某柴油機尾氣后處理裝置空速計算方法

摘要：為提高柴油機后處理裝置性能，分析排氣質量流量計算方法，開展臺架試驗采集標準工況下柴油機的進氣質量流量；基于進氣密度和進氣質量流量，分別用進氣流量和油耗量測量法、碳平衡法計算尾氣后處理裝置的空速，并對比2種計算方法的有效性。結果表明：進氣質量流量和油耗量測量法、碳平衡法計算的尾氣后處理裝置空速結果接近，2種方法計算的空速的相對誤差為3.94%，均可用于柴油機尾氣后處理裝置空速計算；相比碳平衡法，基于進氣質量流量和油耗量測量法更容易實現。

關鍵詞：柴油機；尾氣后處理；空速；排氣流量；有效容積

中圖分類號：TK422文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0057-05

引用格式：劉建軍，張建華，王明杰，等.某柴油機尾氣后處理裝置空速計算方法［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（3）：57-61.

LIU Jianjun， ZHANG Jianhua， WANG Mingjie， et al. Space velocity calculation of exhaust after-treatment device for a diesel engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：57-61.

收稿日期：2023-12-18

基金項目：山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（2021TSGC1334）；濟南市市校融合發展戰略工程項目（JNSX2023006）

第一作者簡介：劉建軍（1989—），男，濟南人，山東大學碩士研究生，山東交通學院助理工程師，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制技術，E-mail：402030@sdjtu.edu.cn。

*通信作者簡介：白書戰（1979—），男，山東莘縣人，工學博士，教授，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制技術、整機開發與可靠性技術及新能源汽車技術，E-mail：baishuzhan@sdu.edu.cn。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.009

0" 引言

我國非道路移動機械用柴油機排放標準不斷升級，對柴油機排放尾氣中污染物的限定更加嚴格，促進了柴油機尾氣后處理裝置的普及和應用。為滿足我國非道路移動機械用柴油機第四階段排放標準，裝用額定凈功率為37～560 kW柴油機的機械，需加裝壁流式柴油顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）或更加高效的顆粒物（particulate matter，PM）控制裝置［1］。

當前針對柴油機尾氣后處理裝置的研究及成果較多：陳曦等［2］分析了柴油機尾氣后處理的主要故障模式、原因以及預防措施，為提升相關產品的質量、降低因柴油機尾氣后處理設備失效造成的損失提供了經驗；王磊等［3］對滿足污染物排放標準的柴油機開展臺架試驗，分別研究了穩態、瞬態試驗循環下尾氣后處理技術對尾氣中N2O排放的影響；侯普輝［4］利用流體動力學仿真軟件，研究了影響選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術工作效率的關鍵參數，提高產品的性能和一致性；王冠［5］分析了多種尾氣后處理技術對重型柴油機PM、NOx排放的影響，闡述了重型柴油機尾氣后處理技術的研究趨勢；羅萬祥［6］介紹了SCR技術在二沖程、四沖程柴油機尾氣后處理中的應用，使相關制造企業更充分了解SCR技術以提高產品質量；劉偉等［7］為提高柴油機尾氣后處理系統的工作效率，通過數值仿真和試驗驗證研究了尾氣后處理混合器對氨氣分布均勻性的影響；楊麗君等［8］為進一步優化柴油機尾氣后處理設備的性能，從工作原理入手，研究了尿素噴入量計算精度欠缺等常見故障的原因及診斷方法；單文坡等［9］為降低重型柴油車污染，總結分析了在用的重型柴油車后處理技術，研究指出為滿足更高排放標準，需要發動機與后處理系統控制技術交叉融合，提高低溫下NOx凈化效率和DPF安全可靠再生；李奕聞等［10］總結了當前的DPF再生技術，分析了不同參數對DPF內顆粒沉積分布特性的影響，指出了可行的微觀通道內顆粒沉積與DPF再生技術的研究方向。

影響尾氣后處理裝置性能的主要因素包括后處理裝置的結構、載體結構、載體材料、涂層材料、貴金屬含量、排氣流量等，其中排氣流量是重要的技術參數，直接影響尾氣后處理裝置的性能。柴油機后處理裝置空速是柴油機的排氣體積流量與后處置裝置體積的比。柴油機后處理裝置空速過大，意味著選取的后處理裝置體積過小，廢氣流過后處理裝置的速度加快，時間較短，導致后處理裝置上的催化劑不能充分捕捉廢氣中的有害氣體，柴油機排放難以滿足排放標準要求；空速過小，意味著選取的后處理裝置體積過大，廢氣流過后處理裝置的速度減小，時間增加，雖然能夠滿足排放標準要求，但導致使用成本增加，同時體積過大的后處理裝置不利于其在整機上的布置。

王靜等［11］等研究了空速和NO2體積分數對NOx轉化效率的影響，結果表明NOx轉化效率隨空速的增大而降低；潘冬輝等［12］研究了空速對褶皺式基底釩基催化劑的NOx轉化效率和NH3泄漏的影響；盧豐翥等［13］測量了不同空速下的柴油機氧化催化轉化器（diesel oxidation catalyst，DOC）的入口溫度，研究了HC轉化效率、NO的氧化效率和DOC載體的放熱特性隨溫度變化規律。目前涉及空速的研究很多，但對空速計算方法的研究較少。

本文中分析某柴油機尾氣后處理裝置空速的計算方法，開展臺架試驗測量柴油機在額定工況下的性能及排放，基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法計算柴油機DPF空速并對結果進行對比，為設計后處理系統的尺寸及形狀，提高和優化后處理裝置催化、還原及捕捉廢氣中有害成份的能力，提供參考。

1" 排氣流量計算方法

帶尾氣后處理裝置的柴油機排氣流量的計算方法主要有直接測量法、基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法、總稀釋排氣流量測量法4種［14］。

1.1" 直接測量法

直接測量法通過流量傳感器或具有等效功能的流量測試系統測量排氣流量，但柴油機在額定工況下的排氣溫度通常不低于500 ℃，大多數流量傳感器不適于在此溫度范圍內工作，因此直接測量法較少使用。

1.2" 基于進氣量和油耗量的測量法

使用滿足測量精度的空氣流量傳感器和燃油流量傳感器分別測量進氣量和油耗量，理想試驗條件下，將進氣量和油耗量疊加，可以得到排氣流量。

濕基進氣體積流量

qV，A=qm，A/ρA，（1）

式中：qm，A為濕基進氣質量流量，kg/h；ρA為濕基進氣密度，kg/m3。

濕基排氣體積流量的計算式為：

{qV，E}={qV，A}+0.746{qm，F}，（2）

式中：{qV，E}為以m3/h為單位的濕基排氣體積流量qV，E的數值，{qV，A}為以m3/h為單位的qV，A的數值，{qm，F}為以kg/h為單位的燃油質量流量qm，F的數值。

1.3" 碳平衡測量法

碳平衡測量法根據碳元素質量保持不變的原理，通過含碳氣體排氣成分和油耗量計算排氣質量流量，從而計算進氣體積流量［15］。根據碳特殊因子、干基排氣燃燒附加容積、瞬時排氣質量流量和瞬時燃料質量流量，計算瞬時進氣質量流量。

碳特殊因子

kc=0.544 1φd（CO2）－φa（CO2）+φd（CO）18.522+φw（HC）18.522，（3）

式中：φd（CO2）為排氣中干基 CO2體積分數，φa（CO2）為進氣中干基 CO2體積分數，φd（CO）為干基 CO體積分數，φw（HC）為濕基 HC體積分數。

干基排氣燃燒附加容積

kfd=－0.055 594wH+0.008 0021w（N）+0.007 004 6w（O），（4）

式中：w（H）、w（N）、w（O）分別為燃油中氫的質量分數、氮的質量分數、氧的質量分數。

瞬時排氣質量流量

qm，ewi=qm，fi（1.4w2（C）（1.082 8w（C）+kfdkc）kc1+Ha1 000+1），（5）

式中：w（C）為燃油中碳的質量分數；qm，fi為燃料瞬時質量流量，kg/s；Ha為進氣的絕對濕度。

瞬時進氣質量流量

qm，A=qm，ewi－qm，F" 。（6）

1.4" 總稀釋排氣流量測量法

該方法使用容積式泵或臨界流量文丘里管測量總稀釋排氣流量，測量設備精度應符合要求。但由于額定轉速下柴油機排氣經過定容取樣系統管路后進行稀釋，空速需要測定柴油機在額定轉速下的原始排氣流量，因此該方法不適用于后處理空速的計算。

2" 臺架試驗結果

某高壓共軌增壓中冷柴油機后處理系統為DPF-DOC，柴油機主要技術參數如表1所示。

DPF后處理單元直徑為190.5 mm，高為126.8 mm。根據基于進氣量和油耗量測量法、碳平衡測量法配置柴油機臺架試驗，臺架試驗測試現場如圖1所示，DPF后處理單元如圖2所示，試驗測試設備相關參數如表2所示，額定工況下柴油機試驗結果如表3所示。

3" 空速計算

DPF空速

γ=qV，E/VDPF ，（7）

式中：VDPF為DPF后處理的體積，本文中，VDPF=3.614 L。

3.1" 基于進氣量和油耗量的測量法

采用基于進氣量和油耗量的測量法，環境溫度為24.9 ℃，進氣相對濕度為49%，大氣壓力為101.3 kPa，柴油機的進氣質量流量為415.0 kg/h，進氣密度約為1.186 kg/m3。由式（1）可得，qV，A=349.916 m3/h。由式（2）可得，額定轉速和額定功率下，qV，E=361.703 m3/h；由式（7）可得該柴油機DPF的空速γ=100 083 h-1。

3.2" 基于碳平衡測量法

本文中，w（C）=85.65%，w（H）=13.54%，w（N）=0.03%，w（O）=0.72%，Ha=10.027 g/kg。由式（3）～（6）可得，額定工況下的進氣流量約為398.2 kg/h；空氣密度取1.186 kg/m3，由式（1）可得，qV，A=333.750 m3/h。由式（2）可得，額定轉速和額定功率下，qV，E =347.442 m3/h；由式（7）可得，該柴油機DPF空速γ=96 138 h-1。

采用基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法所得空速的相對誤差，評價2種計算方法的區別。

基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法所得空速的相對誤差

δsv=γ1-γ2γ1，（8）

式中：γ1、γ2分別為基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法計算的空速，h-1。

由式（8）可得：δsv=3.94%。基于進氣量和油耗量的測量法、碳平衡測量法所得計算結果相對誤差小于5%，這2種計算方法均有效。

使用進氣空氣流量和燃油消耗量測量法計算空速時，通過進氣流量計和油耗儀測量進氣質量流量；使用碳平衡法計算空速時，使用油耗儀和氣體排放分析儀測量，同時還應獲取燃油中的碳、氫、氮、氧等的質量分數，測量設備和計算過程較復雜。2種方法相比，基于進氣空氣流量和燃油消耗量測量法計算后處理裝置空速更容易實現。

4" 結束語

為滿足我國排放標準，提高柴油機DPF性能，通過柴油機臺架試驗，測量柴油機進氣質量流量、燃油消耗及污染物排放，基于進氣量和燃油消耗量測量法、碳平衡測量法計算了某柴油機尾氣后處理裝置的空速。

1）基于進氣量和燃油消耗量測量法、碳平衡測量法計算的空速結果相近，2種方法計算的空速的相對誤差為3.94%，2種方法均可用于柴油機尾氣后處理裝置空速計算。

2）2種方法相比，基于進氣空氣流量和燃油消耗量測量法計算后處理裝置的空速更容易實現。

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Space velocity calculation of exhaust after-treatment device

for a diesel engine

LIU Jianjun1，2， ZHANG Jianhua2， WANG Mingjie2， BAI Shuzhan1*

1.School of" Energy and Power Engineering， Shandong University，Jinan 250061，China;

2.Shandong Jiaotong University， Jinan 250357，China

Abstract：To improve the performance of diesel engine after-treatment device， the calculation method of exhaust mass flow rate is analyzed， and validated by bench tests to collect the intake mass flow rate of diesel engines under the rated conditions. Based on the intake density and intake mass flow rate， the airspeed of the after-treatment of exhaust gas device is calculated using the intake air flow rate and fuel consumption measurement method， as well as the carbon balance method， respectively， and the effectiveness of the two calculation methods is compared. The results show that the air velocity of the after-treatment of exhaust gas device calculated by the intake mass flow rate and fuel consumption measurement method， as well as the carbon balance method， are close. The relative error of air velocity calculated by the two methods is 3.94%， which can be used for calculating the air velocity of diesel engine after-treatment of exhaust gas devices. Compared with the carbon balance method， the measurement method based on intake mass flow rate and fuel consumption is easier to achieve.

Keywords：diesel engine; after-treatment of exhaust gas; space velocity; exhaust gas flow; effective volume

（責任編輯：劉麗君）