the more efficient and suitable post-processing. This paper analyzes the influence of the choice of the post-treatment on the emission based on the heat treatment after treatment.
Key Words： Diesel， Matrix Analysis， Pipeline Insulation， SCR， Catalyst
1 排放热管理技术引入背景
SCR技术路线是国IV及国V阶段柴油发动机降低氮氧化物（NOx）排放的主流技术路线[1]。在目前已经核准的满足国IV排放标准的柴油机機型中，采用SCR技术路线的占80%以上。但是，SCR系统对NOx排放的控制效果严重依赖于SCR后处理的温度条件。研究发现，装用满足国Ⅳ标准的SCR路线柴油机的城市用车辆在实际使用中由于排气温度较低，SCR系统低温效率偏低，造成NOx排放较高[2]。国家环保部为解决柴油机的型式核准试验循环对城市车辆发动机运转工况不具代表性问题，于2014年1月6日发布了《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）》（HJ689-2014），提出采用与城市车辆运行工况吻合较好的全球统一重型发动机试验循环（WHTC），作为城市车辆用重型柴油机型式核准的排放测试循环。
通过对该法规的研究，WHTC试验循环从冷机启动的特殊性，以及运行工况偏重中低转速与中低负荷，对比ETC试验循环后处理温度总体普遍偏低，且幅度较大，如图1所示：
采取相应的技术措施提升发动机排气温度是提高SCR后处理对NOX转化效率的有效措施。
尽管DOC可以通过氧化反应，消耗掉排气中的THC和CO，会有一定放热作用，但由于柴油机经过机内净化后的排气中THC与CO的含量极少，想利用着些许热量提升整个排气温度效果极其有限，所以不考虑单独利用DOC来进行排气热管理的方案，并且通过标定技术完全可以利用机内净化技术将THC、CO 排放控制在法规要求的范围之内，该机型不考虑在国五单独SCR后处理配置上加装DOC。
2 WHTC循环的聚类分析
由于WHTC循环是一系列瞬态变化的工况点，为了便于对WHTC循环进行进一步深入的研究，本文采用聚类分析（clustering analysis）的数据统计方法对WHTC循环的1800个工况点进行分析处理，将瞬态试验循环转化为一系列稳态的特征工况点。
聚类分析就是将数据空间中的对象分成由特性相似的对象组成的类的方法。同类中的数据间具有较高的相似度，而不同类的数据之间则差异较大。
本文采用的聚类分析算法为K-平均（K-means）算法，这是最早出现并且使用最为广泛的经典聚类算法，其基本原则是使每个数据点与其聚类中心点的距离之和最小化[3]。组内数据点与聚类中心点之间距离的计算公式为：
对数据进行分类的过程大致分为以下几步：
（1） 随机选取初始聚类中心点。初始中心点的选择可以是在数据空间内的任意点，也可以选择数据序列内的随机点作为初始点；
（2）将每一个数据点指定给与其距离最小的聚类中心点，然后调整聚类中心点的位置，使每一个数组内的所有数据点与本组中心点的距离之和最小；
（3）在第2步完成后，聚类中心点的位置已经发生变化，因此对所有的数据点按照调整后的聚类中心点位置重新分组，将每一个数据点重新指定给与其距离最小的中心点；
（4）重复以上的步骤，直到调整聚类中心点的位置后，所有数据点的分组情况不在发生变化为止。
最终，以上聚类算法收敛后即可得到的一系列中心点以及所有数据点的分组情况。
本文采用聚类分析法将WHTC循环的1800个工况点转化为了10个特征工况点，其分布WHTC循环工况点的分布如图2所示：
从图2中可以看出，10个特征工况点比较均匀的分布在WHTC循环的工况区域。由于在比较高的负荷区域发动机排气温度已经比较高，无需进行排气热管理，因此本文选择了位于低转速、低负荷区域的3个特征工况（图2框内所示）进行排气热管理技术的研究。
3 排气管路保温技术
本文以一台3.8L柴油机为试验样机，通过对其运行WHTC循环试验工况进行了分析，试验样机的主要技术参数见表1：
如图3所示，将试验样机的运行区域投射到SCR后处理的效率MAP图表中，发现试验样机的在进行WHTC试验时，集中在60%以下的低效率区，在80%以上的高效率区运转时间很短，这是造成WHTC循环后处理效率低的主要原因，所以能够增加运行在更高效率区的策略是我们所追求的。
由于WHTC试验循环从冷机启动的特殊性，以及运行工况偏重中低转速与中低负荷，对比ETC试验循环后处理温度总体普遍偏低，且幅度较大。
如图4所示，该样机在运行WHTC试验循环时，SCR后处理器入口的温度90%以上的时间低于300℃，这个温度区间对后处理器的效率非常敏感，温度略有提高，后处理器的转化效率就会明显提升，因此通过对排气管路进行保温材料包裹，尽可能减少从增压器出口到后处理器入口之间排气管路热量损失，以保证后处理器有较高的温度，可以提高后处理器转化NOX的能力。
在该试验样机上进行试验，对从发动机增压器出口到后处理器入口的830mm直径1.5米长排气管路进行保温处理，我们采用的是陶瓷纤维后处理管路包裹材料，该材料具有1000℃以上的高耐热性和非常好保温性能，其保温性能与包裹厚度与空气流动速度相关，我们分别记录了管路保温前后的SCR后处理器入口处的温度状况，经过保温后，温度基本损失不大，其对比曲线如图5所示：
从图5可以看出，经过管路保温处理后的后处理温度总体上比不经过管路保温处理的温度要高10℃左右，后处理器温度200℃-300℃之间，效率随温度的增加急剧上升，对应10℃的温差后处理器效率有5%，甚至10%的提升，不同后处理效率与温度特性的关系如图6所示：
因此对排气管进行后处理保温处理可以通过提高后处理温度的方式，有效提高后处理器对NOX的转化效率。
同时在试验样机的运行区域投射到SCR后处理的效率MAP图表中的位置随着SCR入口温度的提升而向后处理高效侧移动，从另一个角度论证了排气管保温技术可以有效提高后处理器对NOX的转化效率。
4 低温后处理器
本文基于目前广泛使用的三种具有代表性的挤出式后处理，铜基分子筛后处理，涂覆式钒基后处理特性进行介绍。
为了对比挤出式钒基后处理、铜基分子筛后处理和涂覆式钒基后处理在低温条件下的特性，本文对试验样机分别搭载相同体积的三种后处理时的NOX转化效率等特性进行了试验。试验时，通过合理的选取运转工况，使SCR后处理前的排气温度为200℃，空速为19770h-1。在进行特性试验时，在每个工况点下均稳定足够长且相等的时间。
NOX转化效率和NH3泄露与氨氮比（ANR）的关系如图7所示：
从图中可以看出，在ANR低于0.6时，由于NH3供给量较少，三种后处理均能够比较理想的完成对NH3和NOX的反应，NOX转化率和NH3泄露均未表现出太大的差异；随着ANR的逐渐提高，在0.6
考虑到在国V柴油机开发时，在原机NOx排放为9g/kwh的情况下，只需要SCR后处理效率为80% 即可满足NOx排放法规要求，即实际ANR不会达到1，并且挤出式钒基后处理对燃油中硫的耐受性以及经济性方面均优于铜基分子筛催化剂，因此在进行国V柴油机的WHTC开发时，建议采用钒基催化剂的挤出式后处理。
5 总结
①为解决WHTC循环排气温度较低，而后处理在低温条件下效率较低的问题引入排温热管理技术
②采用聚类分析的方法，整个WHTC循环工况可以用WHTC的某些单一特征点来代表
③采用排气管保温技术进行发动机排气热管理是柴油机WHTC循环NOX排放控制的有效技术措施。
④选取合适的后处理器可以提高NOx转化率
⑤在低排气温度条件下，铜基分子筛催化剂的性能优于钒基催化剂，而同样采用钒基催化剂时，挤出式后处理优于涂覆式后处理。但是综合国V柴油机WHTC循环NOx排放控制的实际需求，后处理的耐硫性以及经济性，采用钒基催化剂的挤出式后处理仍是最佳的方案。
参考文献：
[1]郝勇， 孙健， 王启峰， 郑晓晨；重型车用柴油机排放法规及技术路线综述， 内燃机与动力装置， 2009年03期.
[2]張纪元， 重型柴油机SCR系统应用技术研究， 山东大学， 2013.
[3]张正兴， 赵文辅， 刘悦锋， 李科， 李立超， 柴油机瞬态循环NOx排放自动标定方法研究， 2014中国汽车工程学会年会论文集.
[4]王琦伟， 倪计民， 周林， 张志平， 排气系统热管理及装置开发研究， 上海汽车， 2011.12.
[5]寇传富， 满足京5+排放的柴油机排气热管理策略及试验研究， 湖南大学， 2015.
