国六阶段重型柴油机开/闭式曲轴箱通风系统排放特性研究

刘冰

（招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆 400000）

1 研究背景

发动机运行时，高温高压的气体会通过活塞与气缸之间的间隙窜入曲轴箱中。这些废气中含有大量的水蒸气及未燃碳氢会对机油造成稀释和氧化，从而影响发动机的可靠性。因此，国六以前绝大部分车用柴油机和非道路柴油机都采用开式曲轴箱通风系统，即曲轴箱废气通过油气分离器后气体直接排入大气。开式曲轴箱通风系统可以避免废气再进入气缸燃烧对增压器及后处理系统的影响[1]，而且结构简单无需维护。但随着生态环境部于2018 年正式发布重型柴油车国六排放标准，对车用柴油机曲轴箱通风系统提出明确要求[2]。标准要求企业可以采用开式或闭式曲轴箱通风系统，如果采用闭式系统则不允许将曲轴箱废气排入大气，企业需采用强制通风系统将曲轴箱废气引入燃烧室二次燃烧燃烧。二次燃烧可以避免曲轴箱窜气对大气的直接污染，但窜气中机油的燃烧会产生大量微粒，其中的纳米级微粒会对人体造成严重伤害[3-4]。若采用开式系统则需要把曲轴箱废气接入排气末端，与发动机尾气一起参与排放测试，这样就会加大柴油机排放认证难度及增加环保风险。

为了探究重型柴油机开式/闭式曲轴箱通风系统在国六标准工况下的排放特性，本文以一台重型车用柴油机为研究对象，搭建排放测试系统，进行了国六阶段WHSC 循环和冷热态WHTC 循环试验，通过试验数据对比了国六标准工况下柴油机开式/闭式系统的排放特征，意在为重型柴油机的曲轴箱通风系统开发及排放标定和认证提供指导。

2 测试设备及测试循环

试验采用HORIBA 公司的HT350 电力测功机、全流稀释采样系统、MEXA-ONE-C1-OⅤ排放分析系统、MEXA-2000SPCS 颗粒计数器、MEXA-ONE-FT-E 氨分析仪、AⅤL740 油耗仪、南京久鼎进气空调系统、ABB 进气流量计等试验设备，所构建的柴油机机排放测试台架如图1 所示。

图1 柴油机排放测试台架示意图

为了探究开式/闭式重型柴油机在国六标准循环工况下的排放特性，分别采用GB 17691—2018 标准中规定的压燃式发动机稳态循环WHSC（如图2 所示）和瞬态WHTC 循环（如图3 所示）进行排放测试试验。

进行WHSC 循环稳态试验时，需要对发动机运行边界条件进行控制，设定进气发动机进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定发动机冷却水温度为82 ℃、中冷后温度为50 ℃，在额定点维持运转10 min 左右，观察各边界进气温度湿度、水循环温度、排气温度是否稳定。水循环温度为（82±2）℃，排气温度为±2 ℃时，即可开始对应的排放测试循环试验。

在进行冷、热态WHTC 循环试验时，需对发动机进行不少于6 h 的冷机处理，使其循环水温、机油温度和后处理温度在20～30 ℃之间，然后设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定冷却水循环温度为82 ℃，中冷后温度为50 ℃。从停机状态直接进入冷、热态WHTC 排放测试循环。

图2 WHSC 循环工况

图3 WHTC 循环工况

3 试验结果及分析

3.1 气体污染物排放特性研究

图4、图5、图6 分别显示了开式/闭式曲轴箱通风系统情况下气体排放污染物CO、NOx、THC 在WHTC冷态循环、WHTC 热态循环和WHSC 循环中的比排放结果。从图4 中可看出冷态WHTC 循环模式下CO 排放量很高，几乎是热态循环的3 倍，而在WHSC 循环中CO 排放量很高，由图可知在WHSC 循环中开式CO排放量高于闭式72%左右，而冷热态WHTC 循环模式下开/闭式的CO 的比排放结果几乎一样。图5显示了3 种循环模式下NOx比排放结果，由图可知，3 种循环模式下开式曲轴箱NOx排放量均明显高于闭式，且分别高出了3.4%、18.9%、52.9%。从图6中可看出，WHSC 循环中开式系统THC 排放量明显高于闭式，WHTC 循环中开式系统THC 排放量分别比闭式高出了3.2%、18.2%，与NOx排放特性非常类似。

图4 CO 比排放结果

图5 NOx 比排放结果

图6 THC 比排放结果

图7显示了非常规污染物NH3的比排放结果。由图可知3 种循环模式下NH3的排放量都不高，最高的闭式WHSC 循环也仅为0.000 1%。热态WHTC 循环和WHSC 循环表现为闭式NH3排放高于开式，分别高出60.9%和38.8%。而冷态循环中是开式系统高于闭式系统，且高出137.5%。

综合以上分析可知，常规气体污染物CO、NOx、THC 在开式和闭式系统中的排放特性比较接近，都是开式系统排放量高于闭式系统，且WHSC 循环高出比例最多，冷态WHTC 循环高出比例最小。而非常规污染物NH3则表现为热态WHTC 循环和WHSC 循环中闭式排放量高，冷态WHTC 循环中开式排放量更高。

图7 NH3排放结果

3.2 颗粒物排放特性研究

图8 和图9 分别显示了开式和闭式曲轴箱通风系统情况下颗粒物质量（PM，Particulate Matters）和颗粒物数量（PN，Particulate Number）在WHTC 冷态、WHTC 热态、WHSC 这3 种循环中的比排放结果。从图8 中可看出3 种循环模式下开式系统的PM 排放结果都远大于闭式排放结果，分别高出了5.7 倍、5 倍和5.1 倍。由此可见开式系统的PM 排放量在3 种循环中均高出闭式5 倍左右。而图9 中PN 排放结果显示开式排放更是远超闭式，3 种循环模式下分别高出了85.2倍、17.5 倍和4.4 倍。从以上分析可知开/闭式曲轴箱通风系统对PM 和PN 的影响极大，开式系统的PM 排放量是闭式的数倍，开式系统的PN 排放量是闭式的数10 倍。

图8 PM 排放结果

3.3 循环比油耗特性研究

图10显示了开/闭式曲轴箱通风系统在3种循环模式下的循环比油耗结果。由图可知，在WHTC 瞬态循环中不管是冷态还是热态，开式系统的循环比油耗都明显高于闭式系统，其中冷、热态循环分别高出6.3%和2.86%。但在稳态WHSC 循环中开式和比闭式比油基本一致。由以上分析可知开/闭式曲轴箱系统对瞬态循环的比油耗影响较大，对稳态循环基本没有影响。

图9 PN 排放结果

图10 循环比油耗结果

4 结论

在WHTC 冷态、WHTC 热态和WHSC 这3 种循环中开/闭模式下常规气体污染物CO、NOx、THC 排放特性相同，都表现为开式排放量高于闭式，且稳态循环高出较多；而非常规气态污染物NH3则表现为仅冷态循环下开式高于闭式，热态循环和WHSC 循环均为NH3排放开式低于闭式。在WHTC 冷态、WHTC热态和WHSC 这3 种循环中开/闭模式下PM 和PN 排放量差异巨大，其中开式PM 排放量是闭式的5 倍左右，而PN 则能达到数10 倍。在开/闭2 种模式下，WHTC 循环的比油耗开式明显高于闭式，而WHSC 循环中开/闭式比油耗几乎一致。