中冷后进气温度对国六柴油机NOx排放的影响
2019-09-23王军张磊樊志枭张希杰耿磊王远景
王军，张磊，樊志枭，张希杰，耿磊，王远景
(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061；2.潍柴动力空气净化科技有限公司，山东潍坊 261061；3.潍柴动力股份有限公司发动机技术研究院，山东潍坊 261061)
0 引言
车用选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术是目前最成熟的重型柴油机尾气后处理技术，可使柴油机满足严格的排放法规，同时具有较好的燃油经济性，已在国内外重型柴油机市场得到广泛应用[1-3]。
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]。
1 仿真及结果分析
在GT-power环境中进行柴油机缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度热力学仿真，热力学模型如图1所示，发动机基本参数如表1所示。
表1 柴油机主要技术规格
图1 柴油机热力学仿真模型
选定稳态工况点为功率81 kW、转速2300 r/min和功率75 kW、转速1800 r/min，模拟中冷后进气温度分别为30、35、40、45、50、55、60 ℃时柴油机缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度，结果如图2所示。由图2可知，随着中冷后进气温度的升高，缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度均逐渐升高。柴油机缸内最高燃烧温度的升高导致原机NOx排放升高，涡轮后排温的升高有助于提高SCR后处理系统的入口温度[6-10]。
a)功率81 kW、转速2300 r/min b) 功率75 kW、转速1800 r/min图2 不同工况下柴油机缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度模拟结果
2 试验系统布置
图3 台架测试系统
为更好地对比中冷后进气温度的差异对排放结果的影响，本次试验选择功率和排气量相对较小的2.3 L机型进行排放试验。按照文献[11]中试验工况和试验条件要求进行世界统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle，WHTC)排放循环测试。台架试验测试系统布置如图3所示。
采用二级中冷系统，分别将标定工况中冷后进气温度控制在30、40、50 ℃，固定中冷进水阀门开度，控制其他边界条件不变，多次进行WHTC循环，测量记录喷尿素前后NOx排放、涡轮后排温等参数。
分别采用中冷一级中冷系统、中冷二级中冷系统，固定中冷器循环水阀门开度不变，进行一天中不同时刻WHTC排放试验，观察环境温度变化对WHTC中冷后气温的影响。
3 试验结果及分析
3.1 中冷后进气温度对WHTC排放的影响
原机NOx排放试验结果如表2所示。
表2 排放结果对比表
标定工况中冷后进气温度控制在30、40、50 ℃，对应的WHTC原机NOx排放结果分别为5.88、6.02、6.14 g/(kw·h)。随着中冷后进气温度的升高，NOx原机排放结果也有所升高。
3.1.2 WHTC循环NOx尾排结果对比
WHTC循环试验在尾气中NOx的体积分数、尿素喷射速率、排气温度、中冷后进气温度结果分别见图4～7。
图4 WHTC瞬态循环NOx体积分数 图5 WHTC瞬态循环尿素喷射速率
由图4可见，NOx排放主要出现在WHTC循环前700 s，该区域排温较低，尿素喷射较少且催化剂未达到最佳工作温度，导致NOx体积分数较高。对比不同中冷后进气温度对应试验结果， 随着中冷进气温度的升高，循环中总的尿素喷射量增加，NOx体积分数随之降低。虽然中冷后进气温度的升高也带来原机NOx一定程度的升高,但国六喷射策略中尿素喷射速率能够随原机NOx体积分数的变化而相应调整。中冷后进气温度升高后，排气温度升高，SCR喷射系统尿素能更快起喷，同时催化剂能够更快进入高效窗口区域，从而能够提高SCR系统转化效率，降低NOx排放结果。
图6 WHTC瞬态循环排气温度 图7 WHTC瞬态循环中冷后气温
当中冷进气温度为30 ℃时，NOx体积分数最高，这是因为中冷后进气温度过低后导致排气温度过低，使得在300～400 s区域工况未达到尿素喷射条件造成尿素未喷射，从而导致该部分区域NOx排放较高。
3.2 两种不同冷却系统中冷后进气温度及排放结果对比
分别采用一级中冷系统、二级中冷系统在一天不同时段进行试验，验证两种中冷系统对WHTC瞬态排放循环中冷后气温的影响。固定中冷器进水阀门开度，控制其他边界条件一致，在一天中早、中、晚3个固定时刻进行热态WHTC循环。两种系统试验获得的各循环中冷后气温如图8所示。
a)一级中冷系统 b)二级中冷系统图8 中冷后气温变化
由图8可见，采用一级中冷系统进行试验时，3个时段的中冷后平均进气温度差异较大，分别为18.3、21.2、25.6 ℃。采用一级中冷系统时，中冷器内冷却液主要来自冷却水箱，温度受环境温度影响较大，早上温度较低，冬季时一般低于20 ℃，此时中冷后进气温度也比较低；随着气温的上升和系统的持续工作，冷却水箱内水温逐渐升高，中冷后进气温度也逐渐升高。
采用二级中冷系统时，由第二级中冷系统中冷冻液对一级中冷器中的冷却液进行冷却，能够较好的控制中冷器中冷却液温度，当中冷器进水阀门开度固定时，前后几次WHTC循环试验，中冷后进气温度变化不大。采用二级中冷系统能够较好地保证WHTC循环的排放一致性和正常尿素喷射需要的排气温度。
4 结论
1)中冷后进气温度能够影响柴油机缸内最高燃烧温度和涡轮后排气温度，随着中冷后进气温度的升高，缸内最高燃烧温度和排气温度均上升。
2)随着中冷后进气温度的提高，WHTC循环的原机NOx排放升高；中冷后气温影响WHTC循环的排气温度和尿素喷射量。中冷后进气温度过低，循环中部分工况低于尿素喷射温度下限，导致尿素不喷射，NOx排放升高。
3)采用一级中冷系统时，中冷后进气温度受外界环境影响较大，难以保证连续WHTC循环试验中冷后进气温度的一致性；建议采用二级中冷系统保证试验结果的一致性和有效性。
