重型柴油機后處理電加熱技術研究

摘要：為提高柴油機排氣溫度，縮短選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統起燃時間，降低重型柴油機冷態排放，在一臺排量為13 L的重型柴油機后處理系統中增加電加熱器，開展穩態工況和冷態全球統一瞬態測試循環（world harmonized transient cycle，WHTC）測溫試驗，并進行冷態WHTC下、電加熱器功率分別為5.4、7.2 kW時的排放試驗。結果表明：穩態工況下，電加熱器功率穩定時，排氣溫度升高幅度和發動機排氣流量成反比；冷態WHTC中，電加熱功率越大，升溫效果越好，SCR起燃時間越短，相應的能耗也越高；以SCR上游溫度達到理想溫度作為電加熱器關閉的判斷條件，與未加熱相比，電加熱功率分別為5.4、7.2 kW的兩組冷態WHTC試驗的循環NOx排放分別下降了49%和53%，油耗分別增加2.6%和3.6%。

關鍵詞：柴油機；排放；電加熱器；NOx；油耗

中圖分類號：TK421.5文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0076-07

引用格式：耿宗起，白書戰，仲昆，等.重型柴油機后處理電加熱技術研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（6）：76-82.

GENG Zongqi，BAI Shuzhan，ZHONG Kun， et al. Electric heating technology study on the after-treatment of a heavy-duty diesel engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：76-82.

0 引言

目前，各國對重型柴油機NOx排放的要求日益嚴格。歐七排放標準規定NOx的加權比排放限值為0.2 g/（kW·h）^[1]，美國環境保護署（enviromental protection agency，EPA）發布的EPA 2027排放標準要求NOx比排放低于0.047 g/（kW·h） ^[2]，加州排放標準規定2027年NOx比排放低于0.027 g/（kW·h） ^[3]，美國環境保護署和加州限值比我國國六NOx加權排放限值分別降低90%和94%。我國關于第七階段排放標準的預研工作正在開展，擬采用冷、熱態分開限制的方式對NOx排放進行管控，環保力度加大的同時，對柴油機排放控制技術的要求也逐漸提高。

重型柴油機冷態NOx排放較高的原因是選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）裝置在冷起動后的一段時間內不能達到工作溫度。降低冷態NOx排放，一條技術路線是縮短SCR系統起燃時間，通常采用熱管理手段提高排氣溫度，如使用進氣節流閥、缸內后噴技術等；另外一條技術路線是降低冷起動狀態的原機排放，比如廢氣再循環技術。

Sharp等^[4]為了使柴油機達到超低NOx排放，系統研究了電加熱器、柴油燃燒器等熱管理技術，分析了多種技術組合的NOx排放控制效果和對應的能量消耗。Wang等^[5]基于電加熱和雙噴技術路線，詳細研究了釩基、銅基、鐵基等不同催化劑組合的NOx轉化效果和N2O生成情況。李天羿^[6]在某排量為2.5 L的柴油機上使用3種不同的技術方案對電加熱器、低溫SCR催化劑、SCR雙噴技術進行試驗研究，結果表明，電加熱器和單SCR技術可以將冷態全球統一瞬態測試循環（world harmonized transient cycle，WHTC）的NOx排放降低到350 mg/（kW·h）以下。謝昱卓等^[7]基于重型柴油機自主設計了電加熱系統，深入分析了單位電耗可以降低的NOx排放質量，配合自主開發的控制策略使排放降低效果更佳。閆鵬勇等^[8]通過試驗驗證了電加熱器搭載陶瓷材料載體的后處理裝置可以有效降低THC、NOx、CO等多種污染物排放。

本文中以一臺滿足國六排放標準的量產的排量為13 L的重型柴油機為研究對象，在后處理系統中增加電加熱器，基于穩態工況，分別測量關閉和開啟電加熱器時氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）前的排氣溫度，計算溫差和加熱功率，校驗實際應用過程中的熱力學公式準確度；用基于溫度控制的電加熱器進行WHTC的排放測試，測量升溫以后每循環NOx排放和N2O排放，分析瞬態循環中的溫度升高情況和SCR轉化效率。

1 試驗裝置和試驗方案

1.1 試驗裝置

柴油機主要技術參數如表1所示。

試驗使用的后處理系統是基于國六DOC-顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）-SCR-氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）架構的后處理裝置改造而成，在DOC前增加電加熱器，改造后的系統方案如圖1所示，圖中EH為電加熱器。

DOC、 DPF、SCR、ASC的體積分別為7.4、14.8、22.7、5.7 L。電加熱器的額定電壓為24 V，額定功率為5.4 kW，可以短時以功率7.2 kW運行。

1.2 試驗方案與試驗流程

試驗方案包括穩態工況溫升測試和WHTC溫升及排放測試，主要試驗項目如表2所示。

1）穩態工況溫升測試。發動機在低負荷穩態工況下運行，在發動機全轉速、負荷率（實際轉矩與最大轉矩的比）小于40%的范圍內，轉速間隔100 r/min，負荷率間隔8%，共計64個工況點進行測溫。試驗過程中先關閉電加熱器進行A組試驗，為使測量溫度穩定，每個工況點持續運行5 min，獲取發動機基準排溫，分別測量渦輪后排溫和DOC上游溫度，這兩個溫度測點分別位于電加熱器的上、下游；開啟電加熱器進行B組試驗，電加熱器以功率5.4 kW穩定運行，再次測量64個工況點的渦輪后排溫和DOC上游溫度；計算電加熱器開、閉兩個狀態的排氣溫度差，分析電加熱器穩態提溫效果。

2）WHTC溫升及排放測試。按照文獻[9]的規定運行冷態WHTC，以C組試驗作為基準，不開啟電加熱器，D組試驗開啟電加熱以功率5.4 kW運行，至SCR上游溫度首次達到250 ℃時停止，E組試驗電加熱器以功率7.2 kW運行，關閉條件同上。3組試驗過程中對SCR上游氣體溫度、尿素噴射量、排放進行測量。

1.3 電加熱器控制策略

穩態試驗過程中，手動控制電加熱器的開啟和關閉，不使用控制策略。WHTC中，基于SCR上游溫度使用控制器控制電加熱器的開啟和關閉。原理為：通過對柴油機水溫和機油溫度的條件判斷，限制電加熱器只在冷起動狀態開啟，柴油機熱機狀態停機后再起動時，電加熱器不再開啟；當SCR入口溫度傳感器測量溫度高于閾值（250 ℃）時，認為加熱過程結束，SCR轉化效率可以滿足性能需求，電加熱器關閉。另外，為防止電加熱器和后處理系統燒壞，當排氣流量小于100 kg/h時電加熱器不開啟。

2 試驗結果和分析

2.1 穩態工況升溫效果和分析

A組試驗的溫度測量結果如圖2所示，B組試驗的溫度測量結果如圖3所示，電加熱器上、下游溫差（B組與A組的溫度差）計算結果如圖4所示。

由圖4a）可知：電加熱器開、閉時其上游排氣溫度的溫差在±3 ℃以內，入口溫度偏差很小，說明A、B兩組試驗一致性較好。由圖4b）可知：電加熱器開、閉時，電加熱器下游的最大溫差為76.6 ℃，且隨轉速、負荷率呈現良好溫差梯度，表明電加熱器開啟后升溫效果良好。

電加熱器的工作過程包括發熱和兩次傳熱：電熱絲通電發熱，將電能轉化為熱能，第一次傳熱是將熱能由電熱絲傳遞到排氣，第二次傳熱是將熱能由排氣傳遞到SCR載體和催化劑。在穩態試驗過程中，電加熱器功率恒定，自身溫度恒定，電加熱器第一次傳熱效率^[10]

ηEH=Pf/Px ，（1）

式中：Pf為電加熱器放熱功率，kW；Px為排氣吸熱功率，kW。

假設電加熱器放熱功率恒定，第一次傳熱效率在穩態工況下也恒定，根據式（1），排氣吸熱功率也恒定。根據比熱容公式^[11]，排氣吸熱功率也可表示為：

Px=qmcΔT ，（2）

式中：qm為排氣質量流量，kg/s；c為排氣比熱容，kJ/（kg·K）；ΔT為溫差，K。

由式（2）可知，穩態工況下，溫度升高幅度和發動機排氣質量流量成反比。

試驗過程中對每個工況的排氣質量流量進行測量，排氣比熱容約為1.088 kJ/（kg·K），計算排氣吸熱功率，結果如圖5所示。由圖5可知：排氣平均吸熱功率約為5.4 kW，接近電加熱器的放熱功率，表明電加熱器的第一次傳熱效率較高。但實際中，在無其他熱源的情況下，排氣吸熱功率不可能大于放熱功率，但計算使用的各參數的測量結果存在一定誤差，使得個別工況出現吸熱功率大于放熱功率的現象。

2.2 冷態WHTC升溫效果和分析

C、D、E 3組試驗的SCR上游溫度對比如圖6所示。由圖6可知：開啟電加熱器后，D、E組試驗溫度明顯高于C組溫度，表明電加熱器的使用對于后處理系統溫度升高作用明顯；溫度差異主要體現在0～600 s內，700 s以后到循環結束溫度幾乎無差異；D組試驗中經過441 s，SCR上游溫度首次達到250 ℃，電加熱器關閉；E組試驗中由于電加熱功率大，溫升更快，經過411 s，電加熱器關閉。綜上，在試驗設計的功率范圍以內，電加熱器功率增大，SCR上游溫度升幅增大，完成

加熱所用時間縮短。

試驗中，基于氨存儲的閉環控制策略控制尿素噴射，當SCR溫度達到閾值時開啟噴射。C、D和E 3組試驗的尿素瞬時噴射質量流量和循環內累積噴射質量如圖7所示。

由圖7可知：C、D和E 3組試驗的尿素起噴時刻分別是第441秒、第256秒、第233秒，SCR溫升越快，尿素起噴時刻越早，循環總噴射量分別為754、784、789 g，其中C組試驗由于尿素起噴時刻較晚，循環總噴射量較其他兩組少，D、E組試驗的尿素噴射量相當。3組試驗中，尿素噴射數據存在微小差異，是由計算邏輯中氨存儲閉環控制引起的。

根據式（2）以及D、E組試驗相對C組的溫差，逐秒計算排氣吸熱功率，在時域上積分計算各組試驗中排氣吸收的熱量Qx； 根據設定的電加熱功率和開啟時間，" 計算放熱量Qf（假設電熱絲電能到熱能轉換效率100%），計算結果如表3所示。由表3可知：由于加熱功率較大，E組試驗排氣吸收的熱量比D組試驗吸收熱量多；D、E組試驗均出現吸熱量大于放熱量的現象，除去測量偏差的影響外，可能的原因包括未燃碳氫和部分CO在DOC中氧化放熱，電加熱的開啟導致DOC升溫較快，冷起動過程更早進入DOC工作的溫度區間，開啟狀態的DOC氧化放熱量比關閉時要多，但具體的放熱量由于缺乏必要的數據無法進行定量計算。

2.3 冷態WHTC排放結果和分析

試驗過程中測量發動機NOx原排和NOx尾排質量流量，據此計算每100 s的SCR平均轉化效率^[12]

η=1－qm，2/qm，1 ，（3）

式中：qm，1、qm，2分別為100 s內的NOx原排、尾排質量流量，g/s。

C、D、E 3組試驗的SCR轉化效率曲線如圖8所示。由圖8可知：D、E組試驗SCR轉化效率均高于C組，約180 s后，E組試驗SCR轉化效率最高，溫升越快的試驗SCR轉化效率越高。

WHTC下，測量3組試驗的NOx比排放及D、E組試驗的N2O比排放，結果如表4所示。由表4可知：D組試驗的NOx尾排比C組降低49%左右，電加熱的使用可以明顯改善降低NOx排放；E組試驗的NOx尾排比D組更低，但降幅較小；當前國六排放階段暫時不將N2O作為污染物進行監管，歐七排放標準中新增N2O限值要求，規定N2O的冷、熱態循環加權排放限值為0.2 g/（kW·h），D、E組試驗的冷態N2O比排放高于這一限值，根據試驗經驗，N2O熱態循環排放高于冷態循環，所以N2O的冷、熱態循環加權排放更高，表明試驗用催化劑的N2O選擇性尚無法滿足歐七排放標準的要求。

3 電加熱開啟對油耗的影響

電加熱器對油耗的影響包括兩個方面：1）后處理系統排氣背壓增加使發動機油耗增加；2）電加熱器在使用過程中的電量消耗，這部分電能間接來自燃油能量。

試驗過程中對電加熱器開啟導致的背壓增幅進行了測試，測試結果顯示：在發動機額定工況運行時，電加熱器導致的背壓增幅小于1 kPa，油耗增加不大，不再做深入分析。電加熱器開啟時的電量消耗是造成油耗增加的主要原因，試驗過程中對供電電壓和電流進行實時測量，結合WHTC內電加熱器開啟時間，計算D組和E組試驗的用電量。綜合考慮發動機熱效率、傳動效率和發電機功率等參數，電能1 kW·h相當于燃油0.33 L的能量。折算結果顯示，相比C組，D組和E組試驗每循環油耗分別增加2.6%和3.6%。

后續如果考慮能耗優化，可將電加熱器的工作方式由固定功率加熱改為可變功率加熱。參考圖6中E組試驗的400～600 s溫升曲線，雖然在第400秒左右電加熱器已關閉，但受發動機工況變化引起的排氣熱量變化以及DOC、DPF等前置部件的熱容效應影響， SCR上游溫度仍然持續上升，如果使用可變功率的電加熱裝置，配合更加智能的控制策略，可以達到優化能耗的效果。

4 結論

1）穩態工況下，電加熱器開、閉時，電加熱器下游的最大溫差為76.6 ℃，且隨轉速、負荷率呈現良好溫差梯度，表明電加熱器開啟后升溫效果良好。

2）電加熱器的使用提高了排氣溫度，縮短冷起動階段SCR系統的起燃時間，提高了冷態SCR系統的轉化效率，加熱器功率分別為5.4、7.2 kW時，冷態WHTC時NOx排放分別降低了49%和53%，電加熱器是有效的冷態排放控制手段。

3）在后處理系統穩態工況下，固定功率的電加熱器的提溫幅度和發動機排氣流量成反比。由電加熱器到排氣的第一次傳熱過程，傳熱效率極高，幾乎可以忽略傳熱損失。

4）使用電加熱器造成發動機或整車的能耗增加，加熱器功率分別為5.4、7.2 kW時，每WHTC油耗分別增加2.6%和3.6%。后續如果繼續優化能耗，應該將電加熱器的工作方式由固定功率加熱改為可變功率加熱。

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Electric heating technology study on the after-treatment of

a heavy-duty diesel engine

GENG Zongqi^1，2， BAI Shuzhan^1*， ZHONG Kun2， L Zhihua2

1. School of Nuclear Science， Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China;

2. Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061， China

Abstract：In order to increase exhaust temperature， shorten the ignition time of selective catalytic reduction （SCR） system， and reduce cold emissions of heavy-duty diesel engines， an electric heater is added to the after-treatment system of heavy-duty diesel engine with a displacement of 13 L. Temperature measurement tests are conducted under steady-state and cold world harmonized transient cycle （WHTC）， and emission tests are conducted under cold-state WHTC with electric heater power of 5.4 and 7.2 kW respectively. The results show that under steady-state conditions， when the power of the electric heater is stable， the increase in exhaust temperature is inversely proportional to the engine exhaust flow rate. In the cold-state WHTC cycle， the greater the electric heating power， the better the heating effect， the shorter the ignition time of the SCR， and correspondingly， the higher the energy consumption. The judgment condition for turning off the electric heater is that the upstream temperature of the SCR reaches the ideal temperature. Compared with the unheated state， the NOx emissions of the two cold-state WHTC tests with electric heater power of 5.4 kW and 7.2 kW decreased by 49% and 52% respectively， and the fuel consumption increased by 2.6% and 3.6% respectively.

Keywords： diesel engine; emission; electric heater; NOx；fuel consumption

（責任編輯：臧發業）