不同中冷系統對柴油機瞬態循環中NOx排放的影響

孫景震 向亦華 熊衛東

摘要：指出了汽車中占比不高的柴油車排放的NOx權重占比高達60%，隨著汽車產量的增加，為增強人民的藍天幸福感，如何減少柴油機中NOx排放已經成為主要研究內容。不同的中冷系統直接影響中冷后進氣溫度進而影響NOx排放，主要介紹了兩種不同的中冷系統對柴油機瞬態循環中的NOx排放的影響。試驗結果表明：在ETC試驗循環中，二級中冷系統的NOx比排放比一級中冷系統的NOx比排放低20%，且中冷后的進氣溫度對工況的敏感度較低。

關鍵詞：中冷系統;中冷溫度;NOx排放;ETC循環

中圖分類號：U464

文獻標識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0233-02

1?引言

隨著我國向城鎮化及工業化轉化速度的加快，我國的汽車產業也隨之增長迅速，2019年的中國移動環境管理年報顯示我國已經連續十年成為世界機動車產銷第一大國。汽車保有量的增加，帶來了更嚴峻的環境污染問題。其中，占比只有7.9%的柴油貨車排放了60%的NOx，因此如何減少柴油機中的NOx排放已成為重中之重。

為堅決打贏柴油機減排污染攻堅戰，增強人民群眾的藍天幸福感，國家生態環境部于2005年頒布了GB17691-2005 《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（ 中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段） 》標準，標準規定了采用ETC（歐洲瞬態循環）測量重型柴油機污染物排放量[1]。汽車在工作過程中處于中低轉速負荷區域及怠速的工況居多，ETC工況循環正契合發動機多變的工況。國內外學者對于ETC工況中影響NOx排放的因素進行了大量研究以期望減少重型柴油機中的NOx排放[2～5]。中冷后進氣溫度直接影響發動機缸內混合氣的形成及燃燒過程，從而對排放產生較大的影響。目前采用的中冷器系統可將中冷后溫度控制在45 ℃左右。為滿足排放標準，有必要研究不同的中冷形式對柴油機的ETC循環排放影響。

本文主要采用了兩種中冷系統，分別為一級中冷系統及二級中冷系統。一級中冷系統直接采用外循環水對增壓進氣中冷，二級中冷系統通過自然外循環水冷卻控制內循環水，內循環水再去進行中冷進氣溫度。實驗時，在額定轉速點調節中冷系統，使中冷后進氣溫度調整為45 ℃，然后固定中冷水循環閥門開度。通過對比兩種中冷系統，更好地研究中冷系統對排放中NOx的影響，以期為降低柴油機中NOx排放提供依據。

2?測試循環及測試設備

本文研究對象為一款3.0L的帶SCR后處理的增壓柴油發動機。發動機基本參數如表1所示。

測功機設備主要為德國Horiba公司進口350kw交流電力測功機，氣體分析儀為日本Horiba研制的最新的Mexa One 系列全流稀釋分析儀，NOx測量原理為標準規定的化學發光法（CLD）。油耗儀采用AVL公司生產的740，進氣流量計為上海同圓發動機測試設備有限公司生產的FMT700-P。

3?試驗結果及分析

當前標準規定的ETC工況主要分為三段，每段時間為600s，第一段為模擬轉速和扭矩變化較大的市區循環構成，第二段為模擬轉速和扭矩變化較小的郊區路段構成，第三段為模擬轉速幾乎不變，扭矩變動較小的高速路段組成。Mexa One分析儀通過連續采取三段中的NOx信號積分求得最后的污染物測量值[6]。

在相同的邊界條件下，除中冷系統不同外，相同的實驗人員通過兩次實驗循環最后測得的結果為：一級中冷系統NOx比排放值為2.05 g/kW·h，二級中冷系統NOx比排放值為1.65 g/kW·h。結果表明二級中冷系統最終測得NOx排放比一級中冷系統低20%。圖1為兩種中冷系統在整個循環中的實時排放濃度，由圖可知，兩種中冷系統NOx排放的差異主要體現在1200s之前，即出現在模擬的市區及郊區循環路段。 尤其是在前600s階段，兩種中冷系統的排放差異更大。

實驗中直接影響NOx排放結果的因素為中冷后進氣溫度，由于中冷后進氣溫度的不同間接導致缸內燃燒溫度、進氣充量系數、排氣溫度、SCR的噴射效率及催化器的催化效率不同，最后導致排放的不同。圖2為不同中冷系統下ETC循環進氣溫度圖，由圖可知，前1200s一級中冷系統的中冷后進氣溫度低于二級中冷系統中冷后進氣溫度的幅度較大，在1200s之后，兩者差距變小。在整個循環過程中，二級中冷系統的中冷后進氣溫度受工況變化的影響較小，中冷后進氣溫度更加穩定。一級中冷系統的中冷后進氣溫度對工況變化比較敏感，而且在整個循環過程中，溫度都偏低于二級中冷系統。

中冷進氣溫度高會導致進氣充量系數降低，缸內燃燒溫度過高，排氣溫度也會隨之變高。圖3為不同中冷系統下ETC循環渦后排氣溫度，從圖中可以看出，在整個ETC循環中，二級中冷系統的渦后排氣溫度都高于一級中冷系統，且平均溫度高9 ℃。

通過以上分析雖然二級中冷系統中冷后進氣溫度提高，導致缸內燃燒溫度提高，原機NOx排放值會增加，但是由于排氣溫度的提高會導致SCR系統起噴時間也會加快，催化器起作用的窗口也會更加的寬廣，因此最終二級中冷系統的NOx比排放值會降低。在此過程中，SCR后處理對NOx比排放的降低遠遠大于中冷后進氣溫度升高導致NOx比排放增加。一級中冷系統，由于進氣溫度的偏低，充量系數會高于二級中冷系統，缸內富氧條件滿足，導致產生的NOx排放升高，另外由于排氣溫度的降低導致SCR后處理進入高效區窗口的時間延遲且處于高效區工作的時間變短，最終導致一級中冷系統的NOx比排放值偏大。

4?結論

（1）采用不同的中冷系統會直接影響中冷后進氣溫度，間接的影響渦后排氣溫度和尿素噴射區后處理高效區起作用時間。

（2）二級中冷系統的中冷后進氣溫度對ETC工況的敏感度較小，測出的NOX比排放值比一級中冷系統高20%。

（3）采用二級中冷系統的中冷后進氣溫度高于一級中冷系統，渦后排氣溫度會隨中冷后進氣溫度的增加而增加，進入尿素高效率區和后處理高效率工作區的時間隨中冷進氣溫度的提高變得更快也更長。

參考文獻：

[1]中華人民共和國環境保護部.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（ 中國III、IV、V 階段）：GB 17691-2005[S].北京： 中國環境出版社，2005.

[2]趙國斌，蓋永田.WHSC/WHTC與ESC/ETC測試循環的實驗比較與研究[J].汽車工程學報，2015，5（ 1） ： 30～34.

[3]王?軍， 張?磊， 樊志梟， 等. 中冷后進氣溫度對國六柴油機 NOx 排放的影響[J]. 內燃機與動力裝置， 2019 （4）： 13.

[4]李紫帝， 李紫帝， 譚建偉，等.進氣中冷溫度對柴油機 NOx 排放性能的影響[J].車輛與動力技術， 2016（4）： 54～58.

[5]朱敏霖， 陶澤民， 廖云峰， 等. 柴油機應對WHTC循環策略研究[C]//中國內燃機學會燃燒凈化節能分會，2013年學術年會論文集. 北京：中國的燃機學會，2013： 1～5.

[6]王忠恕.邊界條件對柴油機瞬態工況下燃燒的影響及數值模擬[D]. 長春：吉林大學， 2006.