國六階段重型柴油機開/閉式曲軸箱通風系統排放特性研究

劉冰

（招商局檢測車輛技術研究院有限公司，重慶 400000）

1 研究背景

發動機運行時，高溫高壓的氣體會通過活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱中。這些廢氣中含有大量的水蒸氣及未燃碳氫會對機油造成稀釋和氧化，從而影響發動機的可靠性。因此，國六以前絕大部分車用柴油機和非道路柴油機都采用開式曲軸箱通風系統，即曲軸箱廢氣通過油氣分離器后氣體直接排入大氣。開式曲軸箱通風系統可以避免廢氣再進入氣缸燃燒對增壓器及后處理系統的影響[1]，而且結構簡單無需維護。但隨著生態環境部于2018 年正式發布重型柴油車國六排放標準，對車用柴油機曲軸箱通風系統提出明確要求[2]。標準要求企業可以采用開式或閉式曲軸箱通風系統，如果采用閉式系統則不允許將曲軸箱廢氣排入大氣，企業需采用強制通風系統將曲軸箱廢氣引入燃燒室二次燃燒燃燒。二次燃燒可以避免曲軸箱竄氣對大氣的直接污染，但竄氣中機油的燃燒會產生大量微粒，其中的納米級微粒會對人體造成嚴重傷害[3-4]。若采用開式系統則需要把曲軸箱廢氣接入排氣末端，與發動機尾氣一起參與排放測試，這樣就會加大柴油機排放認證難度及增加環保風險。

為了探究重型柴油機開式/閉式曲軸箱通風系統在國六標準工況下的排放特性，本文以一臺重型車用柴油機為研究對象，搭建排放測試系統，進行了國六階段WHSC 循環和冷熱態WHTC 循環試驗，通過試驗數據對比了國六標準工況下柴油機開式/閉式系統的排放特征，意在為重型柴油機的曲軸箱通風系統開發及排放標定和認證提供指導。

2 測試設備及測試循環

試驗采用HORIBA 公司的HT350 電力測功機、全流稀釋采樣系統、MEXA-ONE-C1-OⅤ排放分析系統、MEXA-2000SPCS 顆粒計數器、MEXA-ONE-FT-E 氨分析儀、AⅤL740 油耗儀、南京久鼎進氣空調系統、ABB 進氣流量計等試驗設備，所構建的柴油機機排放測試臺架如圖1 所示。

圖1 柴油機排放測試臺架示意圖

為了探究開式/閉式重型柴油機在國六標準循環工況下的排放特性，分別采用GB 17691—2018 標準中規定的壓燃式發動機穩態循環WHSC（如圖2 所示）和瞬態WHTC 循環（如圖3 所示）進行排放測試試驗。

進行WHSC 循環穩態試驗時，需要對發動機運行邊界條件進行控制，設定進氣發動機進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設定發動機冷卻水溫度為82 ℃、中冷后溫度為50 ℃，在額定點維持運轉10 min 左右，觀察各邊界進氣溫度濕度、水循環溫度、排氣溫度是否穩定。水循環溫度為（82±2）℃，排氣溫度為±2 ℃時，即可開始對應的排放測試循環試驗。

在進行冷、熱態WHTC 循環試驗時，需對發動機進行不少于6 h 的冷機處理，使其循環水溫、機油溫度和后處理溫度在20～30 ℃之間，然后設定進氣空調進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設定冷卻水循環溫度為82 ℃，中冷后溫度為50 ℃。從停機狀態直接進入冷、熱態WHTC 排放測試循環。

圖2 WHSC 循環工況

圖3 WHTC 循環工況

3 試驗結果及分析

3.1 氣體污染物排放特性研究

圖4、圖5、圖6 分別顯示了開式/閉式曲軸箱通風系統情況下氣體排放污染物CO、NOx、THC 在WHTC冷態循環、WHTC 熱態循環和WHSC 循環中的比排放結果。從圖4 中可看出冷態WHTC 循環模式下CO 排放量很高，幾乎是熱態循環的3 倍，而在WHSC 循環中CO 排放量很高，由圖可知在WHSC 循環中開式CO排放量高于閉式72%左右，而冷熱態WHTC 循環模式下開/閉式的CO 的比排放結果幾乎一樣。圖5顯示了3 種循環模式下NOx比排放結果，由圖可知，3 種循環模式下開式曲軸箱NOx排放量均明顯高于閉式，且分別高出了3.4%、18.9%、52.9%。從圖6中可看出，WHSC 循環中開式系統THC 排放量明顯高于閉式，WHTC 循環中開式系統THC 排放量分別比閉式高出了3.2%、18.2%，與NOx排放特性非常類似。

圖4 CO 比排放結果

圖5 NOx 比排放結果

圖6 THC 比排放結果

圖7顯示了非常規污染物NH3的比排放結果。由圖可知3 種循環模式下NH3的排放量都不高，最高的閉式WHSC 循環也僅為0.000 1%。熱態WHTC 循環和WHSC 循環表現為閉式NH3排放高于開式，分別高出60.9%和38.8%。而冷態循環中是開式系統高于閉式系統，且高出137.5%。

綜合以上分析可知，常規氣體污染物CO、NOx、THC 在開式和閉式系統中的排放特性比較接近，都是開式系統排放量高于閉式系統，且WHSC 循環高出比例最多，冷態WHTC 循環高出比例最小。而非常規污染物NH3則表現為熱態WHTC 循環和WHSC 循環中閉式排放量高，冷態WHTC 循環中開式排放量更高。

圖7 NH3排放結果

3.2 顆粒物排放特性研究

圖8 和圖9 分別顯示了開式和閉式曲軸箱通風系統情況下顆粒物質量（PM，Particulate Matters）和顆粒物數量（PN，Particulate Number）在WHTC 冷態、WHTC 熱態、WHSC 這3 種循環中的比排放結果。從圖8 中可看出3 種循環模式下開式系統的PM 排放結果都遠大于閉式排放結果，分別高出了5.7 倍、5 倍和5.1 倍。由此可見開式系統的PM 排放量在3 種循環中均高出閉式5 倍左右。而圖9 中PN 排放結果顯示開式排放更是遠超閉式，3 種循環模式下分別高出了85.2倍、17.5 倍和4.4 倍。從以上分析可知開/閉式曲軸箱通風系統對PM 和PN 的影響極大，開式系統的PM 排放量是閉式的數倍，開式系統的PN 排放量是閉式的數10 倍。

圖8 PM 排放結果

3.3 循環比油耗特性研究

圖10顯示了開/閉式曲軸箱通風系統在3種循環模式下的循環比油耗結果。由圖可知，在WHTC 瞬態循環中不管是冷態還是熱態，開式系統的循環比油耗都明顯高于閉式系統，其中冷、熱態循環分別高出6.3%和2.86%。但在穩態WHSC 循環中開式和比閉式比油基本一致。由以上分析可知開/閉式曲軸箱系統對瞬態循環的比油耗影響較大，對穩態循環基本沒有影響。

圖9 PN 排放結果

圖10 循環比油耗結果

4 結論

在WHTC 冷態、WHTC 熱態和WHSC 這3 種循環中開/閉模式下常規氣體污染物CO、NOx、THC 排放特性相同，都表現為開式排放量高于閉式，且穩態循環高出較多；而非常規氣態污染物NH3則表現為僅冷態循環下開式高于閉式，熱態循環和WHSC 循環均為NH3排放開式低于閉式。在WHTC 冷態、WHTC熱態和WHSC 這3 種循環中開/閉模式下PM 和PN 排放量差異巨大，其中開式PM 排放量是閉式的5 倍左右，而PN 則能達到數10 倍。在開/閉2 種模式下，WHTC 循環的比油耗開式明顯高于閉式，而WHSC 循環中開/閉式比油耗幾乎一致。