針對重型柴油機低溫工況下的熱管理技術

李海慶，陳 娟，劉新玲，辛海明

（濰坊職業學院 機電工程學院，山東 濰坊262737）

0 引言

隨著國六法規的實施，法規對NOx的排放要求從國五的2.0g/（kW·h）到國六的0.4 g/（kW·h），顆粒從0.02/（kW·h）降低到國六的0.01g/（kW·h），NOx與PM都有大幅度的降低，同時國六還首次引進了PN數的概念[1]。這些不僅對發動機原機提出嚴格的要求，對后處理更是一個挑戰，而后處理的轉化效率特別是SCR后處理與排氣溫度溫度密切相關[2]。柴油機顆粒捕集（DPF）是解決柴油機顆粒物比較實用的方法之一，被動再生是清除采集的顆粒較經濟、方便的方式，但被動再生需要在一定溫度下進行，在較低溫度的工況下無法完成被動再生[3]。為了提高柴油機低溫工況下的SCR轉化效率和DPF被動再生，需要對這些工況進行熱管理[4]，如何選擇經濟有效的熱管理技術是較難的課題[5]，本文研究了幾種針對重型柴油機低溫工況下的熱管理技術。

1 提高排氣溫度的技術措施

1.1 試驗用柴油機

柴油機主要技術規格如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

1.2 試驗工況的選擇

選取低溫工況進行熱管理技術的研究，國六WHTC循環如圖1所示，發動機運行工況主要集中在中低轉速，轉速主要集中在50%～60%之間，負荷主要集中在10%～30%。選取1 200 r/min，該轉速下排氣溫度隨負荷的變化如圖2所示，當負荷率為40%時，排氣溫度為310℃，已經滿足SCR和DPF后處理的高轉化效率溫度需求，綜上，該試驗研究選取中低轉速下15%～40%負荷工況進行熱管理技術的研究。

圖1 WHTC分布圖

圖2 發動機排氣溫度隨負荷率的變化曲線圖

1.3 后噴（Post-injection）技術

試驗選取低中高三個轉速下15%負荷和50%負荷工況進行研究，15%負荷工況目標排氣溫度為300℃，50%負責工況目標排氣溫度400℃，采用后噴策略均能夠達到目標排氣溫度。從圖3和圖4可以看出隨著轉速的升高，排氣量增大，要達到相同的排氣溫度，需求的油耗量依次增多，但每kg油量排溫升高率成先升高再降低的趨勢，故中速低溫工況采用后噴提排氣溫度是較為有利的。

圖3 15%扭矩工況點使用后噴情況

圖4 50%扭矩工況點使用后噴情況

1.4 進排氣節流技術

進氣節流采用進氣節流閥，通過調節控制閥的開度，控制發動機的進氣量，從而影響發動機的燃燒，提高發動機的排氣溫度。排氣節流原理同進氣節流，采用排氣節流閥，通過控制排氣量來影響進氣量。進氣節流閥和排氣節流閥是一種簡單可靠的控制發動機排氣溫度的手段，通過在低速低負荷降低進氣量可以顯著提高排氣溫度。

試驗選取中低轉速，中低負荷工況點對比進氣節流和排氣節流的差異，保證相同EGR率，相同的NOx比排放，標定進氣節流閥和排氣節流閥的開度，對比排溫和油耗，通過圖5和圖6可以看出進氣節流提排溫效果優于排氣節流，但是進氣節流油耗高于排氣節流，只有在低速低負荷使用進氣節流的油耗與使用排氣節流的油耗相差不大，故在低速低負荷區域排溫的需求比較迫切，以提升排溫為主可采用進氣節流；中速區域排溫需求差一些，油耗低是關鍵，此區域可采用排氣節流。

圖5 進排氣節流排氣溫度對比圖

圖6 進排氣節流燃油消耗率對比圖

1.5 可變截面增壓器（VGT）技術

VGT技術是在渦端安裝一個可以調節流通截面的裝置，可以根據發動機工況自動調節渦端流通面積，當發動機運行在低速工況時，減小渦輪流通面積使增壓器保持相對高速，當發動機運行在高速工況時，增大流通面積，使增壓器不致于超速。采用VGT技術可通過調節渦端流通面積使VGT與發動機達到最佳匹配，可以有效地改善發動機的性能[6]。本文采用的VGT實物和工作原理見圖7和圖8，VGT開度增加，減少渦端流通面積，增大增壓壓力；VGT開度減小，增加渦端流通面積，減小增壓壓力。

圖7 VGT實物圖

圖8 VGT工作原理圖

在1 300 r/min25%負荷工況，VGT對發動機的性能影響見圖9隨著VGT開度的增大，進氣壓力增大，進氣流量增大，排氣溫度減小，燃油消耗率增大，這是因為VGT開度增大后，進排氣壓差增大，泵氣損失增大，故采用較小的VGT開度，可以得到較高的排氣溫度，較低的油耗，但VGT開度過小會使得發動機煙度升高，故在滿足排溫的需求后不建議VGT開度過小。

圖9 VGT對發動機的性能影響

1.6 廢氣再循環（EGR）技術

EGR技術主要用于降低廢氣中的氮氧化物（NOx）的排出量[7]。EGR系統將排氣中少部分廢氣經EGR閥進入進氣系統，與新鮮空氣混合后進入氣缸參與燃燒，可以有效降低了燃燒時氣缸中的溫度，因為NOx排放物是高溫富氧的條件下的產物，故抑制了NOx的生成，從而降低了廢氣中的NOx含量。經研究EGR的應用不僅能降低NOx的生成，也會對發動機的經濟性和排氣溫度有影響，可以適當降低油耗和提高排氣溫度[8]。

非冷卻的EGR系統，廢氣不冷卻直接引入進氣管，與新鮮空氣混合，提高進氣溫度，從而有效提高排氣溫度，非冷卻EGR系統示意圖見圖10。低溫工況的提排溫效果見圖11，最高提排溫35℃，平均提排溫25℃。因進氣中引入廢氣，影響進氣的質量，不可避免的會造成顆粒和煙度的增加，故熱EGR僅用于低負荷區域，低負荷工況的空燃比一般比較大，引用廢氣后相對高負荷區域影響小。

圖10 非冷卻EGR系統示意圖

圖11 溫升提升情況

2 應用效果分析

（1）后噴技術、進排氣節流技術、VGT技術和非冷卻EGR技術都可以有效提高排氣溫度。

（2）后噴技術會造成發動機油耗惡化，但與其他工況相比中速低溫工況采用后噴技術油耗升高不明顯。

（3）進氣節流提排溫效果優于排氣節流，但進氣節流油耗高于排氣節流，故在低速低溫工況以提升排溫為主可采用進氣節流；中速低溫工況排溫需求差一些，油耗低是關鍵，此工況可采用排氣節流。

（4）低溫工況采用VGT技術可以有效降低泵氣損失從而改善發動機的燃油經濟性。

（5）非冷卻EGR技術可有效提排溫，最高提排溫達35℃，因進氣中引入廢氣，影響進氣的質量，不可避免的會造成顆粒和煙度的增加，低負荷工況的空燃比一般比較大，引用廢氣后相對高負荷區域影響小，故熱EGR僅用于低負荷工況。

（6）根據提排溫的目標，選擇合適的熱管理技術來對低溫工況進行熱管理。