某柴油機(jī)尾氣后處理裝置空速計(jì)算方法

摘要：為提高柴油機(jī)后處理裝置性能，分析排氣質(zhì)量流量計(jì)算方法，開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)采集標(biāo)準(zhǔn)工況下柴油機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量；基于進(jìn)氣密度和進(jìn)氣質(zhì)量流量，分別用進(jìn)氣流量和油耗量測(cè)量法、碳平衡法計(jì)算尾氣后處理裝置的空速，并對(duì)比2種計(jì)算方法的有效性。結(jié)果表明：進(jìn)氣質(zhì)量流量和油耗量測(cè)量法、碳平衡法計(jì)算的尾氣后處理裝置空速結(jié)果接近，2種方法計(jì)算的空速的相對(duì)誤差為3.94%，均可用于柴油機(jī)尾氣后處理裝置空速計(jì)算；相比碳平衡法，基于進(jìn)氣質(zhì)量流量和油耗量測(cè)量法更容易實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；尾氣后處理；空速；排氣流量；有效容積

中圖分類(lèi)號(hào)：TK422文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）03-0057-05

引用格式：劉建軍，張建華，王明杰，等.某柴油機(jī)尾氣后處理裝置空速計(jì)算方法［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)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(xiàng)目：山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（2021TSGC1334）；濟(jì)南市市校融合發(fā)展戰(zhàn)略工程項(xiàng)目（JNSX2023006）

第一作者簡(jiǎn)介：劉建軍（1989—），男，濟(jì)南人，山東大學(xué)碩士研究生，山東交通學(xué)院助理工程師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)，E-mail：402030@sdjtu.edu.cn。

*通信作者簡(jiǎn)介：白書(shū)戰(zhàn)（1979—），男，山東莘縣人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)、整機(jī)開(kāi)發(fā)與可靠性技術(shù)及新能源汽車(chē)技術(shù)，E-mail：baishuzhan@sdu.edu.cn。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.009

0" 引言

我國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級(jí)，對(duì)柴油機(jī)排放尾氣中污染物的限定更加嚴(yán)格，促進(jìn)了柴油機(jī)尾氣后處理裝置的普及和應(yīng)用。為滿(mǎn)足我國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，裝用額定凈功率為37～560 kW柴油機(jī)的機(jī)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(dāng)前針對(duì)柴油機(jī)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(jī)尾氣后處理的主要故障模式、原因以及預(yù)防措施，為提升相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量、降低因柴油機(jī)尾氣后處理設(shè)備失效造成的損失提供了經(jīng)驗(yàn)；王磊等［3］對(duì)滿(mǎn)足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)，分別研究了穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)下尾氣后處理技術(shù)對(duì)尾氣中N2O排放的影響；侯普輝［4］利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，研究了影響選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)工作效率的關(guān)鍵參數(shù)，提高產(chǎn)品的性能和一致性；王冠［5］分析了多種尾氣后處理技術(shù)對(duì)重型柴油機(jī)PM、NOx排放的影響，闡述了重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)的研究趨勢(shì)；羅萬(wàn)祥［6］介紹了SCR技術(shù)在二沖程、四沖程柴油機(jī)尾氣后處理中的應(yīng)用，使相關(guān)制造企業(yè)更充分了解SCR技術(shù)以提高產(chǎn)品質(zhì)量；劉偉等［7］為提高柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)的工作效率，通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究了尾氣后處理混合器對(duì)氨氣分布均勻性的影響；楊麗君等［8］為進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)尾氣后處理設(shè)備的性能，從工作原理入手，研究了尿素噴入量計(jì)算精度欠缺等常見(jiàn)故障的原因及診斷方法；單文坡等［9］為降低重型柴油車(chē)污染，總結(jié)分析了在用的重型柴油車(chē)后處理技術(shù)，研究指出為滿(mǎn)足更高排放標(biāo)準(zhǔn)，需要發(fā)動(dòng)機(jī)與后處理系統(tǒng)控制技術(shù)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(jié)了當(dāng)前的DPF再生技術(shù)，分析了不同參數(shù)對(duì)DPF內(nèi)顆粒沉積分布特性的影響，指出了可行的微觀通道內(nèi)顆粒沉積與DPF再生技術(shù)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(jié)構(gòu)、載體結(jié)構(gòu)、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(shù)參數(shù)，直接影響尾氣后處理裝置的性能。柴油機(jī)后處理裝置空速是柴油機(jī)的排氣體積流量與后處置裝置體積的比。柴油機(jī)后處理裝置空速過(guò)大，意味著選取的后處理裝置體積過(guò)小，廢氣流過(guò)后處理裝置的速度加快，時(shí)間較短，導(dǎo)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(jī)排放難以滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)要求；空速過(guò)小，意味著選取的后處理裝置體積過(guò)大，廢氣流過(guò)后處理裝置的速度減小，時(shí)間增加，雖然能夠滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，但導(dǎo)致使用成本增加，同時(shí)體積過(guò)大的后處理裝置不利于其在整機(jī)上的布置。

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

本文中分析某柴油機(jī)尾氣后處理裝置空速的計(jì)算方法，開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量柴油機(jī)在額定工況下的性能及排放，基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法計(jì)算柴油機(jī)DPF空速并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為設(shè)計(jì)后處理系統(tǒng)的尺寸及形狀，提高和優(yōu)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(jì)算方法

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

1.1" 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法通過(guò)流量傳感器或具有等效功能的流量測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量排氣流量，但柴油機(jī)在額定工況下的排氣溫度通常不低于500 ℃，大多數(shù)流量傳感器不適于在此溫度范圍內(nèi)工作，因此直接測(cè)量法較少使用。

1.2" 基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法

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

濕基進(jìn)氣體積流量

qV，A=qm，A/ρA，（1）

式中：qm，A為濕基進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h；ρA為濕基進(jìn)氣密度，kg/m3。

濕基排氣體積流量的計(jì)算式為：

{qV，E}={qV，A}+0.746{qm，F(xiàn)}，（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(shù)值，{qV，A}為以m3/h為單位的qV，A的數(shù)值，{qm，F(xiàn)}為以kg/h為單位的燃油質(zhì)量流量qm，F(xiàn)的數(shù)值。

1.3" 碳平衡測(cè)量法

碳平衡測(cè)量法根據(jù)碳元素質(zhì)量保持不變的原理，通過(guò)含碳?xì)怏w排氣成分和油耗量計(jì)算排氣質(zhì)量流量，從而計(jì)算進(jìn)氣體積流量［15］。根據(jù)碳特殊因子、干基排氣燃燒附加容積、瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量和瞬時(shí)燃料質(zhì)量流量，計(jì)算瞬時(shí)進(jìn)氣質(zhì)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?jǐn)?shù)，φa（CO2）為進(jìn)氣中干基 CO2體積分?jǐn)?shù)，φd（CO）為干基 CO體積分?jǐn)?shù)，φw（HC）為濕基 HC體積分?jǐn)?shù)。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

瞬時(shí)排氣質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)；qm，fi為燃料瞬時(shí)質(zhì)量流量，kg/s；Ha為進(jìn)氣的絕對(duì)濕度。

瞬時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量

qm，A=qm，ewi－qm，F(xiàn)" 。（6）

1.4" 總稀釋排氣流量測(cè)量法

該方法使用容積式泵或臨界流量文丘里管測(cè)量總稀釋排氣流量，測(cè)量設(shè)備精度應(yīng)符合要求。但由于額定轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)排氣經(jīng)過(guò)定容取樣系統(tǒng)管路后進(jìn)行稀釋?zhuān)账傩枰獪y(cè)定柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)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(jì)算。

2" 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

某高壓共軌增壓中冷柴油機(jī)后處理系統(tǒng)為DPF-DOC，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

DPF后處理單元直徑為190.5 mm，高為126.8 mm。根據(jù)基于進(jìn)氣量和油耗量測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法配置柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，DPF后處理單元如圖2所示，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表2所示，額定工況下柴油機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3" 空速計(jì)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(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法

采用基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法，環(huán)境溫度為24.9 ℃，進(jìn)氣相對(duì)濕度為49%，大氣壓力為101.3 kPa，柴油機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量流量為415.0 kg/h，進(jìn)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(zhuǎn)速和額定功率下，qV，E=361.703 m3/h；由式（7）可得該柴油機(jī)DPF的空速γ=100 083 h-1。

3.2" 基于碳平衡測(cè)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(jìn)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(zhuǎn)速和額定功率下，qV，E =347.442 m3/h；由式（7）可得，該柴油機(jī)DPF空速γ=96 138 h-1。

采用基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法所得空速的相對(duì)誤差，評(píng)價(jià)2種計(jì)算方法的區(qū)別。

基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法所得空速的相對(duì)誤差

δsv=γ1-γ2γ1，（8）

式中：γ1、γ2分別為基于進(jìn)氣量和油耗量的測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法計(jì)算的空速，h-1。

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

使用進(jìn)氣空氣流量和燃油消耗量測(cè)量法計(jì)算空速時(shí)，通過(guò)進(jìn)氣流量計(jì)和油耗儀測(cè)量進(jìn)氣質(zhì)量流量；使用碳平衡法計(jì)算空速時(shí)，使用油耗儀和氣體排放分析儀測(cè)量，同時(shí)還應(yīng)獲取燃油中的碳、氫、氮、氧等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)量設(shè)備和計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。2種方法相比，基于進(jìn)氣空氣流量和燃油消耗量測(cè)量法計(jì)算后處理裝置空速更容易實(shí)現(xiàn)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

為滿(mǎn)足我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，提高柴油機(jī)DPF性能，通過(guò)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量柴油機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量、燃油消耗及污染物排放，基于進(jìn)氣量和燃油消耗量測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法計(jì)算了某柴油機(jī)尾氣后處理裝置的空速。

1）基于進(jìn)氣量和燃油消耗量測(cè)量法、碳平衡測(cè)量法計(jì)算的空速結(jié)果相近，2種方法計(jì)算的空速的相對(duì)誤差為3.94%，2種方法均可用于柴油機(jī)尾氣后處理裝置空速計(jì)算。

2）2種方法相比，基于進(jìn)氣空氣流量和燃油消耗量測(cè)量法計(jì)算后處理裝置的空速更容易實(shí)現(xiàn)。

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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(zé)任編輯：劉麗君）