柴油機WHTC循環排氣熱管理之后處理技術研究

摘 要：本文介紹了WHTC排放測試循環的背景，以一臺3.8L柴油機為試驗樣機，對其運行WHTC循環以及現行國標GB17691-2005中的歐洲瞬態排放測試循環（ETC）的試驗工況進行了后處理排氣溫度對比分析，造成WHTC循環NOX排放的主要原因就是發動機在循環過程中排氣溫度偏低，SCR后處理系統工作條件不佳。因此能夠提高或保持后處理器的溫度，選擇更高效適用的后處理是我們研究的方向，本文基于后處理保溫措施，后處理的選擇對排放的影響進行分析。

關鍵詞：柴油機；聚類分析；管路保溫；SCR 催化轉化器

中圖分類號：U467.2+1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0066-05

Abstract： In this paper， the background of the WHTC emission test cycle is introduced， and a 3.8L diesel engine is used as a test prototype. The WHTC cycle and the test condition of European Transient emission test Cycle （ETC） of the current GB17691-2005 in China are compared and analyzed. Through the analysis of the post - treatment exhaust temperature of the test case， The main reason for the high NOX emission in the WHTC cycle is that the exhaust temperature of the engine is lower during the cycle， and the working condition of the SCR post-treatment system is poorer. Therefore， it is the direction of our research to improve or maintain the temperature of the post processor， and to choose the more efficient and suitable post-processing. This paper analyzes the influence of the choice of the post-treatment on the emission based on the heat treatment after treatment.

Key Words： Diesel， Matrix Analysis， Pipeline Insulation， SCR， Catalyst

1 排放熱管理技術引入背景

SCR技術路線是國IV及國V階段柴油發動機降低氮氧化物（NOx）排放的主流技術路線[1]。在目前已經核準的滿足國IV排放標準的柴油機機型中，采用SCR技術路線的占80%以上。但是，SCR系統對NOx排放的控制效果嚴重依賴于SCR后處理的溫度條件。研究發現，裝用滿足國Ⅳ標準的SCR路線柴油機的城市用車輛在實際使用中由于排氣溫度較低，SCR系統低溫效率偏低，造成NOx排放較高[2]。國家環保部為解決柴油機的型式核準試驗循環對城市車輛發動機運轉工況不具代表性問題，于2014年1月6日發布了《城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）》（HJ689-2014），提出采用與城市車輛運行工況吻合較好的全球統一重型發動機試驗循環（WHTC），作為城市車輛用重型柴油機型式核準的排放測試循環。

通過對該法規的研究，WHTC試驗循環從冷機啟動的特殊性，以及運行工況偏重中低轉速與中低負荷，對比ETC試驗循環后處理溫度總體普遍偏低，且幅度較大，如圖1所示：

采取相應的技術措施提升發動機排氣溫度是提高SCR后處理對NOX轉化效率的有效措施。

盡管DOC可以通過氧化反應，消耗掉排氣中的THC和CO，會有一定放熱作用，但由于柴油機經過機內凈化后的排氣中THC與CO的含量極少，想利用著些許熱量提升整個排氣溫度效果極其有限，所以不考慮單獨利用DOC來進行排氣熱管理的方案，并且通過標定技術完全可以利用機內凈化技術將THC、CO 排放控制在法規要求的范圍之內，該機型不考慮在國五單獨SCR后處理配置上加裝DOC。

2 WHTC循環的聚類分析

由于WHTC循環是一系列瞬態變化的工況點，為了便于對WHTC循環進行進一步深入的研究，本文采用聚類分析（clustering analysis）的數據統計方法對WHTC循環的1800個工況點進行分析處理，將瞬態試驗循環轉化為一系列穩態的特征工況點。

聚類分析就是將數據空間中的對象分成由特性相似的對象組成的類的方法。同類中的數據間具有較高的相似度，而不同類的數據之間則差異較大。

本文采用的聚類分析算法為K-平均（K-means）算法，這是最早出現并且使用最為廣泛的經典聚類算法，其基本原則是使每個數據點與其聚類中心點的距離之和最小化[3]。組內數據點與聚類中心點之間距離的計算公式為：

對數據進行分類的過程大致分為以下幾步：

（1） 隨機選取初始聚類中心點。初始中心點的選擇可以是在數據空間內的任意點，也可以選擇數據序列內的隨機點作為初始點；

（2）將每一個數據點指定給與其距離最小的聚類中心點，然后調整聚類中心點的位置，使每一個數組內的所有數據點與本組中心點的距離之和最小；

（3）在第2步完成后，聚類中心點的位置已經發生變化，因此對所有的數據點按照調整后的聚類中心點位置重新分組，將每一個數據點重新指定給與其距離最小的中心點；

（4）重復以上的步驟，直到調整聚類中心點的位置后，所有數據點的分組情況不在發生變化為止。

最終，以上聚類算法收斂后即可得到的一系列中心點以及所有數據點的分組情況。

本文采用聚類分析法將WHTC循環的1800個工況點轉化為了10個特征工況點，其分布WHTC循環工況點的分布如圖2所示：

從圖2中可以看出，10個特征工況點比較均勻的分布在WHTC循環的工況區域。由于在比較高的負荷區域發動機排氣溫度已經比較高，無需進行排氣熱管理，因此本文選擇了位于低轉速、低負荷區域的3個特征工況（圖2框內所示）進行排氣熱管理技術的研究。

3 排氣管路保溫技術

本文以一臺3.8L柴油機為試驗樣機，通過對其運行WHTC循環試驗工況進行了分析，試驗樣機的主要技術參數見表1：

如圖3所示，將試驗樣機的運行區域投射到SCR后處理的效率MAP圖表中，發現試驗樣機的在進行WHTC試驗時，集中在60%以下的低效率區，在80%以上的高效率區運轉時間很短，這是造成WHTC循環后處理效率低的主要原因，所以能夠增加運行在更高效率區的策略是我們所追求的。

由于WHTC試驗循環從冷機啟動的特殊性，以及運行工況偏重中低轉速與中低負荷，對比ETC試驗循環后處理溫度總體普遍偏低，且幅度較大。

如圖4所示，該樣機在運行WHTC試驗循環時，SCR后處理器入口的溫度90%以上的時間低于300℃，這個溫度區間對后處理器的效率非常敏感，溫度略有提高，后處理器的轉化效率就會明顯提升，因此通過對排氣管路進行保溫材料包裹，盡可能減少從增壓器出口到后處理器入口之間排氣管路熱量損失，以保證后處理器有較高的溫度，可以提高后處理器轉化NOX的能力。

在該試驗樣機上進行試驗，對從發動機增壓器出口到后處理器入口的830mm直徑1.5米長排氣管路進行保溫處理，我們采用的是陶瓷纖維后處理管路包裹材料，該材料具有1000℃以上的高耐熱性和非常好保溫性能，其保溫性能與包裹厚度與空氣流動速度相關，我們分別記錄了管路保溫前后的SCR后處理器入口處的溫度狀況，經過保溫后，溫度基本損失不大，其對比曲線如圖5所示：

從圖5可以看出，經過管路保溫處理后的后處理溫度總體上比不經過管路保溫處理的溫度要高10℃左右，后處理器溫度200℃-300℃之間，效率隨溫度的增加急劇上升，對應10℃的溫差后處理器效率有5%，甚至10%的提升，不同后處理效率與溫度特性的關系如圖6所示：

因此對排氣管進行后處理保溫處理可以通過提高后處理溫度的方式，有效提高后處理器對NOX的轉化效率。

同時在試驗樣機的運行區域投射到SCR后處理的效率MAP圖表中的位置隨著SCR入口溫度的提升而向后處理高效側移動，從另一個角度論證了排氣管保溫技術可以有效提高后處理器對NOX的轉化效率。

4 低溫后處理器

本文基于目前廣泛使用的三種具有代表性的擠出式后處理，銅基分子篩后處理，涂覆式釩基后處理特性進行介紹。

為了對比擠出式釩基后處理、銅基分子篩后處理和涂覆式釩基后處理在低溫條件下的特性，本文對試驗樣機分別搭載相同體積的三種后處理時的NOX轉化效率等特性進行了試驗。試驗時，通過合理的選取運轉工況，使SCR后處理前的排氣溫度為200℃，空速為19770h-1。在進行特性試驗時，在每個工況點下均穩定足夠長且相等的時間。

NOX轉化效率和NH3泄露與氨氮比（ANR）的關系如圖7所示：

從圖中可以看出，在ANR低于0.6時，由于NH3供給量較少，三種后處理均能夠比較理想的完成對NH3和NOX的反應，NOX轉化率和NH3泄露均未表現出太大的差異；隨著ANR的逐漸提高，在0.61時，在NOx轉化率和NH3泄露方面，銅基分子篩催化劑均表現出優于釩基催化劑的性能，而同樣采用釩基催化劑的后處理則表現出擠出式后處理優于涂覆式后處理的趨勢。

考慮到在國V柴油機開發時，在原機NOx排放為9g/kwh的情況下，只需要SCR后處理效率為80% 即可滿足NOx排放法規要求，即實際ANR不會達到1，并且擠出式釩基后處理對燃油中硫的耐受性以及經濟性方面均優于銅基分子篩催化劑，因此在進行國V柴油機的WHTC開發時，建議采用釩基催化劑的擠出式后處理。

5 總結

①為解決WHTC循環排氣溫度較低，而后處理在低溫條件下效率較低的問題引入排溫熱管理技術

②采用聚類分析的方法，整個WHTC循環工況可以用WHTC的某些單一特征點來代表

③采用排氣管保溫技術進行發動機排氣熱管理是柴油機WHTC循環NOX排放控制的有效技術措施。

④選取合適的后處理器可以提高NOx轉化率

⑤在低排氣溫度條件下，銅基分子篩催化劑的性能優于釩基催化劑，而同樣采用釩基催化劑時，擠出式后處理優于涂覆式后處理。但是綜合國V柴油機WHTC循環NOx排放控制的實際需求，后處理的耐硫性以及經濟性，采用釩基催化劑的擠出式后處理仍是最佳的方案。

參考文獻：

[1]郝勇， 孫健， 王啟峰， 鄭曉晨；重型車用柴油機排放法規及技術路線綜述， 內燃機與動力裝置， 2009年03期.

[2]張紀元， 重型柴油機SCR系統應用技術研究， 山東大學， 2013.

[3]張正興， 趙文輔， 劉悅鋒， 李科， 李立超， 柴油機瞬態循環NOx排放自動標定方法研究， 2014中國汽車工程學會年會論文集.

[4]王琦偉， 倪計民， 周林， 張志平， 排氣系統熱管理及裝置開發研究， 上海汽車， 2011.12.

[5]寇傳富， 滿足京5+排放的柴油機排氣熱管理策略及試驗研究， 湖南大學， 2015.