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        提高柴油機(jī)排氣溫度方法對比分析

        2019-09-23 05:07:56張朝陽仲昆
        內(nèi)燃機(jī)與動力裝置 2019年4期
        關(guān)鍵詞:軌壓節(jié)流閥背壓

        張朝陽,仲昆

        (1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機(jī)研究院,山東濰坊 261061)

        0 引言

        隨著人們環(huán)保意識的提高,國家加大了對車輛排放的控制力度。根據(jù)自身的技術(shù)特長和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),重型柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)正在采取各種措施以達(dá)到更為嚴(yán)格的排放要求。為實(shí)現(xiàn)歐Ⅳ排放,柴油機(jī)采用的主要后處理技術(shù)包括冷卻廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)、顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)技術(shù)。EGR技術(shù)與DPF共同使用,通過EGR技術(shù)來降低NOx排放,再通過DPF來降低顆粒物(particulate matter,PM)排放。應(yīng)用SCR技術(shù)主要為了獲得最大的NOx轉(zhuǎn)化率。首先通過機(jī)內(nèi)凈化,使顆粒物排放達(dá)到歐Ⅳ排放要求;其次通過SCR后處理系統(tǒng)降低NOx,以達(dá)到歐IV 排放標(biāo)準(zhǔn)。相同條件下,溫度越高,SCR催化轉(zhuǎn)化器的效率越高,DPF的再生效率越高[1]。如果要滿足高效SCR和DPF再生要求,就需要發(fā)動機(jī)有較好的排溫?zé)峁芾矸椒?。而現(xiàn)有排溫?zé)峁芾矸椒ǘ喾N多樣且復(fù)雜,針對排溫?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究就更加重要。

        鄭貴聰?shù)萚1]研究在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)氣節(jié)流閥和排氣蝶閥對排溫的影響,結(jié)果顯示,排放循環(huán)下進(jìn)氣節(jié)流閥不僅溫升效果好,油耗也稍低于排氣蝶閥。王琦瑋等[2]研究了利用電加熱裝置和燃燒器提升排氣溫度和實(shí)現(xiàn)DPF主動再生??軅鞲籟3]采取推遲主噴定時(shí)、節(jié)氣門、渦前和渦后保溫等措施后,發(fā)動機(jī)冷態(tài)世界統(tǒng)一瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)循環(huán)溫升94.3 ℃,熱態(tài)WHTC循環(huán)溫升53.9 ℃。劉光義等[4]試驗(yàn)研究了采用后噴、增大可變幾何渦輪增壓器(variable geometry turbocharger,VGT)開度和利用進(jìn)氣門晚關(guān)提升SCR后處理器溫度。王建[5]利用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)研究了控制噴油參數(shù)對缸內(nèi)排氣溫度的影響,提出各區(qū)域升溫噴油控制策略。曹政[6]研究表明,DPF再生觸發(fā)時(shí)采用排氣熱管理策略后,DPF入口溫度能迅速提升且能滿足DPF再生溫度要求。莊健[7]研究了適當(dāng)控制節(jié)氣門開度實(shí)現(xiàn)柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口溫度250 ℃以上時(shí)HC正常起燃。余永華[8]研究發(fā)現(xiàn),在滿足低排放和低油耗的前提下,僅靠單一排氣熱管理措施難以提高排溫,須兩種或兩種以上措施合理匹配、共同作用。李海慶[9]通過試驗(yàn)顯示,中冷器冷卻水的控制可作為進(jìn)氣節(jié)流閥提高排溫時(shí)的一種有效補(bǔ)充手段。唐蛟[10-11]利用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)研究了中低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)氣節(jié)流閥、噴油提前角、噴射壓力和后噴等排氣熱量管理主動控制措施對排氣溫度的影響;并指出DPF主動再生時(shí),通過進(jìn)氣節(jié)流閥和后噴相結(jié)合的排氣溫度控制措施,DOC前的平均排氣溫度可提高到320 ℃左右,實(shí)現(xiàn)了DPF連續(xù)快速再生。魏紅玲[12]指出熱態(tài)EGR不僅能提升發(fā)動機(jī)排氣溫度,還能大幅度降低NOx排放。金釗等[13]研究發(fā)現(xiàn),在低速小負(fù)荷工況下,與帶增壓器的柴油機(jī)相比,自然吸氣狀態(tài)的柴油機(jī)夠提升排氣溫度,轉(zhuǎn)速越高負(fù)荷越大,升溫能力越明顯。

        1 提升排氣溫度方法

        排氣熱管理措施很多,但是各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前常用的提高排氣溫度的方式為:節(jié)流閥、排氣背壓、非冷卻EGR、軌壓后噴。這些方式主要通過降低進(jìn)氣量或提高噴油量使燃燒不充分,從而提高排氣溫度。

        節(jié)流閥安裝在進(jìn)氣管前,通過減小進(jìn)氣量提升排溫。排氣背壓方式是在渦輪增壓器后安裝節(jié)流閥,通過減小排氣量增大進(jìn)氣阻力,減小進(jìn)氣量,提升排溫。非冷卻EGR在冷卻EGR技術(shù)基礎(chǔ)上去掉EGR冷卻器,直接將渦前廢氣引入氣缸,利用廢氣比熱大、溫度高的特點(diǎn),減小進(jìn)氣量,提高進(jìn)氣溫度,提高排溫。軌壓后噴方式包含軌壓和后噴兩種方法,軌壓方法通過降低燃燒時(shí)的噴油壓力,使得燃燒時(shí)燃油的霧化效果降低,使燃燒不充分,起到提升排溫的作用;后噴方法是通過推遲噴油,將一部分燃油在主噴后噴射,由于噴油時(shí)刻過晚導(dǎo)致燃燒不充分,大量的熱未完全做功即被排到排氣管中,從而提高排氣溫度。由于軌壓和后噴方法效果相對較弱,研究過程中將兩種方式進(jìn)行結(jié)合,統(tǒng)一用軌壓后噴表示。

        2 穩(wěn)態(tài)對比

        2.1 試驗(yàn)方案

        表1 試驗(yàn)工況點(diǎn)

        選擇某款增壓中冷電控高壓共軌柴油機(jī)為研究對象,采取的技術(shù)路線是EGR+DOC+DPF+SCR,柴油機(jī)進(jìn)氣端布置節(jié)流閥,SCR后端布置排氣節(jié)流閥[14]。

        試驗(yàn)工況如表1所示,選取3個(gè)不同轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況點(diǎn),分別調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥、EGR閥開度,標(biāo)定后噴油量、后噴時(shí)刻和軌壓,得到排溫與油耗、廢氣量、NOx比排放的影響關(guān)系。

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果

        圖1為各工況下排溫與油耗率的關(guān)系曲線。由圖1可知,非冷卻EGR方式對油耗影響最小,而且提高排溫的能力也最??;軌壓后噴方式對油耗影響最大,但提高排溫的能力很小;節(jié)流閥和排氣背壓方案提升排溫的能力最大,節(jié)流閥對油耗的影響比排氣節(jié)流閥小。

        a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖1 各工況下排溫與油耗率關(guān)系

        SCR系統(tǒng)不僅要關(guān)注起始溫度,還要關(guān)注整個(gè)SCR系統(tǒng)的加熱時(shí)間。溫度相同時(shí),廢氣流量決定SCR的加熱時(shí)間。4種熱管理方案廢氣流量的對比如圖2所示。

        a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖2 各工況下排溫與廢氣量關(guān)系

        由圖2可知,節(jié)流閥、排氣背壓和非冷卻EGR通過降低廢氣量或降低進(jìn)氣量方式起到提升排溫的效果;由于噴油量的增多軌壓后噴,增壓器作功能力增強(qiáng),進(jìn)氣量增大,燃燒溫度變化不大,排溫提升有限。相對于排氣背壓,節(jié)流閥在相同排溫情況下廢氣量少,故將SCR全部加熱時(shí)間變長。

        4種方案下排溫與NOx排放的關(guān)系如圖3所示。節(jié)流閥和排氣背壓對NOx排放基本無影響,而軌壓后噴方案和非冷卻EGR方案NOx排放物的生成能夠隨著排溫的降低而降低。

        a)工況1 b)工況2 c)工況3 圖3 各工況下排溫與NOx排放的關(guān)系

        3 瞬態(tài)對比

        車輛正常駕駛循環(huán)下發(fā)動機(jī)大部分時(shí)間以瞬態(tài)工況運(yùn)行為主,如何能夠在發(fā)動機(jī)開始運(yùn)行時(shí)迅速提升排氣溫度,并且短時(shí)間內(nèi)將SCR系統(tǒng)完全加熱極為重要。非冷卻EGR和軌壓后噴方案提升排溫能力有限,故只對比進(jìn)、排氣背壓在瞬態(tài)工況下的表現(xiàn)。瞬態(tài)對比采用在冷態(tài)下、在相同時(shí)間內(nèi)加速到同一工況,檢測排溫隨時(shí)間的變化并記錄油耗。瞬態(tài)對比如圖4所示。

        由于采用自然冷卻的方式,起始溫度無法統(tǒng)一,但由圖4可知,相對于節(jié)流閥,排氣背壓能夠更快地加熱后處理系統(tǒng)。

        為了避免起始溫度不一致對兩種加熱方法的影響,可以將起始溫度進(jìn)行統(tǒng)一分析,則圖4即可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5。

        由圖5可知,排氣背壓方式較節(jié)流閥方式能夠更快的完成后處理系統(tǒng)加熱。節(jié)流閥方式SCR后溫度到達(dá)150 ℃需790 s,累計(jì)油耗1069.2 g;而排氣背壓方式達(dá)到150 ℃需610 s,累計(jì)油耗914 g。排氣背壓方式較節(jié)流閥方式快180 s,油耗減少155.2 g。即排氣背壓方式雖然在穩(wěn)態(tài)工況油耗更高,但加熱后處理時(shí)間更短,所以能夠使用最低的油耗將后處理系統(tǒng)完全加熱。

        圖4 節(jié)流閥和排氣背壓瞬態(tài)對比 圖5 起始溫度統(tǒng)一后瞬態(tài)對比

        4 結(jié)論

        通過對比節(jié)流閥、排氣背壓、非冷卻EGR和軌壓后噴等4種提升排溫方案,表明非冷卻EGR對油耗影響最小但提升排溫能力也最差,而軌壓后噴方式對油耗影響最大且提升排溫能力較差;相對節(jié)流閥方式,排氣背壓方式能夠更快更省地將后處理系統(tǒng)完全加熱。

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