中冷后進氣溫度對重型柴油機NOX排放性能的影響分析

焦文健，田剛，葉平雄，胡克容，張靳杰

中冷后進氣溫度對重型柴油機NOX排放性能的影響分析

焦文健，田剛，葉平雄，胡克容，張靳杰

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

中冷后進氣溫度是影響選擇性催化還原（SCR）轉化效率的重要因素。文章以一臺某廠家重型柴油機為研究對象，在發動機臺架測試系統上運行世界統一瞬態循環（WHTC）工況，通過全流稀釋采樣系統（CVS）檢測排氣中原機NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。結果表明，當排氣溫度為42～62 ℃時，提高中冷后進氣溫度能夠有效提高增壓中冷柴油機的排氣溫度，但也使得原始排氣中的NOX排放值增大；排氣溫度的提升使得SCR的轉化效率得以提升，但由于原始排氣中NOX排放值的增大，SCR的轉化效率呈現先增大后減少的趨勢。

重型柴油機；CVS；NOX排放性能；中冷后進氣溫度

增壓技術廣泛地應用于優化柴油機的各方面性能，同時也使排放污染物NOX的排放水平[1-7]顯著提高。為了解決NOX的排放問題，目前最普遍的處理方法是采用增壓中冷技術，因此，增壓中冷后進氣溫度就成為柴油機運行必須控制的邊界參數[8-10]。

生態環境部于2018年正式發布了國Ⅵ排放標準，與國V標準相比，除了規定的試驗工況更加接近實際運行工況，排放物限值的要求也更加嚴格，即NOX排放限值僅為國V的1/5。選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction, SCR）是目前應用較為廣泛的重型柴油機排放性能提升技術，其基本原理是NOX在高溫環境下，通過催化劑的作用選擇性地催化還原成氮氣和水，從而達到降低NOX排放的目的[11]。中冷后進氣溫度是影響SCR轉化效率的重要因素。

1 試驗系統及參數設置

試驗測試系統包含發動機臺架試驗所必需的測功機系統、油耗儀及燃油溫控系統、冷卻水控制系統、進氣空調以及排放測試設備等，如表1所示。

表1 試驗系統設備表

儀器設備型號廠家 電力測功機AVL ASM 3000/1.8-4.5AVL 油耗儀及燃油溫控系統AVL 735S+753CAVL 進氣空調AVL CONSYSAIR 3600AVL 冷卻水溫控系統KJR-SHW400康吉潤 全流稀釋采樣系統AVL SESAM i60AVL 單路直采排放柜MEXA-ONE-C1HORIBA 中冷器 自主研制

試驗發動機為某壓燃式增壓中冷柴油機，后處理型式為氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+壁流式顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）+SCR+氨氣氧化催化器（Ammonia Slip Cata- lyst, ASC）。試驗用來采樣的排放測試設備為某全流稀釋采樣系統（Constant Volume Sampling Sys- tem, CVS），測量精度≤2%。該系統使用兩級稀釋系統，發動機排氣在稀釋通道內通過初級稀釋混合后，還可以通過二級稀釋空氣對其再次稀釋，稀釋空氣為經過處理后的溫度恒定潔凈空氣。試驗最終選擇的CVS流量為45 m3/min，此時的初級稀釋比為4.413 8。在其他試驗條件不變的前提下，將二級稀釋流量設置為10 L/min，初級流量設為55 L/min進行試驗，總稀釋比分別為5.394 6。試驗流程嚴格按照《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691－2018）的要求進行進氣溫度和濕度、進氣壓力阻力、排氣背壓、中冷壓差及溫度，以及冷卻水溫度等邊界參數測量。傳感器的安裝位置按《汽車發電機性能試驗方法》（GB/T 18297－2001）規定確定，除中冷后進氣溫度以外的邊界參數按GB 17691－2018以及發動機備案參數進行調整。

按照GB 17691－2018的要求，試驗前8 h內對系統進行泄露檢查，試驗前10 min開啟稀釋系統，對零氣和量距氣對分析儀進行標定檢查。試驗中檢查所有儀器設備是否正常運行，檢查污染物測量值超出分析儀對應量程，檢查分析儀相關溫度要求超出設定要求。試驗結束后30 min內，進行相應的氣袋分析，以及對氣體分析儀使用量程的零點和距點使用相同零氣和量距氣進行檢查。

2 試驗方案

根據GB 17691－2018的要求，選擇同時進行發動機原機排放測試和催化還原后的排放測試，原機排放選擇在后處理前段直采測量，催化還原后的排放測量選擇稀釋連續積分測量。試驗系統結構如圖1所示。

試驗研究不同的中冷后進氣溫度對排氣污染物NOX的影響，參考GB 17691－2018的要求以及企業對試驗用柴油機中冷后進氣溫度的要求，適當拓寬范圍選擇中冷后進氣溫度在42～62 ℃取點進行試驗。試驗用中冷器可通過調節冷卻介質流量，以及調控未通過熱交換器的氣體流量兩種方式來控制中冷后的進氣問題。按照GB 17691－2018的要求冷卻介質溫度不能低于20 ℃，本次試驗選擇控制未通過熱交換器氣體流量的方式來調節中冷后進氣溫度。

圖1 試驗系統結構圖

試驗過程中，測量柴油機在GB 17691－2018中規定的標準循環（WHTC循環）中的原機NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。

3 試驗結果與分析

3.1 中冷后進氣溫度對其他參數影響

中冷后進氣溫度的變化對柴油機缸內燃燒溫度、缸內壓力、發動機功率以及排氣溫度都有一定影響。中冷溫度對柴油機WHTC循環排氣溫度的影響明顯，圖2為中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應溫度下的平均排溫。可以看出，隨著中冷后進氣溫度的升高，平均排氣溫度呈現上升的趨勢。

圖2 不同中冷溫度下的WHTC循環平均排氣溫度

究其原因，柴油機的壓縮過程可以視為絕熱壓縮過程，就是將壓縮功轉化為內能，隨著進入缸內的空氣溫度升高，壓縮完成時的工質溫度也相應提高，進而提高缸內的燃燒溫度，最終導致排氣溫度提高。

3.2 中冷后進氣溫度對NOX排放影響

3.2.1原始NOX排放

在用風門控制時實際功率百分比為217.2/355=0.61，查《2010版鋼鐵企業電力設計手冊》表6-12《各種控制方式下根基功率消耗相對值》得：采用變頻調速后的功率百分比為23%。

圖3反映了中冷后進氣溫度對柴油機WHTC循環原始排氣中氣體污染物NOX的影響，中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應溫度下的原始排氣中氣體污染物NOX的排放值。由圖3可以看出，隨著中冷溫度的升高，原始排氣中氣體污染物NOX的排放值呈上升趨勢。

圖3 不同中冷溫度下的WHTC循環原始NOX排放

究其原因，中冷后溫度升高，噴油時缸內溫度升高，燃料燃燒反應加快，缸內最高燃燒溫度升高，NOX生成反應持續時間更長，從而帶來NOX排放增大。

3.2.2催化還原后NOX排放

圖4反映了中冷后進氣溫度對柴油機WHTC循環催化還原后氣體污染物NOX的影響，中冷溫度分別為42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃時，對應溫度下催化還原后的氣體污染物NOX的排放值。由圖4可以看出，隨著中冷后進氣溫度的升高，催化還原后的氣體污染物NOX的排放值呈下降趨勢。待中冷后進氣溫度上升至一定溫度后，隨著溫度的升高，催化還原后的氣體污染物NOX的排放值逐漸呈上升的趨勢。

圖4 WHTC循環催化還原后NOX排放和SCR轉換效率

根據SCR催化器前NOX排放值和SCR催化器后的NOX排放值，計算出SCR轉化效率在不同中冷后進氣溫度試驗中的數值變化如圖4所示，可以看出隨著溫度的增高，SCR轉化效率呈現先增大后減小的趨勢。

綜合分析可以看出，隨著中冷后進氣溫度的升高，柴油機缸內燃燒溫度也呈現升高趨勢，進而使排氣溫度升高，而SCR的轉化效率與排氣溫度密切相關，提高排氣溫度使SCR的轉化效率得以提升。但持續提高中冷后進氣溫度會使NOX的原始排放增加，因此，過高的中冷后進氣溫度反而會使SCR的轉化效率降低，增加了SCR催化器后的NOX的排放值。

4 其他實驗室對比數據分析

為了進一步驗證結果是否具有普遍性，在其他試驗中更換另一臺國Ⅵ發動機和后處理系統進行試驗。按照同樣的試驗程序進行，選擇中冷后進氣溫度為42、45、48、50、52、54、57、60 ℃，對應柴油機WHTC循環的平均排氣溫度、原始排氣中氣體污染物NOX排放值以及催化還原后的氣體污染物NOX排放值如表2所示。可以看出，趨勢和前一次試驗一致。

表2 比對試驗數據

參數參數值 中冷溫度/℃4245485052545760 排氣溫度/℃282.3285.6289.4291.7293.8296.1299.6304.1 原機NOX排放/[g?(kWh)-1]9.919.949.979.9910.0110.0310.0610.09 催化還原后NOX排放/[g?(kWh)-1]0.9320.9020.8750.8930.9170.9480.9761.012 SCR轉化效率/%90.690.991.291.190.890.690.389.9

5 結論

兩次試驗均表明，中冷溫度為42～62 ℃時，提高中冷后進氣溫度能夠有效提高增壓中冷柴油機的排氣溫度，但也使得原始排氣中的NOX排放值增大，排氣溫度的提升使得SCR的轉化效率得以提升。但由于原始排氣中NOX排放值的增大，使得SCR的轉化效率呈現先增大后減小的趨勢。

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Effect Analysis of Intercooled Inlet Temperature on NOXEmission Performance of Heavy Duty Diesel Engine

JIAO Wenjian, TIAN Gang, YE Pingxiong, HU Kerong, ZHANG Jinjie

( CATARC Automotive Inspection Center (Wuhan) Company Limited, Wuhan 430056, China )

The temperature of intercooled inlet is an important factor affecting the conversion efficiency of selective catalytic reduction (SCR).Taking a heavy duty diesel engine from a certain manufacturer as the research object, world harmonized transient cycle (WHTC) working condition is run on the engine bench test system,and the NOXemission of the engine in exhaust and that of the SCR catalytic converter are detected by constant volume sampling system (CVS) full-current dilu- tion sampling system in this paper.The results show that when the intercooled inlet temperature is in 42～62℃, the exhaust temperature of supercharged and intercooled diesel engine can be effectively improved by increasing the inlet temperature of intercooled diesel engine, but it also increases the NOXemission in the original exhaust, and the increase of exhaust temperature improves the conversion efficiency of SCR. However, due to the increase of NOXemission in the original exhaust, the conversion efficiency of SCR first increases and then decreases.

Heavy duty diesel engine;CVS;NOXemission performance;Intercooled inlet temperature

U464.11+5

A

1671-7988(2023)18-78-04

焦文健（1991－），男，碩士，工程師，研究方向為發動機排放測試，E-mail:jiaowenjian@catarc.ac.cn。

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司所內課題（202111）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.016