李海庆，陈 娟，刘新玲，辛海明

（潍坊职业学院 机电工程学院，山东 潍坊262737）

0 引言

随着国六法规的实施，法规对NOx的排放要求从国五的2.0g/（kW·h）到国六的0.4 g/（kW·h），颗粒从0.02/（kW·h）降低到国六的0.01g/（kW·h），NOx与PM都有大幅度的降低，同时国六还首次引进了PN数的概念[1]。这些不仅对发动机原机提出严格的要求，对后处理更是一个挑战，而后处理的转化效率特别是SCR后处理与排气温度温度密切相关[2]。柴油机颗粒捕集（DPF）是解决柴油机颗粒物比较实用的方法之一，被动再生是清除采集的颗粒较经济、方便的方式，但被动再生需要在一定温度下进行，在较低温度的工况下无法完成被动再生[3]。为了提高柴油机低温工况下的SCR转化效率和DPF被动再生，需要对这些工况进行热管理[4]，如何选择经济有效的热管理技术是较难的课题[5]，本文研究了几种针对重型柴油机低温工况下的热管理技术。

1 提高排气温度的技术措施

1.1 试验用柴油机

柴油机主要技术规格如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

1.2 试验工况的选择

选取低温工况进行热管理技术的研究，国六WHTC循环如图1所示，发动机运行工况主要集中在中低转速，转速主要集中在50%～60%之间，负荷主要集中在10%～30%。选取1 200 r/min，该转速下排气温度随负荷的变化如图2所示，当负荷率为40%时，排气温度为310℃，已经满足SCR和DPF后处理的高转化效率温度需求，综上，该试验研究选取中低转速下15%～40%负荷工况进行热管理技术的研究。

图1 WHTC分布图

图2 发动机排气温度随负荷率的变化曲线图

1.3 后喷（Post-injection）技术

试验选取低中高三个转速下15%负荷和50%负荷工况进行研究，15%负荷工况目标排气温度为300℃，50%负责工况目标排气温度400℃，采用后喷策略均能够达到目标排气温度。从图3和图4可以看出随着转速的升高，排气量增大，要达到相同的排气温度，需求的油耗量依次增多，但每kg油量排温升高率成先升高再降低的趋势，故中速低温工况采用后喷提排气温度是较为有利的。

图3 15%扭矩工况点使用后喷情况

图4 50%扭矩工况点使用后喷情况

1.4 进排气节流技术

进气节流采用进气节流阀，通过调节控制阀的开度，控制发动机的进气量，从而影响发动机的燃烧，提高发动机的排气温度。排气节流原理同进气节流，采用排气节流阀，通过控制排气量来影响进气量。进气节流阀和排气节流阀是一种简单可靠的控制发动机排气温度的手段，通过在低速低负荷降低进气量可以显著提高排气温度。

试验选取中低转速，中低负荷工况点对比进气节流和排气节流的差异，保证相同EGR率，相同的NOx比排放，标定进气节流阀和排气节流阀的开度，对比排温和油耗，通过图5和图6可以看出进气节流提排温效果优于排气节流，但是进气节流油耗高于排气节流，只有在低速低负荷使用进气节流的油耗与使用排气节流的油耗相差不大，故在低速低负荷区域排温的需求比较迫切，以提升排温为主可采用进气节流；中速区域排温需求差一些，油耗低是关键，此区域可采用排气节流。

图5 进排气节流排气温度对比图

图6 进排气节流燃油消耗率对比图

1.5 可变截面增压器（VGT）技术

VGT技术是在涡端安装一个可以调节流通截面的装置，可以根据发动机工况自动调节涡端流通面积，当发动机运行在低速工况时，减小涡轮流通面积使增压器保持相对高速，当发动机运行在高速工况时，增大流通面积，使增压器不致于超速。采用VGT技术可通过调节涡端流通面积使VGT与发动机达到最佳匹配，可以有效地改善发动机的性能[6]。本文采用的VGT实物和工作原理见图7和图8，VGT开度增加，减少涡端流通面积，增大增压压力；VGT开度减小，增加涡端流通面积，减小增压压力。

图7 VGT实物图

图8 VGT工作原理图

在1 300 r/min25%负荷工况，VGT对发动机的性能影响见图9随着VGT开度的增大，进气压力增大，进气流量增大，排气温度减小，燃油消耗率增大，这是因为VGT开度增大后，进排气压差增大，泵气损失增大，故采用较小的VGT开度，可以得到较高的排气温度，较低的油耗，但VGT开度过小会使得发动机烟度升高，故在满足排温的需求后不建议VGT开度过小。

图9 VGT对发动机的性能影响

1.6 废气再循环（EGR）技术

EGR技术主要用于降低废气中的氮氧化物（NOx）的排出量[7]。EGR系统将排气中少部分废气经EGR阀进入进气系统，与新鲜空气混合后进入气缸参与燃烧，可以有效降低了燃烧时气缸中的温度，因为NOx排放物是高温富氧的条件下的产物，故抑制了NOx的生成，从而降低了废气中的NOx含量。经研究EGR的应用不仅能降低NOx的生成，也会对发动机的经济性和排气温度有影响，可以适当降低油耗和提高排气温度[8]。

非冷却的EGR系统，废气不冷却直接引入进气管，与新鲜空气混合，提高进气温度，从而有效提高排气温度，非冷却EGR系统示意图见图10。低温工况的提排温效果见图11，最高提排温35℃，平均提排温25℃。因进气中引入废气，影响进气的质量，不可避免的会造成颗粒和烟度的增加，故热EGR仅用于低负荷区域，低负荷工况的空燃比一般比较大，引用废气后相对高负荷区域影响小。

图10 非冷却EGR系统示意图

图11 温升提升情况

2 应用效果分析

（1）后喷技术、进排气节流技术、VGT技术和非冷却EGR技术都可以有效提高排气温度。

（2）后喷技术会造成发动机油耗恶化，但与其他工况相比中速低温工况采用后喷技术油耗升高不明显。

（3）进气节流提排温效果优于排气节流，但进气节流油耗高于排气节流，故在低速低温工况以提升排温为主可采用进气节流；中速低温工况排温需求差一些，油耗低是关键，此工况可采用排气节流。

（4）低温工况采用VGT技术可以有效降低泵气损失从而改善发动机的燃油经济性。

（5）非冷却EGR技术可有效提排温，最高提排温达35℃，因进气中引入废气，影响进气的质量，不可避免的会造成颗粒和烟度的增加，低负荷工况的空燃比一般比较大，引用废气后相对高负荷区域影响小，故热EGR仅用于低负荷工况。

（6）根据提排温的目标，选择合适的热管理技术来对低温工况进行热管理。