柴油機排氣管長度對排氣溫度影響的試驗研究

鄭貴聰，盧雙雙，陸國棟

(1.杭州銀輪科技有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江銀輪機械股份有限公司，浙江 臺州 317200)

選擇性催化還原(SCR)技術是重型車柴油機排放升級的有效措施，可以很大程度地降低柴油機NOx排放[1-4]。對于SCR技術而言，無論是釩基催化劑還是鐵基、銅基催化劑，都需要達到一定溫度才能高效發揮其活性，因此排氣溫度對SCR轉化效率、NOx減排量起到很重要的影響。傳統的SCR催化器配套基本都是根據整車的配置進行SCR產品的安裝，不同安裝位置對應的排氣管長度也不同，排氣管越長排氣溫度下降越快[5]，這樣相同的SCR產品匹配不同的車型就會造成不同的排放效果，很大程度影響著排放標定，增加排放標定的工作量。排氣溫度越低尿素噴射系統噴出去的尿素的霧化效果越差，這樣NH3與NOx混合效果就會越差，NOx減排量因而降低，同時也會造成尿素結晶、排氣壓力增大、油耗增加、車輛運營成本增加等問題[3,6]。

近年來，國家不斷更新排放法規，嚴格控制車用柴油機尾氣排放。北京于2013年3月1日實施新的排放法規DB 11/964—2013《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物限值及測量方法(臺架工況法)》[7]，該法規以WHTC循環為測試循環。WHTC循環的特點是負荷低、倒拖工況多，排氣溫度相對ETC循環低20%。為了滿足WHTC排放循環的測試要求，必須保證排氣溫度。一般通過排氣熱管理來維持柴油機尾氣溫度，也可以對排氣管增加保溫材料，防止熱量散失[6，8]。

本研究在6缸柴油機上進行臺架試驗，對比不同長度的排氣管對柴油機排氣溫度的影響，同時研究排氣管包裹保溫材料對排氣溫度和排放的影響。

1 臺架試驗

1.1 排氣管及保溫材料

試驗用排氣管采用車用不銹鋼材料，外徑100 mm，壁厚1 mm。由于發動機臺架位置所限，排氣管臺架布置不能完全與整車布置一致。排氣管長度是指增壓器渦輪出口到SCR入口的距離。分別在1 m，2 m，3 m，4 m，5 m處布置溫度測點，測量排氣管各個長度處的溫度。長度5 m的排氣管分為3節，中間靠卡箍連接，由于受位置限制，排氣管呈U字型安裝(見圖1)。圖2示出包裹保溫材料的排氣管路，保溫材料的厚度為12 mm，導熱系數小于0.04 W/(m·℃)。

試驗測試了穩態循環ETC和瞬態排放循環WHTC下各測點的溫度差異，找出溫度的變化趨勢，為車輛排氣管設計和SCR產品配套提供數據支持。

圖1 排氣管路

圖2 包裹保溫材料的排氣管路

1.2 試驗裝置和設備

試驗發動機為某國產6缸柴油機，其技術參數見表1。

表1 發動機參數

試驗所采用的設備包括AVL排放測試設備i60/AMA4000、電力測功機、進氣空調系統、AVL數據采集系統、氨分析儀、溫度和壓力傳感器。試驗完全按照國家標準進行發動機試驗邊界條件的控制，試驗過程保證設備的一致性和精度，試驗的進氣邊界盡可能控制一致。

1.3 試驗方案

首先進行排氣管不包裹保溫材料方案試驗，然后進行排氣管包裹保溫材料方案試驗。主要進行穩態和瞬態排放試驗，穩態試驗為外特性試驗，瞬態試驗為WHTC和ETC排放循環試驗。外特性試驗過程從標定點到800 r/min，以100 r/min步長進行試驗工況選擇，每個工況點試驗穩定3 min，保證各點排氣溫度穩定。排放循環按照國家法規進行。

2 試驗結果分析

2.1 穩態試驗

從圖3可知，在排氣管不包裹保溫材料的情況下，排氣管越長，散熱越多，排氣溫度下降越快，特別在排氣管長度為5 m處，排氣熱量難以保持，排氣溫度急劇下降。在外特性試驗過程中，排氣管5 m處溫度相對于排氣管1 m處的溫度最大溫差為100 ℃，降幅為20%。從圖4可知，排氣管包裹保溫材料后，盡管排氣溫度也會下降，但排氣熱量散失不明顯，排氣溫度下降相對減緩，主要原因是保溫材料隔絕了排氣管不銹鋼鋼材向外界的散熱，維持廢氣在一定的溫度。包裹保溫材料后，在高速工況下排氣管1～4 m處的排氣溫度沒有明顯變化，最大溫降為34.4 ℃，降幅為6.9%。但在排氣管5 m處，包裹保溫材料后溫度下降也較快，相對于1 m處的溫度最大溫差為81 ℃，下降了19%。5 m處排氣溫度相對于1～4 m的排氣溫度下降得快，主要是排氣管的長度越長，排氣隨管路的填充量越多，管路流動損失越大，排氣背壓越大，排氣在排氣管滯留時間越長，散熱越快，排溫下降越明顯。

圖3 不同排氣管長度處的排氣溫度(不帶保溫材料)

圖4 不同排氣管長度處的排氣溫度(帶保溫材料)

圖5示出排氣管2 m處的排氣溫度變化。由圖可見，帶保溫材料的外特性排氣溫度整體要比不帶保溫材料時高，兩者最大相差25 ℃，最小相差4.5 ℃，偏差在5%以內，故在排氣管2 m處的排溫差異相對于5 m處的要小。由圖6可知，1 400 r/min,100%負荷工況下，帶保溫材料時排氣管1～4 m處的溫度基本相當，5 m處的排氣溫度急劇下降，散熱量增加，不帶保溫材料時隨著長度增加，排氣溫度迅速下降，兩者最大相差22.5 ℃，最小相差4.5 ℃。

圖5 排氣管2 m處的排氣溫度變化

圖6 1 400 r/min工況下排氣管溫度對比

2.2 瞬態試驗

為了研究瞬態過程排氣溫度隨著排氣管長度增加的變化趨勢，進行了ETC/WHTC排放循環測試，測試中還考慮了保溫材料對排氣溫度的影響。測試結果見表2和表3。原機WHTC循環的NOx排放為8.5 g/(kW·h)，原機ETC排放循環的NOx排放為9.2 g/(kW·h)。

表2和表3數據表明，對于瞬態過程，排氣管長度也影響著柴油機的排氣溫度，從而影響SCR轉化器的轉化效率，進而影響ETC和WHTC排放循環的NOx排放值。ETC和WHTC排放循環測試過程中，排氣管不包裹保溫棉時，整體排氣溫度隨著排氣管長度增加而降低，而且溫降高達30～40 ℃，平均排氣溫度最大下降14%；排氣管包裹保溫棉時，整體排氣溫度下降趨緩，溫降10～20 ℃，平均排氣溫度最大下降8%。由于包裹保溫材料僅僅是防止排氣熱量散失，維持SCR反應的溫度，對柴油機尾氣排放中的顆粒影響不大，但卻大大影響著NOx的排放值。排氣管不包裹保溫棉時，ETC排放循環的NOx值除了在排氣管長度為5 m時大于國家標準(2 g/(kW·h))，其余條件下都能滿足國標要求，且留有一定的排放裕度。相對于ETC排放循環，WHTC排放循環的NOx排放值基本不能滿足國家標準，或者達標卻沒有裕度，最大NOx排放值為4.45 g/(kW·h)，超過國家標準值59%。排氣管包裹保溫棉時，ETC排放循環的NOx值全部滿足國家規定，且留有很大的排放裕度。WHTC排放循環的NOx排放值除了在排氣管長度為5 m時大于國家標準(2.8 g/(kW·h))，其余條件下都能滿足國家標準，但排放裕度不大，WHTC循環最大NOx排放值為3.44 g/(kW·h)，超過國家標準的23%。

表2 ETC排放循環測試結果

表3 WHTC排放循環測試結果

排氣溫度影響著SCR系統和DPF系統的工作效率，特別是目前京五和國六法規涉及到WHTC排放循環，WHTC循環相比ETC循環排氣溫度更低，因此排氣管的熱管理系統是今后需要重點研究的課題。

3 結論

a) 無論是穩態工況，還是瞬態工況，排氣管長度越長，排氣溫度下降就越快，最大溫降高達19%，對NOx排放值影響就越大，NOx排放值相對國家標準最多超過59%；使用保溫材料能維持一定的排氣溫度，溫降最大達到8%，NOx排放值相對國家標準最多超過23%；

b) 對于SCR系統配套，增壓器到SCR入口之間的排氣管長度選擇1～3 m較合適，滿足ETC循環要求的發動機可以不增加保溫材料，但對于要滿足WHTC排放循環的發動機，排氣管必須增加保溫材料才能滿足排放法規要求，且留有裕度。

[1] Xu L F，Watkins W.Laboratory and engine study of urea-related deposits in diesel in diesel urea-SCR after-treament systems[C].SAE Paper 2007-01-1582.

[2] 張紀元.重型柴油機SCR系統應用技術研究[D].濟南：山東大學，2013.

[3] Strots V O，Santhannam S.Deposit formation in urea-SCR systems[C].SAE Paper 2009-01-2780.

[4] Johnson TV.Review of diesel emissions and control[C].SAE Paper 2010-01-0301.

[5] 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.

[6] 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).上海：同濟大學出版社，2017：46-49.

[7] 國家環境保護總局，國家質量監督檢驗檢疫總局．DB 11 964—2013 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法[S]．北京:中國標準出版社，2013.

[8] Michelin J.Optimized diesel particulate filter system for diesel exhaust after treatment[C].SAE Paper 2001-01-0457.