國(guó)六階段重型柴油機(jī)開(kāi)/閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排放特性研究

劉冰

（招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 400000）

1 研究背景

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，高溫高壓的氣體會(huì)通過(guò)活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱中。這些廢氣中含有大量的水蒸氣及未燃碳?xì)鋾?huì)對(duì)機(jī)油造成稀釋和氧化，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。因此，國(guó)六以前絕大部分車用柴油機(jī)和非道路柴油機(jī)都采用開(kāi)式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，即曲軸箱廢氣通過(guò)油氣分離器后氣體直接排入大氣。開(kāi)式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可以避免廢氣再進(jìn)入氣缸燃燒對(duì)增壓器及后處理系統(tǒng)的影響[1]，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需維護(hù)。但隨著生態(tài)環(huán)境部于2018 年正式發(fā)布重型柴油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車用柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)提出明確要求[2]。標(biāo)準(zhǔn)要求企業(yè)可以采用開(kāi)式或閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，如果采用閉式系統(tǒng)則不允許將曲軸箱廢氣排入大氣，企業(yè)需采用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)將曲軸箱廢氣引入燃燒室二次燃燒燃燒。二次燃燒可以避免曲軸箱竄氣對(duì)大氣的直接污染，但竄氣中機(jī)油的燃燒會(huì)產(chǎn)生大量微粒，其中的納米級(jí)微粒會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害[3-4]。若采用開(kāi)式系統(tǒng)則需要把曲軸箱廢氣接入排氣末端，與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣一起參與排放測(cè)試，這樣就會(huì)加大柴油機(jī)排放認(rèn)證難度及增加環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

為了探究重型柴油機(jī)開(kāi)式/閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)工況下的排放特性，本文以一臺(tái)重型車用柴油機(jī)為研究對(duì)象，搭建排放測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了國(guó)六階段WHSC 循環(huán)和冷熱態(tài)WHTC 循環(huán)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比了國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)工況下柴油機(jī)開(kāi)式/閉式系統(tǒng)的排放特征，意在為重型柴油機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及排放標(biāo)定和認(rèn)證提供指導(dǎo)。

2 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試循環(huán)

試驗(yàn)采用HORIBA 公司的HT350 電力測(cè)功機(jī)、全流稀釋采樣系統(tǒng)、MEXA-ONE-C1-OⅤ排放分析系統(tǒng)、MEXA-2000SPCS 顆粒計(jì)數(shù)器、MEXA-ONE-FT-E 氨分析儀、AⅤL740 油耗儀、南京久鼎進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)、ABB 進(jìn)氣流量計(jì)等試驗(yàn)設(shè)備，所構(gòu)建的柴油機(jī)機(jī)排放測(cè)試臺(tái)架如圖1 所示。

圖1 柴油機(jī)排放測(cè)試臺(tái)架示意圖

為了探究開(kāi)式/閉式重型柴油機(jī)在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下的排放特性，分別采用GB 17691—2018 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)WHSC（如圖2 所示）和瞬態(tài)WHTC 循環(huán)（如圖3 所示）進(jìn)行排放測(cè)試試驗(yàn)。

進(jìn)行WHSC 循環(huán)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行邊界條件進(jìn)行控制，設(shè)定進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力為101 kPa、進(jìn)氣溫度為25 ℃、進(jìn)氣濕度為45%，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度為82 ℃、中冷后溫度為50 ℃，在額定點(diǎn)維持運(yùn)轉(zhuǎn)10 min 左右，觀察各邊界進(jìn)氣溫度濕度、水循環(huán)溫度、排氣溫度是否穩(wěn)定。水循環(huán)溫度為（82±2）℃，排氣溫度為±2 ℃時(shí)，即可開(kāi)始對(duì)應(yīng)的排放測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)。

在進(jìn)行冷、熱態(tài)WHTC 循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行不少于6 h 的冷機(jī)處理，使其循環(huán)水溫、機(jī)油溫度和后處理溫度在20～30 ℃之間，然后設(shè)定進(jìn)氣空調(diào)進(jìn)氣壓力為101 kPa、進(jìn)氣溫度為25 ℃、進(jìn)氣濕度為45%，設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為82 ℃，中冷后溫度為50 ℃。從停機(jī)狀態(tài)直接進(jìn)入冷、熱態(tài)WHTC 排放測(cè)試循環(huán)。

圖2 WHSC 循環(huán)工況

圖3 WHTC 循環(huán)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣體污染物排放特性研究

圖4、圖5、圖6 分別顯示了開(kāi)式/閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)情況下氣體排放污染物CO、NOx、THC 在WHTC冷態(tài)循環(huán)、WHTC 熱態(tài)循環(huán)和WHSC 循環(huán)中的比排放結(jié)果。從圖4 中可看出冷態(tài)WHTC 循環(huán)模式下CO 排放量很高，幾乎是熱態(tài)循環(huán)的3 倍，而在WHSC 循環(huán)中CO 排放量很高，由圖可知在WHSC 循環(huán)中開(kāi)式CO排放量高于閉式72%左右，而冷熱態(tài)WHTC 循環(huán)模式下開(kāi)/閉式的CO 的比排放結(jié)果幾乎一樣。圖5顯示了3 種循環(huán)模式下NOx比排放結(jié)果，由圖可知，3 種循環(huán)模式下開(kāi)式曲軸箱NOx排放量均明顯高于閉式，且分別高出了3.4%、18.9%、52.9%。從圖6中可看出，WHSC 循環(huán)中開(kāi)式系統(tǒng)THC 排放量明顯高于閉式，WHTC 循環(huán)中開(kāi)式系統(tǒng)THC 排放量分別比閉式高出了3.2%、18.2%，與NOx排放特性非常類似。

圖4 CO 比排放結(jié)果

圖5 NOx 比排放結(jié)果

圖6 THC 比排放結(jié)果

圖7顯示了非常規(guī)污染物NH3的比排放結(jié)果。由圖可知3 種循環(huán)模式下NH3的排放量都不高，最高的閉式WHSC 循環(huán)也僅為0.000 1%。熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)表現(xiàn)為閉式NH3排放高于開(kāi)式，分別高出60.9%和38.8%。而冷態(tài)循環(huán)中是開(kāi)式系統(tǒng)高于閉式系統(tǒng)，且高出137.5%。

綜合以上分析可知，常規(guī)氣體污染物CO、NOx、THC 在開(kāi)式和閉式系統(tǒng)中的排放特性比較接近，都是開(kāi)式系統(tǒng)排放量高于閉式系統(tǒng)，且WHSC 循環(huán)高出比例最多，冷態(tài)WHTC 循環(huán)高出比例最小。而非常規(guī)污染物NH3則表現(xiàn)為熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)中閉式排放量高，冷態(tài)WHTC 循環(huán)中開(kāi)式排放量更高。

圖7 NH3排放結(jié)果

3.2 顆粒物排放特性研究

圖8 和圖9 分別顯示了開(kāi)式和閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)情況下顆粒物質(zhì)量（PM，Particulate Matters）和顆粒物數(shù)量（PN，Particulate Number）在WHTC 冷態(tài)、WHTC 熱態(tài)、WHSC 這3 種循環(huán)中的比排放結(jié)果。從圖8 中可看出3 種循環(huán)模式下開(kāi)式系統(tǒng)的PM 排放結(jié)果都遠(yuǎn)大于閉式排放結(jié)果，分別高出了5.7 倍、5 倍和5.1 倍。由此可見(jiàn)開(kāi)式系統(tǒng)的PM 排放量在3 種循環(huán)中均高出閉式5 倍左右。而圖9 中PN 排放結(jié)果顯示開(kāi)式排放更是遠(yuǎn)超閉式，3 種循環(huán)模式下分別高出了85.2倍、17.5 倍和4.4 倍。從以上分析可知開(kāi)/閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)PM 和PN 的影響極大，開(kāi)式系統(tǒng)的PM 排放量是閉式的數(shù)倍，開(kāi)式系統(tǒng)的PN 排放量是閉式的數(shù)10 倍。

圖8 PM 排放結(jié)果

3.3 循環(huán)比油耗特性研究

圖10顯示了開(kāi)/閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在3種循環(huán)模式下的循環(huán)比油耗結(jié)果。由圖可知，在WHTC 瞬態(tài)循環(huán)中不管是冷態(tài)還是熱態(tài)，開(kāi)式系統(tǒng)的循環(huán)比油耗都明顯高于閉式系統(tǒng)，其中冷、熱態(tài)循環(huán)分別高出6.3%和2.86%。但在穩(wěn)態(tài)WHSC 循環(huán)中開(kāi)式和比閉式比油基本一致。由以上分析可知開(kāi)/閉式曲軸箱系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)循環(huán)的比油耗影響較大，對(duì)穩(wěn)態(tài)循環(huán)基本沒(méi)有影響。

圖9 PN 排放結(jié)果

圖10 循環(huán)比油耗結(jié)果

4 結(jié)論

在WHTC 冷態(tài)、WHTC 熱態(tài)和WHSC 這3 種循環(huán)中開(kāi)/閉模式下常規(guī)氣體污染物CO、NOx、THC 排放特性相同，都表現(xiàn)為開(kāi)式排放量高于閉式，且穩(wěn)態(tài)循環(huán)高出較多；而非常規(guī)氣態(tài)污染物NH3則表現(xiàn)為僅冷態(tài)循環(huán)下開(kāi)式高于閉式，熱態(tài)循環(huán)和WHSC 循環(huán)均為NH3排放開(kāi)式低于閉式。在WHTC 冷態(tài)、WHTC熱態(tài)和WHSC 這3 種循環(huán)中開(kāi)/閉模式下PM 和PN 排放量差異巨大，其中開(kāi)式PM 排放量是閉式的5 倍左右，而PN 則能達(dá)到數(shù)10 倍。在開(kāi)/閉2 種模式下，WHTC 循環(huán)的比油耗開(kāi)式明顯高于閉式，而WHSC 循環(huán)中開(kāi)/閉式比油耗幾乎一致。