王軍，張磊，樊志梟，張希杰，耿磊，王遠景

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機技術(shù)研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

車用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)是目前最成熟的重型柴油機尾氣后處理技術(shù)，可使柴油機滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)，同時具有較好的燃油經(jīng)濟性，已在國內(nèi)外重型柴油機市場得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

增壓中冷后進氣溫度對柴油機性能影響較大，中冷后進氣溫度過高，導(dǎo)致充氣效率下降，影響柴油機功率；中冷后氣溫過低，導(dǎo)致柴油機進氣溫度較低，影響柴油機燃燒溫度及排氣溫度，從而影響SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率[4-5]。

1 仿真及結(jié)果分析

在GT-power環(huán)境中進行柴油機缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度熱力學(xué)仿真，熱力學(xué)模型如圖1所示，發(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)規(guī)格

圖1 柴油機熱力學(xué)仿真模型

選定穩(wěn)態(tài)工況點為功率81 kW、轉(zhuǎn)速2300 r/min和功率75 kW、轉(zhuǎn)速1800 r/min，模擬中冷后進氣溫度分別為30、35、40、45、50、55、60 ℃時柴油機缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著中冷后進氣溫度的升高，缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度均逐漸升高。柴油機缸內(nèi)最高燃燒溫度的升高導(dǎo)致原機NOx排放升高，渦輪后排溫的升高有助于提高SCR后處理系統(tǒng)的入口溫度[6-10]。

a)功率81 kW、轉(zhuǎn)速2300 r/min b) 功率75 kW、轉(zhuǎn)速1800 r/min圖2 不同工況下柴油機缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度模擬結(jié)果

2 試驗系統(tǒng)布置

圖3 臺架測試系統(tǒng)

為更好地對比中冷后進氣溫度的差異對排放結(jié)果的影響，本次試驗選擇功率和排氣量相對較小的2.3 L機型進行排放試驗。按照文獻[11]中試驗工況和試驗條件要求進行世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)排放循環(huán)測試。臺架試驗測試系統(tǒng)布置如圖3所示。

采用二級中冷系統(tǒng)，分別將標(biāo)定工況中冷后進氣溫度控制在30、40、50 ℃，固定中冷進水閥門開度，控制其他邊界條件不變，多次進行WHTC循環(huán)，測量記錄噴尿素前后NOx排放、渦輪后排溫等參數(shù)。

分別采用中冷一級中冷系統(tǒng)、中冷二級中冷系統(tǒng)，固定中冷器循環(huán)水閥門開度不變，進行一天中不同時刻WHTC排放試驗，觀察環(huán)境溫度變化對WHTC中冷后氣溫的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 中冷后進氣溫度對WHTC排放的影響

原機NOx排放試驗結(jié)果如表2所示。

表2 排放結(jié)果對比表

標(biāo)定工況中冷后進氣溫度控制在30、40、50 ℃，對應(yīng)的WHTC原機NOx排放結(jié)果分別為5.88、6.02、6.14 g/(kw·h)。隨著中冷后進氣溫度的升高，NOx原機排放結(jié)果也有所升高。

3.1.2 WHTC循環(huán)NOx尾排結(jié)果對比

WHTC循環(huán)試驗在尾氣中NOx的體積分?jǐn)?shù)、尿素噴射速率、排氣溫度、中冷后進氣溫度結(jié)果分別見圖4～7。

圖4 WHTC瞬態(tài)循環(huán)NOx體積分?jǐn)?shù) 圖5 WHTC瞬態(tài)循環(huán)尿素噴射速率

由圖4可見，NOx排放主要出現(xiàn)在WHTC循環(huán)前700 s，該區(qū)域排溫較低，尿素噴射較少且催化劑未達到最佳工作溫度，導(dǎo)致NOx體積分?jǐn)?shù)較高。對比不同中冷后進氣溫度對應(yīng)試驗結(jié)果， 隨著中冷進氣溫度的升高，循環(huán)中總的尿素噴射量增加，NOx體積分?jǐn)?shù)隨之降低。雖然中冷后進氣溫度的升高也帶來原機NOx一定程度的升高,但國六噴射策略中尿素噴射速率能夠隨原機NOx體積分?jǐn)?shù)的變化而相應(yīng)調(diào)整。中冷后進氣溫度升高后，排氣溫度升高，SCR噴射系統(tǒng)尿素能更快起噴，同時催化劑能夠更快進入高效窗口區(qū)域，從而能夠提高SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，降低NOx排放結(jié)果。

圖6 WHTC瞬態(tài)循環(huán)排氣溫度 圖7 WHTC瞬態(tài)循環(huán)中冷后氣溫

當(dāng)中冷進氣溫度為30 ℃時，NOx體積分?jǐn)?shù)最高，這是因為中冷后進氣溫度過低后導(dǎo)致排氣溫度過低，使得在300～400 s區(qū)域工況未達到尿素噴射條件造成尿素未噴射，從而導(dǎo)致該部分區(qū)域NOx排放較高。

3.2 兩種不同冷卻系統(tǒng)中冷后進氣溫度及排放結(jié)果對比

分別采用一級中冷系統(tǒng)、二級中冷系統(tǒng)在一天不同時段進行試驗，驗證兩種中冷系統(tǒng)對WHTC瞬態(tài)排放循環(huán)中冷后氣溫的影響。固定中冷器進水閥門開度，控制其他邊界條件一致，在一天中早、中、晚3個固定時刻進行熱態(tài)WHTC循環(huán)。兩種系統(tǒng)試驗獲得的各循環(huán)中冷后氣溫如圖8所示。

a)一級中冷系統(tǒng) b)二級中冷系統(tǒng)圖8 中冷后氣溫變化

由圖8可見，采用一級中冷系統(tǒng)進行試驗時，3個時段的中冷后平均進氣溫度差異較大，分別為18.3、21.2、25.6 ℃。采用一級中冷系統(tǒng)時，中冷器內(nèi)冷卻液主要來自冷卻水箱，溫度受環(huán)境溫度影響較大，早上溫度較低，冬季時一般低于20 ℃，此時中冷后進氣溫度也比較低；隨著氣溫的上升和系統(tǒng)的持續(xù)工作，冷卻水箱內(nèi)水溫逐漸升高，中冷后進氣溫度也逐漸升高。

采用二級中冷系統(tǒng)時，由第二級中冷系統(tǒng)中冷凍液對一級中冷器中的冷卻液進行冷卻，能夠較好的控制中冷器中冷卻液溫度，當(dāng)中冷器進水閥門開度固定時，前后幾次WHTC循環(huán)試驗，中冷后進氣溫度變化不大。采用二級中冷系統(tǒng)能夠較好地保證WHTC循環(huán)的排放一致性和正常尿素噴射需要的排氣溫度。

4 結(jié)論

1)中冷后進氣溫度能夠影響柴油機缸內(nèi)最高燃燒溫度和渦輪后排氣溫度，隨著中冷后進氣溫度的升高，缸內(nèi)最高燃燒溫度和排氣溫度均上升。

2)隨著中冷后進氣溫度的提高，WHTC循環(huán)的原機NOx排放升高；中冷后氣溫影響WHTC循環(huán)的排氣溫度和尿素噴射量。中冷后進氣溫度過低，循環(huán)中部分工況低于尿素噴射溫度下限，導(dǎo)致尿素不噴射，NOx排放升高。

3)采用一級中冷系統(tǒng)時，中冷后進氣溫度受外界環(huán)境影響較大，難以保證連續(xù)WHTC循環(huán)試驗中冷后進氣溫度的一致性；建議采用二級中冷系統(tǒng)保證試驗結(jié)果的一致性和有效性。