噴水降低柴油機排氣溫度的試驗研究

武選柯，杜慧勇，李 可，王朋輝，王站成，苗家軒

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003;2.固安迪諾斯環保設備制造有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

作為當今社會最主要的動力來源之一，柴油機在人們的日常生活和生產實踐中發揮著重要的作用[1-3]。但柴油機的尾氣存在氮氧化合物(NOx)、顆粒物(particulate matter,PM)等難以依靠機內凈化處理的有害成分，因此，柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)和選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)作為機外凈化是柴油機應用最為廣泛的后處理裝置[4-9]。DPF技術和SCR技術在車用柴油機領域已得到廣泛應用[10-12]。但是DPF再生后會產生高溫排氣，易破壞SCR載體的活性從而導致其失活[13]，因此，需要通過合適的方法降低再生后的排氣高溫。目前，許多學者對發動機的排氣降溫進行了研究。文獻[14]針對DPF再生后的高溫，基于文丘里效應，通過理論分析、仿真優化，設計了一種降低排氣溫度的裝置，能大幅度降低DPF再生時的排氣溫度。文獻[15-16]基于氣-液兩相流理論，建立了排氣系統內噴水降溫的數學模型，得到了液滴在排氣系統管路內的運動軌跡，并指出，隨著噴水流量的增加，排氣系統出口溫度會降低，但降溫的速率會下降；水霧噴射夾角、霧滴初始粒徑和水流量的變化對氣相出口溫度分布的影響很大。文獻[17-18]研究了冷卻水流量以及霧化顆粒直徑對發動機排氣系統噴水降溫性能的影響。結果表明：冷卻水流量增加，會導致排氣系統出口溫度降低的幅度增加；在第1次噴水降溫以后，可以在噴水點后間隔一定距離處安裝除濕裝置，降低排氣系統內氣體的含濕量，然后再進行第2次噴水冷卻。

目前，關于發動機高溫排氣噴水降溫的研究較少，并且以往針對排氣降溫的研究,主要通過構建模型、仿真分析等方式進行模擬，未能在發動機臺架上進行真實的試驗研究，而真實的發動機工況以及噴水策略對排氣降溫效果影響較大。本文通過搭建發動機排氣降溫試驗臺架，利用冷卻水的汽化潛熱吸熱能力，采用噴水降溫的方法，獲得噴嘴下游不同測點位置的溫度變化隨排氣流量及冷卻水噴射策略改變的規律。分析排氣溫度變化的規律，可為解決DPF再生后的高溫排氣提供依據。

1 試驗設備與方法

試驗是在一臺滿足國Ⅳ排放標準的云內4102非道路柴油機上完成的，該柴油機采用增壓中冷以及電控高壓共軌技術，其基本參數如表1所示。試驗使用的冷卻水噴射單元是由3個噴孔構成的噴嘴，每個噴孔直徑為0.185 mm，3個噴孔之間的間距為1.9 mm。噴嘴結構圖如圖1所示。

表1 柴油機參數

圖1 噴嘴結構圖

溫度傳感器布置在距離管道下壁面20 mm處，其布置簡圖如圖2所示，在發動機排氣管道中，測點位置分別位于噴嘴下游200 mm、400 mm及600 mm處，通過連接到測溫裝置——智能溫度巡檢儀上輸出噴水前后的排氣溫度。通過調整發動機的工況和噴水策略，記錄不同排氣流量、不同噴射時間間隔下各個測點的溫度變化情況。測溫設備及參數如表2所示。

表2 測溫設備及參數

2 試驗結果與分析

2.1 噴水流量的選取

在冷卻水與熱氣流的相對運動換熱過程中，冷卻水的蒸發吸熱過程會吸收部分熱量從而使排氣溫度降低，在此過程中，降溫所需冷卻水的量可由文獻[19]中的公式計算：

w1=ckm(T1-T2);

(1)

m=m1+m2;

(2)

w2=w1;

(3)

(4)

其中：m1為發動機的進氣質量流量，kg/h；m2為燃油小時消耗量，kg/h；m為發動機的排氣質量流量，kg/h；c1為液態水的比熱容，J/(kg·K)；c2為氣態水的比熱容，J/(kg·K)；ck為高溫排氣比熱容，J/(kg·K)；T1為初始溫度，℃；T2為噴水降溫后的溫度，℃；T3為液態水的蒸發溫度，℃；T4為液態水的初始溫度，℃；w1為高溫排氣釋放的熱量；w2為水蒸氣吸收的熱量；△H為水的蒸發焓，J/(kg·K)；M為降溫所消耗的水的質量，kg。

該型號DPF在排氣溫度為300 ℃、排氣流量為250 kg/h(1 300 r/min，193 N·m)的條件下進行再生，再生后的溫度T1=600 ℃，噴水后降到釩基催化劑的極限工作溫度T2=550 ℃，其他參數：T3=100 ℃，T4=20 ℃，另：m=250 kg/h，c1=4.2×103J/(kg·K)，c2=2.1×103J/(kg·K)，ck=1 018 J/(kg·K)，△H=2.257×106J/(kg·K)。將以上數據代入式(1)～式(4)中，可得M=0.059 9 kg，理論上在60 s的時間內，達到所降溫度需消耗水的質量為59.9 g。

對于柴油機的高溫排氣噴水降溫裝置，溫度降低的程度主要與冷卻水和高溫氣體的熱質交換有關，在進行熱質交換時，噴水流量直接影響其熱質交換的結果，因此需要采取合適的噴水流量。試驗采用單個噴嘴進行噴水降溫試驗，噴嘴流量為0～2 000 mg/s，據文獻[20-21]的研究，噴水后排氣溫度的變化隨著噴水流量的增加逐漸減小，當噴水流量過大時，溫度的變化基本為一個定值。因此,根據文獻[21-22]的研究以及理論計算，選用在噴水流量為1 000 mg/s(即在60 s內噴射水的質量為60 g)、冷卻水初始溫度為20 ℃的條件下,進行噴水降低柴油機排氣溫度試驗。

2.2 排氣流量對排氣降溫的影響

圖3是在冷卻水噴射時間間隔為100 ms，排氣流量為150 kg/h(1 200 r/min，185 N·m)、排氣溫度為302.9 ℃時，以及排氣流量為250 kg/h(1 300 r/min，193 N·m)、排氣溫度為304.4 ℃時，不同位置的溫度變化趨勢圖，其中，括號內的等式代表溫度隨時間的變化關系。

(a) 距噴嘴下游200 mm處

根據文獻[20]的研究，在初始溫度為300 ℃時，隨著液滴粒徑的減小，液滴的蒸發時間也呈現減小的趨勢。假定液滴粒徑為150 μm時，液滴蒸發需要0.8 s；液滴粒徑為70 μm時，則液滴蒸發只需0.3 s。如圖3a所示，當排氣流量為250 kg/h時，位于噴嘴下游200 mm處的溫度變化趨勢、降溫幅度與降溫速率均較大。這是由于此處距離噴嘴位置較近，大排氣流量下氣流運動速度較快，造成此位置的冷卻水與氣流的相對運動速度大，大液滴更容易破碎成小液滴，從而蒸發時間縮短，相同時間內冷卻水蒸發量多，帶走的熱量也多，降溫幅度大。同時，由圖3a還可看出：在噴射的前期(0～10 s)，兩種排氣流量下的溫度變化很快。這可能是在噴射初期，距離噴嘴下游位置較近，部分冷卻水噴出后直接接觸到溫度傳感器，造成溫度降低過快。如圖3b所示，當測溫點位于噴嘴下游400 mm處時，兩種排氣流量下的溫度變化規律基本一致。這是由于在小排氣流量下，隨著冷卻水在管道內運動距離的變長，霧化蒸發狀態得到改善，且蒸發速率相比于上游位置的變大，吸熱能力變強，帶走的熱量增多，導致降溫幅度與大排氣流量時接近。如圖3c所示，在噴嘴下游600 mm處，兩種排氣流量條件下的降溫幅度接近，大排氣流量下的降溫速率略大。原因是在距離噴嘴下游較遠位置處，雖然大排氣流量下的冷卻水蒸發速率大，但由于冷卻水在管道內運動過程中，運動距離變長，大部分冷卻水已經蒸發，到達此處的冷卻水量減少，沒有足夠多的冷卻水可以進行蒸發吸熱，因此兩種排氣流量下的降溫幅度接近。從圖3中還可以看出：在60 s時，當排氣流量為250 kg/h時，200 mm處的溫度最低，600 mm處的溫度最高，這是由于在此排氣流量下，大液滴在與氣流的相互運動過程中易破碎成小液滴，液滴蒸發時間縮短，在較近位置處便可帶走部分熱量，而距離噴嘴較遠位置處，冷卻水前期蒸發狀態已經相對良好，到達此處的冷卻水量減少，可帶走的熱量較少，從而呈現圖中的溫度變化，說明此刻液滴蒸發帶走的熱量占主要因素。

綜合上述分析可以得出：距離噴嘴下游不同測點位置處，大排氣流量下的降溫幅度與降溫速率均較大；在距離噴嘴下游較近位置處，噴射前期(0～10 s)由于部分冷卻水直接接觸到溫度傳感器，造成兩種條件下的降溫都較快，但從整個降溫過程來看，大排氣流量下的降溫幅度更大。因此，進行DPF再生后高溫排氣噴水降溫時，在排氣溫度、噴射策略等條件一定的前提下，選用大排氣流量進行DPF再生，在距離SCR載體前端較近位置處安裝噴水裝置即可降到所需溫度，可以節省空間布置。

2.3 冷卻水噴射策略對排氣降溫的影響

在噴水質量一定的前提下，選擇兩種水噴射策略，第1種是在噴射時間間隔為100 ms的條件下進行噴射，噴射數量為10次/s，每次噴射100 mg，可實現多次少噴的效果；第2種是在時間間隔為200 ms的條件下進行噴射，噴射數量為5次/s，每次噴射200 mg，可實現少次多噴的效果。本文通過試驗探究兩種冷卻水噴射策略對排氣降溫的影響。

據文獻[15，22]的研究，當排氣溫度升高，液滴破碎蒸發速率加快。因此,選取在排氣溫度為400 ℃、排氣流量為250 kg/h(1 500 r/min，398 N·m)的條件下，通過改變冷卻水的噴射時間間隔，探究多次少噴以及少次多噴的噴射策略對溫度變化趨勢、降溫幅度以及降溫速率的影響，其結果如圖4所示，括號內的等式代表溫度隨時間的變化關系。

如圖4a所示，在距離噴嘴下游200 mm處，兩種噴射策略下的溫度變化趨勢、降溫幅度與降溫速率基本一致。這是因為在此測點位置處，冷卻水噴出后，在近管道壁面位置處因為重力以及液滴間的相互碰撞作用，存在大粒徑的液滴，并且此時距離噴嘴較近，冷卻水霧化狀態差，在噴射總量一定時，兩種噴射策略在相同的時間內帶走的熱量接近，因此降溫幅度基本一樣。如圖4b所示，當測點位置距離噴嘴下游400 mm時，兩種噴射策略下的溫度變化趨勢、降溫幅度與降溫速率接近。但在20～50 s的時間段內，通過對管道中心位置的排氣溫度進行測量，兩種噴射策略下的溫度差值為6 ℃。這是由于試驗所用噴嘴為3孔噴射，噴射出的冷卻水呈不均勻分布。在距離噴嘴400 mm處，較近的運動距離不足以讓液滴很好地進行霧化蒸發，管道中心位置與近壁面位置的冷卻水霧化狀態較差，因而在20～50 s的時間段內，管道中心位置兩者溫度差值較大。但管道壁面處由于兩者的降溫速率接近，因此兩者的降溫幅度也接近。如圖4c所示，當測點位置距離噴嘴下游600 mm時，兩種噴射策略下的溫度變化趨勢、降溫幅度與降溫速率基本相同。但是在噴射時間為20～50 s的時間段內，兩種噴射策略下的溫度差值為8 ℃，而通過對管道中心位置的排氣溫度進行測量，在相同時間段內，兩種噴射策略下的溫度差值約為1 ℃。這是由于在此測量位置，隨著冷卻水向前運動，管道中心位置冷卻水霧化得到改善，而管道壁面位置仍分布有未霧化蒸發的冷卻水，因而在20～50 s的時間段內，在管道壁面處兩種噴射策略下的溫度差值較大。

綜上分析可得：在距離噴嘴下游不同位置，兩種噴射策略下的降溫幅度與降溫速率基本一致；在距離噴嘴下游較遠位置，20～50 s的時間段內，兩種噴射策略下，管道中心位置的溫度差值減小，但管道壁面處的溫度差值增大，這是由于管道壁面處冷卻水霧化較差。因而可以采用在噴嘴下游安裝混合器的方法，改善冷卻水的霧化狀態。

(a) 距噴嘴下游200 mm處

3 結論

(1)在距噴嘴下游不同位置，大排氣流量下的降溫幅度以及降溫速率均較大；選用大排氣流量下進行DPF再生，在距離SCR載體前端較近位置處安裝噴水裝置，即可降到所需溫度。

(2)當噴射策略不同時，兩種噴射策略下的降溫幅度與降溫效率基本一樣，隨著冷卻水運動距離的變長，管道中心處冷卻水霧化狀態得到改善，但在管道壁面位置處，冷卻水的霧化狀態仍然較差，因此可以通過在噴嘴下游安裝混合器，使噴射出的冷卻水霧化均勻，達到較好的降溫效果。