低温环境对柴油机排放性能的影响

陈龙，郑建

（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司发动机检测研究实验室，上海201805）

0 引言

无论是船用还是车用柴油机的各个部件都是在某一确定的静态条件下设计的，当投入营运时，环境条件会发生变化，这必然引起柴油机性能的改变。了解环境条件对柴油机工作的影响，以及采取技术手段保证柴油机的可靠性、经济性和动力性，同时满足使用要求和排放要求，是柴油机研发人员及用户历来关心的问题。

柴油机在低温冷起动过程中，安装在发动机尾部的后处理催化转化器不能正常进行排放物的催化转化，特别是NOx的选择性催化还原 （selective catalyticreduction，SCR）反应，而且发动机缸内燃烧情况也不理想，污染物的排放量会呈现明显的增加。

王峰等运用CFD模型研究了进气初始条件对柴油机低温燃烧及多环芳香烃排放特性影响的规律［1］。山东大学能源与动力工程学院的毛华永等人使用加热器进行降低汽油机冷起动台架排放的试验研究［2］。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室的姚春德等人从进气温度、加热方式、蓄热箱容积等方面对发动机冷起动排放规律进行了瞬态试验研究［3］。中国第一汽车集团公司技术中心联合吉林大学开展了可变进气正时降低汽油机冷起动排放的研究［4］。该研究团队还单独进行了排气正时降低汽油机冷起动排放的研究［5］。李可顺等人研究了温度对船舶柴油机涡轮增压器性能影响，研究涡轮增压器对环境条件的适应性［6］。苏岩等人研究表明：进气温度对柴油机冷机起动过程初始期燃烧有较大影响，随着进气温度的升高，冷机起动着火滞后期明显减小，扩散燃烧增加；提高进气温度能够明显改善着火条件，降低起动过程供油量，减少失火循环，从而明显改善起动过程中的HC排放［7］。肖宗成等人研究中冷器冷却性能对增压中冷柴油机排放性能的影响，模拟了不同进气温度对烟度及NOx排放性能的影响［8］。

尽管新车排放标准一再加严，但柴油机的实际工作排放控制效果并不理想，部分用途的柴油机污染物不降反升，主要原因是柴油机实际工作时的工况及环境与法规测试要求的工况之间存在很大的差异。原因之一是法规测试要求中未考虑环境因素的影响，例如低温工况未纳入排放标准监管的范围。因此，在制定更严格的排放标准时，有必要尽快引入类似轻型车一样的低温排放循环，强化对柴油机的排放控制。

本文以某国六发动机为研究对象，研究常温冷起动、低温冷起动、低温稳态及低温瞬态循环下的排放情况，分析温度条件对柴油机排放性能的影响。

1 试验对象及方案

1.1 试验对象

以国内某厂家9L六阶段车用增压柴油机为研究对象，发动机基本技术参数见表1。

表1 发动机基本技术参数

1.2 试验方案

试验分为2部分：1）常温条件下冷、热世界统一稳态测试循环 （world harmonized steady-state cycle，WHSC）及热世界统一瞬态测试循环 （world harmonized transient-state cycle，WHTC）排放对比试验；2）低温条件下柴油机排放特性试验。

常温条件下冷、热WHSC／WHTC排放量对比试验：通过对比发动机常温冷起动后 WHSC／WHTC排放量和热态WHSC排放量，研究发动机排放变化情况。试验采用GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法 （中国第六阶段）》中规定的WHSC／WHTC循环。

低温条件下柴油机排放特性研究试验：测试多个发动机的尿素解冻时间、不同低温条件下不同负荷的NOx排放情况、及不同温度下冷起动WHSC循环的排放量。

试验中，设定发动机试验环境条件，例如环境大气压力、额定点 （标定功率）的中冷温度和排气背压，并锁定相关阀门，其它部分工况点不改变相应阀门的设置，让对应的边界条件随发动机工况变动而变化，而燃油温度在试验进行过程中，一直保持设定值。

试验采取单因素试验方法，每次只改变一个边界条件。此外，试验时均使用相同的柴油和机油。为了保证可比性，试验尽量在短时间内完成。

1.3 试验条件

冷起动温度为： -3℃， -7℃， -25℃，常温起动温度为25℃；燃油温度保持40℃；额定点的中冷温度设定为50℃，额定点排气背压设定为26 kPa，额定点进气阻力设定为-5 kPa。

2 试验设备和试验准备

2.1 试验设备

试验主要设备为HORIBA测功机、油耗仪、CVS（constantVolume sampler）全流稀释排放测试系统、多组分分析仪、滤纸称重洁净舱及微克天平、空气流量计、燃烧空气处理单元、发动机中冷系统、发动机冷却系统等。

2.2 试验前准备

为了保证柴油机低温冷起动排放测试顺利，试验人员在常温条件下完成了发动机的正常起动和后处理激活；为了确保后处理能冷却足够长时间，对后处理进行了72 h的低温冷冻，见图1。对分析设备标定前，试验人员对设备进行了60 min的充分预热，并检查测试模块是否正常工作。

图1 冷冻中的柴油机

3 试验结果及分析

3.1 常温条件下的冷、热态WHSC／WHTC测试

国六柴油机的冷、热态WHSC／WHTC循环测试结果对比如表2～3所示。从中可以看出，冷态WHSC／WHTC循环的氮氧化合物 （NOx）、一氧化碳 （CO）、颗粒物 （PM）和碳氢 （HC）排放量都远高于热态WHSC／WHTC循环。

表2 冷、热态WHSC循环试验结果对比

表3 冷、热态WHTC循环试验结果对比

为了进一步研究冷、热态WHTC循环下排放差异，对试验室1Hz（采样间隔1 s）原始数据进行对比分析，如图2所示。

造成冷、热态WHSC／WHTC循环过程中NOx、CO、PM和HC的差异主要原因来自于发动机的热状态，尤其是尾气的温度。SCR开始正常工作的温度一般需要达到250℃，也就是SCR催化剂起作用的温度。常温冷起动时，发动机整体温度为25℃，发动机热机需要一个过程。由图2不难看出，WHTC试验过程中，基本上循环开始10 min左右，HC及CO才开始明显降低；循环开始12 min左右，SCR才开始正常工作，NOx也才开始明显降低。

图2 冷、热态WHTC循环下各排放差异

3.2 低温条件下的排放测试

目前，对柴油发动机的排放研究比较多，但多数是在常温状态下的排放研究，而针对低温环境下的气态污染物及颗粒物排放的研究却很少。国内具有低温排放测试能力的试验室也不多，即便是目前被公认史上最严的重型车国六标准，也没有低温排放的要求。

重型国六柴油机主流技术路线：进气节气门＋排气放气 （WG） ＋废气再循环 （EGR） ＋柴油机氧化转换器 （DOC） ＋颗粒捕捉器 （DPF） ＋选择性催化还原 （SCR） ＋氨逃逸催化器 （ASC）。其中对低温排放影响最大的就是SCR系统，而此系统必须利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理。由于车用尿素溶液会在-11℃结冰，因此在-17℃低温情况下，SCR系统根本不起作用。表4列出了几个发动机厂家的尿素喷射系统的解冻时间测量结果。发动机及其后处理系统 （含尿素箱）在-17℃低温情况下，静置72 h，怠速10 min后，加载至20%负荷时开始计时尿素解冻时间。

表4 几个发动机尿素解冻时间比较

不同温度下，发动机在不同负荷下的NOx排放浓度结果如表5所示。表5中的排放浓度值是每个状态下稳定5 min后的30 s平均值。考虑到发动机低温情况下需要保护发动机，故没有进行突变负荷测试或瞬态循环测试。由表5可见，在低温条件下，发动机基本处于原始排放状态，如果原始排放未加以控制，完全依靠后处理来减低NOx排放，那么低温情况下发动机的排放会非常高。

表5 低温情况时发动机不同负荷下NOx排放浓度

3.3 低温冷起动WHSC测试

目前，国内有很多针对轻型车用汽油发动机的低温排放试验研究，而对柴油发动机低温下运行的排放研究较少，同时标准体系对重型柴油机及非道路用柴油机也没有低温排放测试要求，因此低温排放测试被发动机厂家忽略。查找的相应文献显示，有部分企业对低温冷起动时的HC进行了研究，主要目的只是为了改善发动机的低温起动性能。

目前，由于低温环境下排气温度无法满足颗粒物采样系统要求，在现有的排放测试能力下，无法获得准确的颗粒物测试数据，因此没有提供颗粒物测量数据报告。

将不同温度下柴油机冷起动的WHSC循环排放试验结果进行汇总，并与热态WHSC循环排放对比，如表6所示。由表6可见，常温下冷起动WHSC的NOx排放为热态的9倍，低温下冷起动WHSC的NOx排放为热态的15倍以上。

表6 冷起动WHSC与热态WHSC排放对比

4 结论

通过试验室的试验对比分析，常温环境下，冷态WHSC／WHTC循环下NOx、CO、NMHC都远高于热态 WHSC／WHTC循环。主要原因是冷态WHSC／WHTC循环下发动机机体温度为常温，起动及起动刚运行过程中，气缸温度较低，尾气温度也比热态WHSC／WHTC循环低，未到达SCR最低催化温度，导致冷态WHSC／WHTC循环下柴油机气态污染物的排放量高于热态WHSC／WHTC循环。

通过试验，证实了柴油机在实际工作循环中排放量与法规测试条件下的排放量之间存在很大的差异。不仅柴油机的实际工作工况偏离了标准要求的排放控制区域，而且柴油机使用的环境条件比试验室条件复杂。

柴油机在使用中，环境条件往往是不可控的，难免遇到对发动机排放不利的情况，因此在制定相应标准的时候，适当考虑环境因子的影响是必要的。污染物排放结果应给出一个阈值。具体的阈值还需要大量的测试积淀后，进行总结分析。

柴油机污染物控制有必要像轻型车一样，引入低温排放测试循环。同时展望未来重型车排放标准，应该逐步向轻型车靠拢，考虑海拔、阳光辐射等环境因素的影响。