柴油机排气管长度对排气温度影响的试验研究

郑贵聪，卢双双，陆国栋

(1.杭州银轮科技有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江银轮机械股份有限公司，浙江 台州 317200)

选择性催化还原(SCR)技术是重型车柴油机排放升级的有效措施，可以很大程度地降低柴油机NOx排放[1-4]。对于SCR技术而言，无论是钒基催化剂还是铁基、铜基催化剂，都需要达到一定温度才能高效发挥其活性，因此排气温度对SCR转化效率、NOx减排量起到很重要的影响。传统的SCR催化器配套基本都是根据整车的配置进行SCR产品的安装，不同安装位置对应的排气管长度也不同，排气管越长排气温度下降越快[5]，这样相同的SCR产品匹配不同的车型就会造成不同的排放效果，很大程度影响着排放标定，增加排放标定的工作量。排气温度越低尿素喷射系统喷出去的尿素的雾化效果越差，这样NH3与NOx混合效果就会越差，NOx减排量因而降低，同时也会造成尿素结晶、排气压力增大、油耗增加、车辆运营成本增加等问题[3,6]。

近年来，国家不断更新排放法规，严格控制车用柴油机尾气排放。北京于2013年3月1日实施新的排放法规DB 11/964—2013《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法(台架工况法)》[7]，该法规以WHTC循环为测试循环。WHTC循环的特点是负荷低、倒拖工况多，排气温度相对ETC循环低20%。为了满足WHTC排放循环的测试要求，必须保证排气温度。一般通过排气热管理来维持柴油机尾气温度，也可以对排气管增加保温材料，防止热量散失[6，8]。

本研究在6缸柴油机上进行台架试验，对比不同长度的排气管对柴油机排气温度的影响，同时研究排气管包裹保温材料对排气温度和排放的影响。

1 台架试验

1.1 排气管及保温材料

试验用排气管采用车用不锈钢材料，外径100 mm，壁厚1 mm。由于发动机台架位置所限，排气管台架布置不能完全与整车布置一致。排气管长度是指增压器涡轮出口到SCR入口的距离。分别在1 m，2 m，3 m，4 m，5 m处布置温度测点，测量排气管各个长度处的温度。长度5 m的排气管分为3节，中间靠卡箍连接，由于受位置限制，排气管呈U字型安装(见图1)。图2示出包裹保温材料的排气管路，保温材料的厚度为12 mm，导热系数小于0.04 W/(m·℃)。

试验测试了稳态循环ETC和瞬态排放循环WHTC下各测点的温度差异，找出温度的变化趋势，为车辆排气管设计和SCR产品配套提供数据支持。

图1 排气管路

图2 包裹保温材料的排气管路

1.2 试验装置和设备

试验发动机为某国产6缸柴油机，其技术参数见表1。

表1 发动机参数

试验所采用的设备包括AVL排放测试设备i60/AMA4000、电力测功机、进气空调系统、AVL数据采集系统、氨分析仪、温度和压力传感器。试验完全按照国家标准进行发动机试验边界条件的控制，试验过程保证设备的一致性和精度，试验的进气边界尽可能控制一致。

1.3 试验方案

首先进行排气管不包裹保温材料方案试验，然后进行排气管包裹保温材料方案试验。主要进行稳态和瞬态排放试验，稳态试验为外特性试验，瞬态试验为WHTC和ETC排放循环试验。外特性试验过程从标定点到800 r/min，以100 r/min步长进行试验工况选择，每个工况点试验稳定3 min，保证各点排气温度稳定。排放循环按照国家法规进行。

2 试验结果分析

2.1 稳态试验

从图3可知，在排气管不包裹保温材料的情况下，排气管越长，散热越多，排气温度下降越快，特别在排气管长度为5 m处，排气热量难以保持，排气温度急剧下降。在外特性试验过程中，排气管5 m处温度相对于排气管1 m处的温度最大温差为100 ℃，降幅为20%。从图4可知，排气管包裹保温材料后，尽管排气温度也会下降，但排气热量散失不明显，排气温度下降相对减缓，主要原因是保温材料隔绝了排气管不锈钢钢材向外界的散热，维持废气在一定的温度。包裹保温材料后，在高速工况下排气管1～4 m处的排气温度没有明显变化，最大温降为34.4 ℃，降幅为6.9%。但在排气管5 m处，包裹保温材料后温度下降也较快，相对于1 m处的温度最大温差为81 ℃，下降了19%。5 m处排气温度相对于1～4 m的排气温度下降得快，主要是排气管的长度越长，排气随管路的填充量越多，管路流动损失越大，排气背压越大，排气在排气管滞留时间越长，散热越快，排温下降越明显。

图3 不同排气管长度处的排气温度(不带保温材料)

图4 不同排气管长度处的排气温度(带保温材料)

图5示出排气管2 m处的排气温度变化。由图可见，带保温材料的外特性排气温度整体要比不带保温材料时高，两者最大相差25 ℃，最小相差4.5 ℃，偏差在5%以内，故在排气管2 m处的排温差异相对于5 m处的要小。由图6可知，1 400 r/min,100%负荷工况下，带保温材料时排气管1～4 m处的温度基本相当，5 m处的排气温度急剧下降，散热量增加，不带保温材料时随着长度增加，排气温度迅速下降，两者最大相差22.5 ℃，最小相差4.5 ℃。

图5 排气管2 m处的排气温度变化

图6 1 400 r/min工况下排气管温度对比

2.2 瞬态试验

为了研究瞬态过程排气温度随着排气管长度增加的变化趋势，进行了ETC/WHTC排放循环测试，测试中还考虑了保温材料对排气温度的影响。测试结果见表2和表3。原机WHTC循环的NOx排放为8.5 g/(kW·h)，原机ETC排放循环的NOx排放为9.2 g/(kW·h)。

表2和表3数据表明，对于瞬态过程，排气管长度也影响着柴油机的排气温度，从而影响SCR转化器的转化效率，进而影响ETC和WHTC排放循环的NOx排放值。ETC和WHTC排放循环测试过程中，排气管不包裹保温棉时，整体排气温度随着排气管长度增加而降低，而且温降高达30～40 ℃，平均排气温度最大下降14%；排气管包裹保温棉时，整体排气温度下降趋缓，温降10～20 ℃，平均排气温度最大下降8%。由于包裹保温材料仅仅是防止排气热量散失，维持SCR反应的温度，对柴油机尾气排放中的颗粒影响不大，但却大大影响着NOx的排放值。排气管不包裹保温棉时，ETC排放循环的NOx值除了在排气管长度为5 m时大于国家标准(2 g/(kW·h))，其余条件下都能满足国标要求，且留有一定的排放裕度。相对于ETC排放循环，WHTC排放循环的NOx排放值基本不能满足国家标准，或者达标却没有裕度，最大NOx排放值为4.45 g/(kW·h)，超过国家标准值59%。排气管包裹保温棉时，ETC排放循环的NOx值全部满足国家规定，且留有很大的排放裕度。WHTC排放循环的NOx排放值除了在排气管长度为5 m时大于国家标准(2.8 g/(kW·h))，其余条件下都能满足国家标准，但排放裕度不大，WHTC循环最大NOx排放值为3.44 g/(kW·h)，超过国家标准的23%。

表2 ETC排放循环测试结果

表3 WHTC排放循环测试结果

排气温度影响着SCR系统和DPF系统的工作效率，特别是目前京五和国六法规涉及到WHTC排放循环，WHTC循环相比ETC循环排气温度更低，因此排气管的热管理系统是今后需要重点研究的课题。

3 结论

a) 无论是稳态工况，还是瞬态工况，排气管长度越长，排气温度下降就越快，最大温降高达19%，对NOx排放值影响就越大，NOx排放值相对国家标准最多超过59%；使用保温材料能维持一定的排气温度，温降最大达到8%，NOx排放值相对国家标准最多超过23%；

b) 对于SCR系统配套，增压器到SCR入口之间的排气管长度选择1～3 m较合适，满足ETC循环要求的发动机可以不增加保温材料，但对于要满足WHTC排放循环的发动机，排气管必须增加保温材料才能满足排放法规要求，且留有裕度。

[1] Xu L F，Watkins W.Laboratory and engine study of urea-related deposits in diesel in diesel urea-SCR after-treament systems[C].SAE Paper 2007-01-1582.

[2] 张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].济南：山东大学，2013.

[3] Strots V O，Santhannam S.Deposit formation in urea-SCR systems[C].SAE Paper 2009-01-2780.

[4] Johnson TV.Review of diesel emissions and control[C].SAE Paper 2010-01-0301.

[5] 唐蛟，李国祥，孙少军，等.基于欧Ⅵ柴油机排气热量管理主动控制措施研究[J].内燃机工程，2015,36(2):120-125.

[6] 郑贵聪，陆国栋.京五WHTC排放循环应对策略试验研究[G]//中国内燃机学会第九届学术年会论文集(上册).上海：同济大学出版社，2017：46-49.

[7] 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．DB 11 964—2013 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[S]．北京:中国标准出版社，2013.

[8] Michelin J.Optimized diesel particulate filter system for diesel exhaust after treatment[C].SAE Paper 2001-01-0457.