試驗環境對國六SCR系統轉換效率的影響研究

闞海 沈晛 吳宇

摘要：在發動機排放試驗中，試驗環境，包括環境溫度以及冷卻氣流方向會對排氣溫度造成影響，從而影響SCR的工作效率。過低的排氣溫度會導致SCR工作效率的降低和氮氧化物的排放變差。針對這一問題，通過控制變量的方法，確認了環境空調對排氣溫度造成的影響。同時驗證包裹保溫材料對于避免排氣溫度的降低所起到的效果。試驗結果表明，試驗室中的環境空調在直接吹掃到后處理前端的排氣管時，會對NOx（氮氧化物）的排放結果造成明顯的影響。因此，對后處理系統的保溫處理是對于改善SCR工作效率非常有效的處理方式。

關鍵詞：試驗環境;WHTC測試;排氣溫度;SCR;氮氧化物排放

0 ?引言

在試驗室中進行國六柴油機排放測試時，發現部分發動機在WHTC測試（World Harmonized Transient Cycle，全球統一瞬態試驗循環）中氮氧化物排放結果較高。經過對比測試以及分析，發現是試驗室內環境條件對SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原技術）系統的工作溫度造成了影響，溫度過低導致SCR轉化效率降低，從而導致這種現象。

WHTC作為ETC（European Transient Cycle，瞬態循環）的替代試驗，由于城市用車輛在實際使用中大部分時間出于低負荷工況，排氣溫度較低。為了更貼合實際，并考慮冷啟動帶來的實際影響，WHTC是由冷啟動與熱啟動兩次循環加權得出結果。由于冷啟動試驗中后處理系統初始溫度較低，并且WHTC整體的負荷以及平均排氣溫度更低，難以快速提升SCR系統的工作溫度。然而SCR系統對于NOx（氮氧化物）的控制有很高的溫度要求[1-4]，因此相對ETC試驗而言，運行WHTC循環時SCR系統的工作效率會相對較低[6]。有數據表明，冷啟動階段前600秒的NOx排放量占到了冷啟動循環的80%以上，而冷啟動循環的NOx排放量約為熱啟動循環的4倍以上。為了滿足國六階段的NOx排放限值，廠家基本都選用擁有較好的低溫特性的銅基分子篩作為SCR系統的主體。即便如此，當排氣溫度受到環境空調的干擾進一步下降時，SCR系統的轉換效率也會較大幅度下降，甚至導致氮氧化物的排放超出限值。

在實際試驗中，通常試驗室只布置一個環節溫度測量點，而發動機本體散熱以及環境空調出風口布置等因素會明顯影響試驗室環境的溫度梯度分布，本研究的目的是為了測試在試驗室中，環境空調是如何影響SCR的轉換效率，并且應該如何有效的避免這種負面影響;也為后續試驗室的改造提供了指導。

1 ?試驗方案

1.1 試驗對象及測量系統

試驗室布置如圖1所示，環境空調在試驗室內部有四個出風口，對稱分布在試驗室的四個角，風向以及風量均不可調整，并不能靈活的進行研究，因此使用了一臺功率接近的可移動的軸流風機模擬環境空調出風口，本試驗中布置1號，2號及3號三個位置模擬不同出風效果，將軸流風機對準渦輪出口位置的排氣管記為風機位置1，對準排氣管中段記為風機位置2，對準后處理記為風機位置3。

1.2 試驗方法

試驗使用一臺280kW的渦輪增壓中冷車用柴油機，搭配連續性再生的國六后處理，滿足GB17691-2018中的排放要求。該發動機原機熱態WHTC的NOx排放結果為7599mg/kWh（通過移除后處理系統測試得出），其主要參數如表1所示。

試驗所用測功機為日本HORIBA公司交流電力測功機，型號為DYNAS3 600，額定功率600kW，最大扭矩5150N·m，最高轉速4500r/min，測量準確度A級;發動機排氣采樣分析系統為日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，主要測量氣體為CO2、CO、THC、NOX、CH4，系統測量準確度≤2%;軸流風機廠家為浙江聚英風機工業有限公司，風量為8513m3/h，功率1.1kW。

國六瞬態測試循環（WHTC）包含了1800個逐秒變化的轉速規范值和扭矩規范值轉換而來的運行工況點。WHTC測試分為冷態和熱態，最終各污染物排放結果應由14%的冷態試驗結果和86%的熱態試驗結果加權得到[5]。考慮到WHTC測試中熱態WHTC循環占權重較大，且冷態測試需等待潤滑油、冷卻液以及后處理都低于30℃，過于消耗時間，因此試驗通過連續的熱態WHTC測試來進行。

由于后處理系統是連續再生，預處理完畢之后，連續的熱態WHTC循環排放結果以及排氣溫度會有較高的一致性。因此可以排除樣品本身的不確定性從而明確風機位置及出風方向對氮氧化物結果造成的影響。

通過移動軸流風機，從不同的位置、不同的角度吹掃從渦輪到SCR系統出口的排氣管，并保持發動機和后處理系統以及其他外在條件一致。測試先關閉軸流風機，然后將風機依次調整至1號，2號以及3號位置，記錄渦輪增壓器出口排氣溫度、SCR前溫度等傳感器的數值，并且記錄連續的熱態WHTC測試的氮氧化物的結果。

考慮到排氣管受到試驗室內安裝的影響，有些部位例如額外安裝的波紋管或彎頭，沒有進行保溫處理;為了探查保溫材料對于排放結果的影響，故將測試分為不安裝保溫材料和安裝保溫材料兩組進行對比。

1.3 試驗條件控制

測試用的發動機在安裝完畢之后，從渦輪出口到后處理系統以及之間的排氣管都沒有受到試驗室環境空調的直接影響。四個出風口分為兩組，每組只可通過開關按鈕開啟或關閉，設定空調循環風機全開，冷凍水節流閥全開，保證實驗室冷量供應穩定。試驗過程中由于兩組空調全部關閉會導致室溫超過40℃，不符合法規要求，因此僅開啟空調一組可以將室溫控制在25℃左右，并且不會對排氣管以及后處理造成直接影響。

正式試驗前先在發動機連續做過2個以上熱態WHTC測試循環，使后處理的氨存儲達到穩定值，之后再進行每個組別的排放測試。每次WHTC排放測試結束之后，移動風機并讓發動機進行10±1min的熱浸，再開始下一次WHTC排放測試。

2 ?試驗結果分析

2.1 無保溫材料的WHTC排放結果

去除排氣管上的保溫材料之后進行的測試，測量到的SCR入口溫度以及NOx排放濃度如圖2、圖3及圖4所示。試驗結果結果見表2。

無保溫材料的熱態WHTC循環排放結果如表2所示：四次試驗碳平衡均小于±0.5%，滿足合理性判定要求。

通過數據對比發現，SCR入口處溫度和NOx排放結果呈明顯負相關性，相關系數為-0.972。其表明SCR入口溫度對NOx排放結果有明顯影響，且溫度越低，NOx排放量越高。分析原因為SCR入口溫度過低會影響SCR整體溫度提升，從而影響其轉化效率。

而在切換不同風機位置時，也可以看出風機對于SCR入口溫度的影響。風機在位置1時，SCR入口溫度最低。原因為風機吹掃靠近渦輪的排氣管段時，由于渦輪出口的排氣溫度較高，因此強烈的熱對流可以帶走更多的熱量，造成SCR入口處溫度下降更為劇烈，也導致了SCR系統的轉換效率下降了許多。風機在位置2吹掃排氣管中段以及在位置3吹掃后處理進行的熱交換影響逐漸減小，尤其是風機吹掃后處理時，由于后處理封裝保溫效果非常好，SCR入口溫度相比軸流風機關閉時降低的非常少，NOx排放結果也相差不大。

2.2 安裝保溫材料的WHTC排放結果

在安裝好保溫材料之后，熱態WHTC循環排放結果如表3所示。可以看到，氮氧化物的排放結果依然隨著SCR入口溫度的上升而減小，趨勢與未安裝保溫材料一致，風機吹掃排氣管越靠前，就會導致SCR入口處排氣溫度越低，同時NOx的排放越差。

對比表2及表3數據可以發現，安裝了保溫材料后，SCR入口平均溫度，有明顯上升，同時，NOx的排放結果有明顯下降，并且效果顯著。此外，SCR入口平均溫度的標準差可以看出，無保溫材料時，該數據離散程度明顯較大，說明風機位置對于該數據有顯著影響。而當包裹了保溫材料以后可以發現風機位置對SCR入口平均溫度的影響顯著降低。

我們將兩組數據合并繪圖后發現SCR入口平均溫度與SCR轉化效率正相關，但并非線性，見圖4。經過保溫處理的SCR入口溫度總體高了19.2℃，而SCR系統的轉化效率也提高了3.7%。

3 ?結論

用軸流風機吹掃渦輪出口處的排氣管，對SCR入口處的排氣溫度以及NOx排放結果都會有影響。特別是在沒有對排氣管進行保溫處理的情況下，NOx的排放結果也遠大于進行保溫處理的情況。因此會對標定等工作造成較大的影響。試驗室的環境空調應盡量保持穩定，從而使環境溫度能夠盡量保持穩定，根據試驗經驗，這一點在較小的試驗室中較難達到。此外，試驗室環境空調出風口的位置因盡量避免直接對著后處理前端的排氣管。如果采用頂部兩進兩出的風口設計，我們推薦靠近測功機端的風口為進風口，靠近發動機端的風口為回風口，以避免風口直接吹到后處理前端的可能性。如采用四個或以上的頂部出風口，回風口置于試驗室底部的設計時，我們則推薦靠近測功機端的出風口應設置為最大風量，越靠近發動機端的出風口在滿足試驗室環境條件的情況下應盡量調小風量，以降低對試驗結果的干擾。

除了環境空調的因素，排氣管的保溫處理也比較重要。對排氣管進行保溫處理能降低環境溫度對于SCR入口平均溫度的影響，是能夠有效提高試驗一致性的手段。排氣管的保溫也能有效提高SCR入口的溫度，導致NOx轉化效率有了較大的提高，事實證明了保溫處理對于排放結果非常有利。從整車的環境來看，對后處理前的排氣管都進行保溫處理，是非常有效的減排辦法。

參考文獻：

[1]劉悅鋒，臧碩勛，孟令軍，李立超.柴油機WHTC循環排氣熱管理之后處理技術研究[J].汽車科技，2017（4）：66-70.

[2]張紀元.重型柴油機SCR系統應用技術研究[D].山東大學，2013.

[3]陳林.基于國六重型車排放標準的整車與柴油機臺架試驗方法及排放規律研究[D].江蘇大學，2018.

[4]唐蛟，李國祥，孫少軍等.基于歐VI柴油機排氣熱量管理主動控制措施研究[J].內燃機工程，2015，36（2）：120-125.

[5]鄭貴聰，陸國棟.京五WHTC排放循環應對策略試驗研究[G].中國內燃機學會第九屆學術年會論文集（上冊）[C].上海：同濟大學出版社，2017：46-49.