不同中冷系统对柴油机瞬态循环中NOx排放的影响

孙景震 向亦华 熊卫东

摘要：指出了汽车中占比不高的柴油车排放的NOx权重占比高达60%，随着汽车产量的增加，为增强人民的蓝天幸福感，如何减少柴油机中NOx排放已经成为主要研究内容。不同的中冷系统直接影响中冷后进气温度进而影响NOx排放，主要介绍了两种不同的中冷系统对柴油机瞬态循环中的NOx排放的影响。试验结果表明：在ETC试验循环中，二级中冷系统的NOx比排放比一级中冷系统的NOx比排放低20%，且中冷后的进气温度对工况的敏感度较低。

关键词：中冷系统;中冷温度;NOx排放;ETC循环

中图分类号：U464

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0233-02

1 引言

随着我国向城镇化及工业化转化速度的加快，我国的汽车产业也随之增长迅速，2019年的中国移动环境管理年报显示我国已经连续十年成为世界机动车产销第一大国。汽车保有量的增加，带来了更严峻的环境污染问题。其中，占比只有7.9%的柴油货车排放了60%的NOx，因此如何减少柴油机中的NOx排放已成为重中之重。

为坚决打赢柴油机减排污染攻坚战，增强人民群众的蓝天幸福感，国家生态环境部于2005年颁布了GB17691-2005 《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） 》标准，标准规定了采用ETC（欧洲瞬态循环）测量重型柴油机污染物排放量[1]。汽车在工作过程中处于中低转速负荷区域及怠速的工况居多，ETC工况循环正契合发动机多变的工况。国内外学者对于ETC工况中影响NOx排放的因素进行了大量研究以期望减少重型柴油机中的NOx排放[2～5]。中冷后进气温度直接影响发动机缸内混合气的形成及燃烧过程，从而对排放产生较大的影响。目前采用的中冷器系统可将中冷后温度控制在45 ℃左右。为满足排放标准，有必要研究不同的中冷形式对柴油机的ETC循环排放影响。

本文主要采用了两种中冷系统，分别为一级中冷系统及二级中冷系统。一级中冷系统直接采用外循环水对增压进气中冷，二级中冷系统通过自然外循环水冷却控制内循环水，内循环水再去进行中冷进气温度。实验时，在额定转速点调节中冷系统，使中冷后进气温度调整为45 ℃，然后固定中冷水循环阀门开度。通过对比两种中冷系统，更好地研究中冷系统对排放中NOx的影响，以期为降低柴油机中NOx排放提供依据。

2 测试循环及测试设备

本文研究对象为一款3.0L的带SCR后处理的增压柴油发动机。发动机基本参数如表1所示。

测功机设备主要为德国Horiba公司进口350kw交流电力测功机，气体分析仪为日本Horiba研制的最新的Mexa One 系列全流稀释分析仪，NOx测量原理为标准规定的化学发光法（CLD）。油耗仪采用AVL公司生产的740，进气流量计为上海同圆发动机测试设备有限公司生产的FMT700-P。

3 试验结果及分析

当前标准规定的ETC工况主要分为三段，每段时间为600s，第一段为模拟转速和扭矩变化较大的市区循环构成，第二段为模拟转速和扭矩变化较小的郊区路段构成，第三段为模拟转速几乎不变，扭矩变动较小的高速路段组成。Mexa One分析仪通过连续采取三段中的NOx信号积分求得最后的污染物测量值[6]。

在相同的边界条件下，除中冷系统不同外，相同的实验人员通过两次实验循环最后测得的结果为：一级中冷系统NOx比排放值为2.05 g/kW·h，二级中冷系统NOx比排放值为1.65 g/kW·h。结果表明二级中冷系统最终测得NOx排放比一级中冷系统低20%。图1为两种中冷系统在整个循环中的实时排放浓度，由图可知，两种中冷系统NOx排放的差异主要体现在1200s之前，即出现在模拟的市区及郊区循环路段。 尤其是在前600s阶段，两种中冷系统的排放差异更大。

实验中直接影响NOx排放结果的因素为中冷后进气温度，由于中冷后进气温度的不同间接导致缸内燃烧温度、进气充量系数、排气温度、SCR的喷射效率及催化器的催化效率不同，最后导致排放的不同。图2为不同中冷系统下ETC循环进气温度图，由图可知，前1200s一级中冷系统的中冷后进气温度低于二级中冷系统中冷后进气温度的幅度较大，在1200s之后，两者差距变小。在整个循环过程中，二级中冷系统的中冷后进气温度受工况变化的影响较小，中冷后进气温度更加稳定。一级中冷系统的中冷后进气温度对工况变化比较敏感，而且在整个循环过程中，温度都偏低于二级中冷系统。

中冷进气温度高会导致进气充量系数降低，缸内燃烧温度过高，排气温度也会随之变高。图3为不同中冷系统下ETC循环涡后排气温度，从图中可以看出，在整个ETC循环中，二级中冷系统的涡后排气温度都高于一级中冷系统，且平均温度高9 ℃。

通过以上分析虽然二级中冷系统中冷后进气温度提高，导致缸内燃烧温度提高，原机NOx排放值会增加，但是由于排气温度的提高会导致SCR系统起喷时间也会加快，催化器起作用的窗口也会更加的宽广，因此最终二级中冷系统的NOx比排放值会降低。在此过程中，SCR后处理对NOx比排放的降低远远大于中冷后进气温度升高导致NOx比排放增加。一级中冷系统，由于进气温度的偏低，充量系数会高于二级中冷系统，缸内富氧条件满足，导致产生的NOx排放升高，另外由于排气温度的降低导致SCR后处理进入高效区窗口的时间延迟且处于高效区工作的时间变短，最终导致一级中冷系统的NOx比排放值偏大。

4 结论

（1）采用不同的中冷系统会直接影响中冷后进气温度，间接的影响涡后排气温度和尿素喷射区后处理高效区起作用时间。

（2）二级中冷系统的中冷后进气温度对ETC工况的敏感度较小，测出的NOX比排放值比一级中冷系统高20%。

（3）采用二级中冷系统的中冷后进气温度高于一级中冷系统，涡后排气温度会随中冷后进气温度的增加而增加，进入尿素高效率区和后处理高效率工作区的时间随中冷进气温度的提高变得更快也更长。

参考文献：

[1]中华人民共和国环境保护部.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）：GB 17691-2005[S].北京： 中国环境出版社，2005.

[2]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.

[3]王 軍， 张 磊， 樊志枭， 等. 中冷后进气温度对国六柴油机 NOx 排放的影响[J]. 内燃机与动力装置， 2019 （4）： 13.

[4]李紫帝， 李紫帝， 谭建伟，等.进气中冷温度对柴油机 NOx 排放性能的影响[J].车辆与动力技术， 2016（4）： 54～58.

[5]朱敏霖， 陶泽民， 廖云峰， 等. 柴油机应对WHTC循环策略研究[C]//中国内燃机学会燃烧净化节能分会，2013年学术年会论文集. 北京：中国的燃机学会，2013： 1～5.

[6]王忠恕.边界条件对柴油机瞬态工况下燃烧的影响及数值模拟[D]. 长春：吉林大学， 2006.