基于某裝載機的進氣溫度對NOx排放影響研究

王樹森，朱興軍，張濤，梁昌水，丁保安，曹原，梁冰

基于某裝載機的進氣溫度對NOx排放影響研究

王樹森1,2，朱興軍1,2，張濤1,2，梁昌水1,2，丁保安1,2，曹原1,2，梁冰1,2

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

對柴油機進氣溫度控制策略進行研究，以某50裝載機為研究對象，通過試驗對比不同中冷后進氣溫度控制策略對進氣溫度和整車NOx排放的影響。試驗結果表明：不同控制策略導致車輛達到熱平衡狀態下的中冷后進氣溫度平衡范圍不同，整車NOx瞬時排放與中冷后進氣溫度成隨動變化的趨勢，NOx瞬時排放隨中冷后進氣溫度的增加而升高，合理匹配進氣溫度控制策略能有效降低柴油機的排放。

柴油機；裝載機；中冷系統；排放

引言

現階段機動車尾氣排放成為空氣污染的重要影響因素，尾氣污染物包括NOx、CO、PM等，汽車尾氣控制及污染治理成為中國可持續發展的重要組成部分，其中，柴油車是移動源污染的主要貢獻者，雖然柴油車只占我國機動車保有量不足10 %，但其NOx排放量接近機動車排放總量的70 %，PM排放量占比超過90 %[1～3]，為了有效治理大氣污染，國家頒布了非道路排放等級提升的相關法規。

柴油機排氣污染物主要包括NOx、THC、CO及PM四種，就柴油機而言，單純的機內凈化已無法滿足排放要求，需增加后處理技術，但整機排放結果受諸多因素影響，其中一項就是中冷后進氣溫度。

增壓中冷后進氣溫度對柴油機性能影響較大，中冷后進氣溫度過高，導致充氣效率下降，影響柴油機功率；中冷后氣溫過低，導致柴油機進氣溫度較低，影響柴油機燃燒溫度及排氣溫度，從而影響SCR系統的轉化效率[4～5]。

本文以某搭配非道路四階段柴油機的50裝載機為試驗對象，驗證不同中冷后進氣溫度控制策略對整車NOx排放的影響。

1 試驗樣機及方案

1.1 試驗樣機介紹

以某搭配非道路四階段柴油機的50裝載機為試驗對象，整機裝配三速電磁離合器風扇。整機和發動機主要技術參數見表1、表2。

表1 裝載機基本參數

項目規格 配套行業裝載機 最高車速/(km/h)38 水箱中冷布置形式串聯

表2 發動機基本參數

項目規格 發動機型式直列六缸、四沖程 標定功率/kW170 燃油供給及進氣形式高壓共軌、增壓中冷 排量/L9.5 排放標準非道路Ⅳ階段 風扇類型三速電磁風扇

1.2 控制策略

進氣溫度控制策略是指電磁離合器風扇根據中冷后進氣溫度對電磁離合器風扇進行擋位控制。因電控柴油機存在熱保護控制，不對水溫控制策略敘述。

本次試驗整機裝配三速電磁離合器風扇，中冷后進氣溫度控制策略研究受控和不受控兩種狀態，具體控制策略見表3。

表3 中冷后進氣溫度控制策略

控制策略電磁離合器風扇 二速吸合二速脫開三速吸合三速脫開 水溫控制策略87819485 中冷后進氣溫度控制策略167627065 中冷后進氣溫度控制策略2無

1.3 試驗方案

在同一臺裝載機上，分別對不同控制策略進行試驗，其余條件不變。

試驗工況為整機以最高擋位，最大油門開度行駛，整機各項參數穩定時（即出水溫度與環境溫度差值在4分鐘內保持穩定，波動不超過±1 ℃）結束試驗，記錄該工況下的中冷后進氣溫度、扭矩、轉速、排氣溫度、燃油消耗率、NOx濃度等參數。

2 進氣溫度控制策略對NOx排放影響分析

2.1 整機運行風扇控制情況分析

電磁離合器風扇的轉速受中冷后進氣溫度和水溫控制，進而對中冷后進氣溫度和水溫進行反饋控制，控制策略根據表3，分別進行試驗。

2.1.1 風扇轉速受中冷后進氣溫度控制

從圖1可以看出，風扇轉速受中冷后進氣溫度控制策略（以下簡稱策略1）調整時，因為增壓中冷系統使得發動機進氣溫度升溫較快，進氣溫度達到67 ℃時，風扇二速吸合，進氣溫度降低，水溫繼續升高至風扇三速吸合溫度后，進氣溫度、水溫降低。工況穩定后風扇轉速受進氣溫度控制在二速、三速間切換，水溫在85 ℃～88 ℃間波動，進氣溫度在57 ℃～70 ℃間波動。

圖1 策略1起動階段水溫、進氣溫度、風扇曲線

2.1.2 風扇轉速不受中冷后進氣溫度控制

從圖2可以看出，風扇轉速不受中冷后進氣溫度控制策略（以下簡稱策略2）調整時，因為增壓中冷系統使得發動機進氣溫度升溫較快，進氣溫度持續升高，當水溫繼續升高至風扇三速吸合溫度后，進氣溫度、水溫降低。工況穩定后風扇轉速受水溫控制在二速、三速間切換，水溫在84 ℃～94 ℃間波動，進氣溫度在60 ℃～78 ℃間波動。

圖2 策略2起動階段水溫、進氣溫度、風扇曲線

2.1.3 小結

上述兩種控制策略，當風扇轉速受中冷后進氣溫度控制策略調整時，由于氣體升溫較水溫更快，所以風扇進入三速受進氣溫度控制，從而可以有效控制進氣溫度，策略1比策略2進氣溫度波動范圍明顯降低。

2.2 NOx排放結果

2.2.1 不同策略整機NOx排放結果對比

整機按照既定試驗工況，分別對策略1和策略2進行驗證，試驗結果要求計算90 %?NOx窗口比排放[5]，試驗結果見表4。

從表4可以看出，策略1中冷后進氣溫度受控與策略2中冷后進氣溫度不受控相比，策略1試驗結果明顯優于策略2，其中：平均進氣溫度低3.88 ℃；平均排氣溫度低5.22 ℃；90 %?NOx窗口比排放低0.55 g/kwh。

表4 不同策略試驗結果對比

策略1試驗1試驗2平均值 環境溫度/℃29.2034.1031.65 平均進氣溫度/℃58.6960.9559.82 平均排氣溫度/℃332.67339.65336.16 90%-NOx窗口比排放g/kWh0.810.780.80 策略2試驗1試驗2平均值 平均水溫/℃32.3031.9032.10 平均進氣溫度/℃64.3763.0263.7 平均排氣溫度/℃337.55345.20341.38 90%-NOx窗口比排放g/kwh1.351.341.35

2.2.2 NOx瞬時排放與中冷后進氣溫度關系

從圖3可以看出，試驗過程中，當整機達到穩定狀態時，進氣溫度受控制策略影響在58 ℃～76 ℃之間波動，NOx瞬時排放與中冷后進氣溫度變化趨勢基本一致，但NOx瞬時排放變化相對中冷后進氣溫度變化存在滯后性。

圖3 NOx瞬時排放與中冷溫度變化趨勢

圖4 NOx瞬時排放與中冷后進氣溫度曲線

通過分段截取中冷后進氣溫度與NOx瞬時排放數據，如圖4所示，NOx瞬時排放與中冷后進氣溫度成隨動變化的趨勢，NOx瞬時排放隨中冷溫度的增加而升高，中冷后進氣溫度每升高5 ℃，NOx瞬時排放升高約2 %～4 %。

3 總結

本文對柴油機中冷后進氣溫度控制策略進行了解，針對某裝載機不同中冷后進氣溫度控制策略的排放試驗結果為例，研究不同中冷后進氣溫度控制策略對發動機進氣溫度及整車NOx排放的影響。研究發現：

（1）合理匹配中冷后進氣溫度控制策略可有效控制整機進、排氣溫度，降低整機NOx排放。

（2）NOx瞬時排放隨中冷溫度的增加而升高，中冷后進氣溫度每升高5 ℃，NOx瞬時排放升高約2 %～4 %。

基于以上結論，本文對整機冷卻系統匹配給出以下建議：（1）整機冷卻系統匹配時，水箱、中冷器采用并聯結構，水溫和進氣溫度單獨控制；（2）選用電磁離合器或電控硅油離合器風扇，合理的控制策略可以有效控制整機的進氣溫度，達到降低NOx排放的目的。

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[7] 環境保護部.GB17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].北京:中國環境科學出版社,2018.

Research on the Influence of Intake Air Temperature on NOx Emission Based on a Loader

WANG Shusen1,2, ZHU Xingjun1,2, ZHANG Tao1,2, LIANG Changshui1,2, DING Baoan1,2,CAO Yuan1,2, LIANG Bing1,2

( 1.State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability, Shandong Weifang 261000;2.Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261000 )

Study on diesel engine fan inter-cooled control strategy, taking a 50t loader as the research object, through experiment contrast the influence on cold junior temperature and vehicle NOx emission between different inter-cooled control strategy. Experimental results show that under different control strategies lead to vehicle to reach thermal equili- brium state of cold junior balance temperature range is different, the vehicle NOx emissions and cold junior temperature degrees into following the trend of change, NOx emissions along with the increase of cold junior temperature rise. And properly setting of inlet temperature control strategy can effectively reduce the emissions of diesel engine.

Diesel engine; Loader; Inter-cooled system; Emissions

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.038

王樹森（1991—），男，工程師，就職于濰柴動力股份有限公司，從事整車試驗工作。