基于某装载机的进气温度对NOx排放影响研究

王树森，朱兴军，张涛，梁昌水，丁保安，曹原，梁冰

基于某装载机的进气温度对NOx排放影响研究

王树森1,2，朱兴军1,2，张涛1,2，梁昌水1,2，丁保安1,2，曹原1,2，梁冰1,2

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261000；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261000）

对柴油机进气温度控制策略进行研究，以某50装载机为研究对象，通过试验对比不同中冷后进气温度控制策略对进气温度和整车NOx排放的影响。试验结果表明：不同控制策略导致车辆达到热平衡状态下的中冷后进气温度平衡范围不同，整车NOx瞬时排放与中冷后进气温度成随动变化的趋势，NOx瞬时排放随中冷后进气温度的增加而升高，合理匹配进气温度控制策略能有效降低柴油机的排放。

柴油机；装载机；中冷系统；排放

引言

现阶段机动车尾气排放成为空气污染的重要影响因素，尾气污染物包括NOx、CO、PM等，汽车尾气控制及污染治理成为中国可持续发展的重要组成部分，其中，柴油车是移动源污染的主要贡献者，虽然柴油车只占我国机动车保有量不足10 %，但其NOx排放量接近机动车排放总量的70 %，PM排放量占比超过90 %[1～3]，为了有效治理大气污染，国家颁布了非道路排放等级提升的相关法规。

柴油机排气污染物主要包括NOx、THC、CO及PM四种，就柴油机而言，单纯的机内净化已无法满足排放要求，需增加后处理技术，但整机排放结果受诸多因素影响，其中一项就是中冷后进气温度。

增压中冷后进气温度对柴油机性能影响较大，中冷后进气温度过高，导致充气效率下降，影响柴油机功率；中冷后气温过低，导致柴油机进气温度较低，影响柴油机燃烧温度及排气温度，从而影响SCR系统的转化效率[4～5]。

本文以某搭配非道路四阶段柴油机的50装载机为试验对象，验证不同中冷后进气温度控制策略对整车NOx排放的影响。

1 试验样机及方案

1.1 试验样机介绍

以某搭配非道路四阶段柴油机的50装载机为试验对象，整机装配三速电磁离合器风扇。整机和发动机主要技术参数见表1、表2。

表1 装载机基本参数

项目规格 配套行业装载机 最高车速/(km/h)38 水箱中冷布置形式串联

表2 发动机基本参数

项目规格 发动机型式直列六缸、四冲程 标定功率/kW170 燃油供给及进气形式高压共轨、增压中冷 排量/L9.5 排放标准非道路Ⅳ阶段 风扇类型三速电磁风扇

1.2 控制策略

进气温度控制策略是指电磁离合器风扇根据中冷后进气温度对电磁离合器风扇进行挡位控制。因电控柴油机存在热保护控制，不对水温控制策略叙述。

本次试验整机装配三速电磁离合器风扇，中冷后进气温度控制策略研究受控和不受控两种状态，具体控制策略见表3。

表3 中冷后进气温度控制策略

控制策略电磁离合器风扇 二速吸合二速脱开三速吸合三速脱开 水温控制策略87819485 中冷后进气温度控制策略167627065 中冷后进气温度控制策略2无

1.3 试验方案

在同一台装载机上，分别对不同控制策略进行试验，其余条件不变。

试验工况为整机以最高挡位，最大油门开度行驶，整机各项参数稳定时（即出水温度与环境温度差值在4分钟内保持稳定，波动不超过±1 ℃）结束试验，记录该工况下的中冷后进气温度、扭矩、转速、排气温度、燃油消耗率、NOx浓度等参数。

2 进气温度控制策略对NOx排放影响分析

2.1 整机运行风扇控制情况分析

电磁离合器风扇的转速受中冷后进气温度和水温控制，进而对中冷后进气温度和水温进行反馈控制，控制策略根据表3，分别进行试验。

2.1.1 风扇转速受中冷后进气温度控制

从图1可以看出，风扇转速受中冷后进气温度控制策略（以下简称策略1）调整时，因为增压中冷系统使得发动机进气温度升温较快，进气温度达到67 ℃时，风扇二速吸合，进气温度降低，水温继续升高至风扇三速吸合温度后，进气温度、水温降低。工况稳定后风扇转速受进气温度控制在二速、三速间切换，水温在85 ℃～88 ℃间波动，进气温度在57 ℃～70 ℃间波动。

图1 策略1起动阶段水温、进气温度、风扇曲线

2.1.2 风扇转速不受中冷后进气温度控制

从图2可以看出，风扇转速不受中冷后进气温度控制策略（以下简称策略2）调整时，因为增压中冷系统使得发动机进气温度升温较快，进气温度持续升高，当水温继续升高至风扇三速吸合温度后，进气温度、水温降低。工况稳定后风扇转速受水温控制在二速、三速间切换，水温在84 ℃～94 ℃间波动，进气温度在60 ℃～78 ℃间波动。

图2 策略2起动阶段水温、进气温度、风扇曲线

2.1.3 小结

上述两种控制策略，当风扇转速受中冷后进气温度控制策略调整时，由于气体升温较水温更快，所以风扇进入三速受进气温度控制，从而可以有效控制进气温度，策略1比策略2进气温度波动范围明显降低。

2.2 NOx排放结果

2.2.1 不同策略整机NOx排放结果对比

整机按照既定试验工况，分别对策略1和策略2进行验证，试验结果要求计算90 %−NOx窗口比排放[5]，试验结果见表4。

从表4可以看出，策略1中冷后进气温度受控与策略2中冷后进气温度不受控相比，策略1试验结果明显优于策略2，其中：平均进气温度低3.88 ℃；平均排气温度低5.22 ℃；90 %−NOx窗口比排放低0.55 g/kwh。

表4 不同策略试验结果对比

策略1试验1试验2平均值 环境温度/℃29.2034.1031.65 平均进气温度/℃58.6960.9559.82 平均排气温度/℃332.67339.65336.16 90%-NOx窗口比排放g/kWh0.810.780.80 策略2试验1试验2平均值 平均水温/℃32.3031.9032.10 平均进气温度/℃64.3763.0263.7 平均排气温度/℃337.55345.20341.38 90%-NOx窗口比排放g/kwh1.351.341.35

2.2.2 NOx瞬时排放与中冷后进气温度关系

从图3可以看出，试验过程中，当整机达到稳定状态时，进气温度受控制策略影响在58 ℃～76 ℃之间波动，NOx瞬时排放与中冷后进气温度变化趋势基本一致，但NOx瞬时排放变化相对中冷后进气温度变化存在滞后性。

图3 NOx瞬时排放与中冷温度变化趋势

图4 NOx瞬时排放与中冷后进气温度曲线

通过分段截取中冷后进气温度与NOx瞬时排放数据，如图4所示，NOx瞬时排放与中冷后进气温度成随动变化的趋势，NOx瞬时排放随中冷温度的增加而升高，中冷后进气温度每升高5 ℃，NOx瞬时排放升高约2 %～4 %。

3 总结

本文对柴油机中冷后进气温度控制策略进行了解，针对某装载机不同中冷后进气温度控制策略的排放试验结果为例，研究不同中冷后进气温度控制策略对发动机进气温度及整车NOx排放的影响。研究发现：

（1）合理匹配中冷后进气温度控制策略可有效控制整机进、排气温度，降低整机NOx排放。

（2）NOx瞬时排放随中冷温度的增加而升高，中冷后进气温度每升高5 ℃，NOx瞬时排放升高约2 %～4 %。

基于以上结论，本文对整机冷却系统匹配给出以下建议：（1）整机冷却系统匹配时，水箱、中冷器采用并联结构，水温和进气温度单独控制；（2）选用电磁离合器或电控硅油离合器风扇，合理的控制策略可以有效控制整机的进气温度，达到降低NOx排放的目的。

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Research on the Influence of Intake Air Temperature on NOx Emission Based on a Loader

WANG Shusen1,2, ZHU Xingjun1,2, ZHANG Tao1,2, LIANG Changshui1,2, DING Baoan1,2,CAO Yuan1,2, LIANG Bing1,2

( 1.State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability, Shandong Weifang 261000;2.Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261000 )

Study on diesel engine fan inter-cooled control strategy, taking a 50t loader as the research object, through experiment contrast the influence on cold junior temperature and vehicle NOx emission between different inter-cooled control strategy. Experimental results show that under different control strategies lead to vehicle to reach thermal equili- brium state of cold junior balance temperature range is different, the vehicle NOx emissions and cold junior temperature degrees into following the trend of change, NOx emissions along with the increase of cold junior temperature rise. And properly setting of inlet temperature control strategy can effectively reduce the emissions of diesel engine.

Diesel engine; Loader; Inter-cooled system; Emissions

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.038

王树森（1991—），男，工程师，就职于潍柴动力股份有限公司，从事整车试验工作。