針對重型柴油機(jī)低溫工況下的熱管理技術(shù)

李海慶，陳 娟，劉新玲，辛海明

（濰坊職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濰坊262737）

0 引言

隨著國六法規(guī)的實(shí)施，法規(guī)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(shí)國六還首次引進(jìn)了PN數(shù)的概念[1]。這些不僅對發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)提出嚴(yán)格的要求，對后處理更是一個(gè)挑戰(zhàn)，而后處理的轉(zhuǎn)化效率特別是SCR后處理與排氣溫度溫度密切相關(guān)[2]。柴油機(jī)顆粒捕集（DPF）是解決柴油機(jī)顆粒物比較實(shí)用的方法之一，被動(dòng)再生是清除采集的顆粒較經(jīng)濟(jì)、方便的方式，但被動(dòng)再生需要在一定溫度下進(jìn)行，在較低溫度的工況下無法完成被動(dòng)再生[3]。為了提高柴油機(jī)低溫工況下的SCR轉(zhuǎn)化效率和DPF被動(dòng)再生，需要對這些工況進(jìn)行熱管理[4]，如何選擇經(jīng)濟(jì)有效的熱管理技術(shù)是較難的課題[5]，本文研究了幾種針對重型柴油機(jī)低溫工況下的熱管理技術(shù)。

1 提高排氣溫度的技術(shù)措施

1.1 試驗(yàn)用柴油機(jī)

柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況的選擇

選取低溫工況進(jìn)行熱管理技術(shù)的研究，國六WHTC循環(huán)如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況主要集中在中低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速主要集中在50%～60%之間，負(fù)荷主要集中在10%～30%。選取1 200 r/min，該轉(zhuǎn)速下排氣溫度隨負(fù)荷的變化如圖2所示，當(dāng)負(fù)荷率為40%時(shí)，排氣溫度為310℃，已經(jīng)滿足SCR和DPF后處理的高轉(zhuǎn)化效率溫度需求，綜上，該試驗(yàn)研究選取中低轉(zhuǎn)速下15%～40%負(fù)荷工況進(jìn)行熱管理技術(shù)的研究。

圖1 WHTC分布圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度隨負(fù)荷率的變化曲線圖

1.3 后噴（Post-injection）技術(shù)

試驗(yàn)選取低中高三個(gè)轉(zhuǎn)速下15%負(fù)荷和50%負(fù)荷工況進(jìn)行研究，15%負(fù)荷工況目標(biāo)排氣溫度為300℃，50%負(fù)責(zé)工況目標(biāo)排氣溫度400℃，采用后噴策略均能夠達(dá)到目標(biāo)排氣溫度。從圖3和圖4可以看出隨著轉(zhuǎn)速的升高，排氣量增大，要達(dá)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(diǎn)使用后噴情況

圖4 50%扭矩工況點(diǎn)使用后噴情況

1.4 進(jìn)排氣節(jié)流技術(shù)

進(jìn)氣節(jié)流采用進(jìn)氣節(jié)流閥，通過調(diào)節(jié)控制閥的開度，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度。排氣節(jié)流原理同進(jìn)氣節(jié)流，采用排氣節(jié)流閥，通過控制排氣量來影響進(jìn)氣量。進(jìn)氣節(jié)流閥和排氣節(jié)流閥是一種簡單可靠的控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的手段，通過在低速低負(fù)荷降低進(jìn)氣量可以顯著提高排氣溫度。

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

圖5 進(jìn)排氣節(jié)流排氣溫度對比圖

圖6 進(jìn)排氣節(jié)流燃油消耗率對比圖

1.5 可變截面增壓器（VGT）技術(shù)

VGT技術(shù)是在渦端安裝一個(gè)可以調(diào)節(jié)流通截面的裝置，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況自動(dòng)調(diào)節(jié)渦端流通面積，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速工況時(shí)，減小渦輪流通面積使增壓器保持相對高速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速工況時(shí)，增大流通面積，使增壓器不致于超速。采用VGT技術(shù)可通過調(diào)節(jié)渦端流通面積使VGT與發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳匹配，可以有效地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[6]。本文采用的VGT實(shí)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(shí)物圖

圖8 VGT工作原理圖

在1 300 r/min25%負(fù)荷工況，VGT對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響見圖9隨著VGT開度的增大，進(jìn)氣壓力增大，進(jìn)氣流量增大，排氣溫度減小，燃油消耗率增大，這是因?yàn)閂GT開度增大后，進(jìn)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(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響

1.6 廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)

EGR技術(shù)主要用于降低廢氣中的氮氧化物（NOx）的排出量[7]。EGR系統(tǒng)將排氣中少部分廢氣經(jīng)EGR閥進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸參與燃燒，可以有效降低了燃燒時(shí)氣缸中的溫度，因?yàn)镹Ox排放物是高溫富氧的條件下的產(chǎn)物，故抑制了NOx的生成，從而降低了廢氣中的NOx含量。經(jīng)研究EGR的應(yīng)用不僅能降低NOx的生成，也會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排氣溫度有影響，可以適當(dāng)降低油耗和提高排氣溫度[8]。

非冷卻的EGR系統(tǒng)，廢氣不冷卻直接引入進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合，提高進(jìn)氣溫度，從而有效提高排氣溫度，非冷卻EGR系統(tǒng)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(jìn)氣中引入廢氣，影響進(jìn)氣的質(zhì)量，不可避免的會(huì)造成顆粒和煙度的增加，故熱EGR僅用于低負(fù)荷區(qū)域，低負(fù)荷工況的空燃比一般比較大，引用廢氣后相對高負(fù)荷區(qū)域影響小。

圖10 非冷卻EGR系統(tǒng)示意圖

圖11 溫升提升情況

2 應(yīng)用效果分析

（1）后噴技術(shù)、進(jìn)排氣節(jié)流技術(shù)、VGT技術(shù)和非冷卻EGR技術(shù)都可以有效提高排氣溫度。

（2）后噴技術(shù)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)油耗惡化，但與其他工況相比中速低溫工況采用后噴技術(shù)油耗升高不明顯。

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

（4）低溫工況采用VGT技術(shù)可以有效降低泵氣損失從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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

（6）根據(jù)提排溫的目標(biāo)，選擇合適的熱管理技術(shù)來對低溫工況進(jìn)行熱管理。