排氣熱管理方案對發動機性能及排放特性的影響

中圖分類號：TK421 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222(2025)03-0040-06

為滿足商用車國六b排放法規要求，現代柴油車主流后處理技術路線為 DOC+DPF+SCR^[1-2] 。其中，柴油機顆粒捕集器(DPF)是控制PM和PN的主要單元。DPF再生效率與DPF入口溫度及廢氣氧濃度有關，為了提高DPF的主動再生效率，再生時DPF入口溫度需要控制在 600^°C 左右。而DPF升溫主要通過DOC催化氧化THC和CO的放熱反應實現。排氣溫度在 250°C 以上DOC才具有較高轉化效率，DPF主動再生時，DOC入口的排氣溫度應高于此目標溫度； 為DOC最高效率溫度區間[3-6]。中低負荷下發動機排溫低，達不到DOC的起燃溫度中 250°C )條件，無法進行DPF主動再生，故需要實施主動排氣熱管理措施。常用的排氣熱管理措施為進氣節流、排氣節流、缸內后噴及推遲主噴等[7-11]，其中進/排氣節流是主要的排氣熱管理措施，在滿足熱管理要求的同時，也要兼顧燃油經濟性、排放污染物、機油消耗、燃油消耗等指標，因此研究排氣熱管理方案對發動機性能及排放特性的影響非常必要。

DPF再生時發動機經常運行在低負荷及怠速工況，為了保證再生連續性和高效性，DOC人口的排氣溫度需要達到或維持在DPF再生所需要的最低目標溫度。然而上述工況排溫低，熱管理難度大，僅使用進/排氣節流無法滿足要求，還需要采用缸內后噴或推遲主噴等其他熱管理措施。本研究中，中低負荷工況采用單一進/排氣節流熱管理方案對發動機性能和排放特性、溫升潛力展開研究，低怠速工況采用進/排氣節流結合缸內后噴方案對發動機性能及排放特性展開研究。研究結果可為DPF主動再生排氣熱管理方案的選擇提供依據。

1試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗發動機為某國六輕型四缸高壓共軌柴油機，發動機主要技術參數如表1所示。

臺架設備儀器主要有AVLPUMA測控系統、AVLDynoroad交流電力測功機、ABB進氣流量計、AVL735S柴油質量流量計、AVLAMAi60部分流氣體排放測試單元和AVL415煙度計。試驗臺架及關鍵測試設備布置如圖1所示，煙度計及廢氣測點布置在渦輪增壓器出口位置，用于測量未經后處理的發動機原排煙度及廢氣污染物， T₄，T₅ 和T₆ 分別為DOC入口溫度、DPF入口溫度和SCR入口溫度，通過PUMA數據采集系統采集。

1.2 試驗工況

針對排氣溫度低于 350°C 的低速中低負荷工況，選擇發動機轉速為 1200r/min ，負荷率分別為45%，25%，10% 的工況點作為排氣熱管理研究對象。為了探索低怠速工況下排氣溫度的最大提升潛力，增加發動機低怠速 (800，900，1 000r/min) 工況點進行試驗研究。各工況點未實施主動熱管理前的初始狀態如表2所示。

1.3 試驗方案

后噴與主噴燃燒過程可以看成兩個獨立的部分[15]，為了研究進/排氣節流下發動機性能及排放特性，排除缸內后噴對性能及排放的疊加影響，1200r/min 各負荷下僅采用主噴 + 進/排氣節流的方式。試驗過程中節流閥開度變化步長為 3% （ 100% 代表全開， 0% 代表全關)。主噴正時、預噴和軌壓等其他控制參數不變。當達到下列邊界條件之一時，鎖定為進/排氣節流的最小開度，排氣熱管理邊界條件如下：

（1）進氣歧管壓力不超過 65kPa ：（2）THC排放不超過 400×10^-6 ;（3）發動機轉速循環波動量不超過 5% 。

低怠速工況由于初始排溫過低，單獨使用進/排氣節流方案無法使DOC入口排氣溫度達到DPF主動再生時的最低排氣溫度，故采用進/排氣節流結合缸內后噴方案研究低怠速工況下發動機最大排溫提升潛力及其性能和排放特性。后噴油量步長為1mg/str ，最大值不超過 6mg/str ，后噴間隔角從MAP獲取，進/排氣節流閥初始開度分別為 15% 和10% ，試驗過程中如果超出上述邊界，可適當調節進/排氣節流閥開度。

2試驗結果與分析

2.1中低負荷不同熱管理方案下發動機性能及排放特性

2.1.1過量空氣系數及進氣流量特性

如圖2和圖3所示，隨著排氣溫度不斷提升，過量空氣系數和進氣流量均逐漸減小，進氣節流降幅更大。 10% 負荷， 250°C 排氣溫度時，進氣節流的進氣流量只有排氣節流的 50% ；隨著負荷的增加，進/排氣節流下過量空氣系數及進氣流量差異逐漸減小， 45% 負荷時兩者的進氣流量和過量空氣系數幾乎一致。

5 --25%負荷排氣節流 25%負荷進氣節流

4 10%荷氣節流 +45%負荷排氣節流

3 →45%負荷進氣節流

2

1

160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

300 -45%負荷排氣節流 +45%負荷進氣節流 (-/ 250 200 --10%負荷排氣節流 25%氣節 10%負荷進氣節流 150 100 50 160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

2.1.2 燃油消耗率

從圖4可以看出，隨著排氣溫度的提升燃油消耗率逐漸上升。 10% 負荷，相同排氣溫度下，進氣節流的燃油消耗率比排氣節流低，且排氣溫度越高，進氣節流的燃油消耗率優勢越顯著。 200° 及 250°C 排氣溫度時，進氣節流下的燃油消耗率比排氣節流分別降低 10g/(kW?h) 和 40g/(kW?h) 。溫度從 200° 提升到 250°C ，進氣節流下燃油消耗率劣化了 6% ，而排氣節流下燃油消耗率劣化了 12% 。隨著負荷增加，相同排氣溫度下，進/排氣節流下燃油消耗率差異逐漸減小， 25% 負荷時進/排氣節流下燃油消耗率幾乎相同， 45% 負荷時排氣節流下的燃油消耗率比進氣節流更低。

490 ··--25%負荷排氣節流 440 25%負荷進氣節流 10%負荷排氣節流 390 ★10%負荷進氣節流 -45%負荷排氣節流 340 +45%負荷進氣節流 290 240 190 中 160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

2.1.3 煙度及THC排放特性

如圖5和圖6所示，隨著排氣溫度的提升，進/排氣節流下的穩態煙度和THC排放呈現逐漸增加的趨勢。低負荷工況下，相同排氣溫度時排氣節流的污染物排放遠低于進氣節流。進氣節流通過減小進氣流量、降低過量空氣系數來提升排溫；而排氣節流主要通過增加泵氣功、提高指示功率來提升排氣溫度。排氣節流下的過量空氣系數遠大于進氣節流，因此THC排放和煙度相比進氣節流更低。10% 負荷下，排氣溫度提升到 250°C 時，進氣節流下THC排放比排氣節流增加了3倍。當過量空氣系數小于1.4時，煙度和THC值直線上升。排氣節流對排放的影響較小。隨著負荷增加，相同的排氣溫度下，兩種方案的THC值和穩態煙度差異逐漸減小。

500 -45%負荷排氣節流

450 一45%負荷進氣節流

400 25%氣節流

350 -10%負荷排氣節流

300 10%負荷進氣節流

250

200

150 7

100

500 1 00 160 200 240 280320360 400 440 480 排氣溫度/℃

0.7 ← 45% 負荷排氣節流 0.6 +45%負荷進氣節流 25%負荷排氣節流 N 0.5 -25%負荷進氣節流 -10%負荷排氣節流 0.4 10%負荷進氣節流 0.3 0.2 0.1 0 160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

2.1.4 NO_x 排放特性

如圖7和圖8所示，隨著排氣溫度的提升， NO_x 排放體積分數逐漸增加，但 NO_x 比排放總體逐漸減小。主要的原因是：隨著負荷及排氣溫度的增加，缸內高溫富氧環境促進了 NO_x 生成，但體積排放增長的趨勢逐漸變慢，而進氣流量迅速降低，導致NO_x 質量流量逐漸降低。

各工況下，排氣溫度相同時，排氣節流的 NO_x 比排放比進氣節流高，負荷越低 NO_x 比排放差異越大。 10% 負荷下，排氣溫度 250°C 時，排氣節流的NO_x 比排放比進氣節流增加了 30% ，達到11g/(kW?h) 。隨著負荷的增加，進/排氣節流的NO_x 比排放差異逐漸減小。

1600 45%負荷排氣節流 9N 1400 1200 4%氣節流 10%負荷進氣節流 1000 --25%負荷排氣節流 25%負荷進氣節流 800 1 600 400 200 160 200 240 280320360 400 440 480 排氣溫度/℃

2.1.5泵氣損失及進氣歧管壓力

隨著排氣溫度逐漸增加，進氣歧管壓力逐漸減小，泵氣損失（用排氣歧管與進氣歧管的壓力差來表征)不斷加大，如圖9和圖10所示。低負荷下，相同排氣溫度時，進氣節流的泵氣損失和歧管壓力遠低于排氣節流。 10% 負荷下，排氣溫度 250°C 左右時，進氣節流的泵氣損失是排氣節流的一半，但進氣節流的進氣歧管壓力只有排氣節流的 55% ，接近60kPa ，發動機活塞環竄機油風險高。隨著負荷的增加，進/排氣節流方案的泵氣損失和進氣歧管壓力逐漸接近， 45% 負荷工況下，兩種方案的泵氣損失和進氣歧管壓力幾乎相同。

300 -45%負荷排氣節流 45%負荷進氣節流

250 25%負荷排氣節流 25%負荷進氣節流 10%氣節流

150

100 50 0 160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

300 45%負荷排氣節流

250 -45%負荷進氣節流 25%氣節流 10%負荷排氣節流

150 10%負荷進氣節流

100

50 0 160 200 240 280 320 360 400 440 480 排氣溫度/℃

如表3所示，在1.3節所述邊界范圍內，1200r/min，25% 以上負荷工況，單獨使用進/排氣節流方案，排氣溫度均能提升到 300° 以上； 10% 負荷工況，單獨使用進氣節流最高排氣溫度只能達到265° 。負荷率越低排氣熱管理難度越大，故1200r/min 以下怠速工況無法通過單一的進/排氣節流方案滿足DPF再生時DOC最低入口排氣溫度需求，需要結合后噴等其他方案輔助排氣熱管理。

2.2低怠速工況下不同熱管理方案的排氣溫度及排放特性

缸內后噴射油量釋放前，各怠速下節流閥最小開度如表4所示。為了方便起見，進氣節流加缸內后噴方案用TVA(PST)表示，排氣節流加缸內后噴方案用BPV（PST)表示。

2.2.1排氣溫度提升潛力

圖11示出了低怠速工況后噴油量對排氣溫度的影響。后噴油量為 0mg/str 時，即使進/排氣節流閥開度極小， 900r/min 及以下怠速時，排氣溫度也達不到 250°C ，DOC轉化效率低，不滿足再生時排氣溫度需求。隨著后噴油量的增加，排氣溫度逐漸上升，BPV（PST)方案的溫度上升速率遠大于TVA(PST)方案，平均每增加 1mg/str 后噴油量，BPV(PST)方案溫度提升約 7°C ，而TVA(PST)方案僅提升約 3.5° 。如圖12所示，后噴油量增加到6mg/str 時，BPV（PST）方案在800，900，1000r/min 怠速工況下最高排氣溫度分別為254，

380-800r/minBPV(PST) 800 r/minTVA(PST)360 -900 r/minBPV(PST) 900 r/minTVA(PST)340 1000 r/minBPV(PST) 1000 r/minTVA(PST)320280260排 2402202001800 1 2 3 4 5 6后噴循環噴油量 /(mg?str^-1. 0

305，340° ，均能滿足DPF再生時排氣溫度要求，溫度增量分別為 48，50，55° ；而TVA(PST)方案最高排氣溫度分別為 224，255，290° ，溫度增量分別為 ^{29，30，41°} 。 800r/min 低怠速工況下TVA（PST)方案無法滿足DPF再生時排氣溫度要求。

2.2.2 DPF再生性能

圖13示出 800r/min 怠速工況，近后噴油量為6mg/str 時，不同熱管理方案DPF主動再生性能特性。由圖可知，60Os長時間怠速后，TVA(PST)方案的DPF入口溫度隨排氣溫度的降低而降低，當排氣溫度低于 250°C 時，遠后噴停止，DPF溫度迅速降低；而BPV(PST)方案的排氣溫度和DPF溫度相對穩定，分別維持在 350°C 及 左右。TVA(PST)方案與BPV(PST)方案初始時刻的模型碳載量分別為 11g 和 s后，模型碳載量分別下降到 4.6g 和 _0.8g ，再生效率分別為 58% 與 92% 。

1400 50發動機轉速 --TVA(PST）排氣溫度 451200 BPV(PST)排氣溫度-▲-TVA(PST)DPF溫度BPV(PST)DPF溫度-TVA(PST)模型碳載量40(-uu.）/轉 1000 BPV(PST)模型碳載量 35/ 800 30%25量600 20質400 15==二 10200 中 5T 0Y 100 200 300 400 500 600時間/s

2.2.3THC及碳煙排放特性

由圖14和圖15可以看出，隨著排氣溫度提升，THC排放物逐漸增加，穩態排氣煙度逐漸減小；各怠速工況下，排氣溫度相同時，TVA(PST)方案的THC排放濃度是BPV（PST)方案的2倍左右，且TVA(PST)方案相比BPV(PST)方案煙度顯著增加。后噴油量為 6mg/str 時， 800Δr/min 怠速工況THC排放濃度已經達到 400×10^-6 。后噴油量從0mg/str 增加到 6mg/str 時，TVA(PST)方案各怠速下THC分別增加了 23% 0 21% 21.5% ，BPV(PST)方案各怠速下THC分別增加了 38%，40%，39% 。

600

550 800 r/minTVA(PST) 80O r/minBPV(PST)uW 900 r/minTVA(PST) 900r/minBPV(PST)

500 1000r/minTVA(PST) 1O00r/minBPV(PST)

450

400

350

300

250

200

150 r1

100180 220 260 300 340 380排氣溫度/℃

0.500.45 800r/minTVA(PST)1000r/minTVA(PST)0.35 000.250.20穩 0.150.100.05180 200 220 240 260 280 300 320 340排氣溫度/℃

3結論

a） 1200r/min ，中低負荷工況僅使用進/排氣節流方案，DOC入口排氣溫度均能滿足DPF主動再生時的溫度需求； 各低怠速工況單獨使用進/排氣節流方案，DOC入口排氣溫度都無法滿足DPF再生時溫度要求，需要結合缸內后噴輔助排氣熱管理；排氣節流加缸內后噴方案的DPF再生效率比進氣節流加缸內后噴方案高；

b） 以下的怠速工況，在進氣歧管壓力和THC排放限制邊界內，只有排氣節流加缸內后噴方案才滿足DPF再生時排氣溫度要求，可為低怠速工況占比大的車輛提供DPF再生方案；

c）低負荷工況下，相同排氣溫度時，進氣節流方案比排氣節流方案在燃油消耗率、 NO_x 比排放方面更有優勢；但在THC排放、煙度和進氣負壓控制方面不如排氣節流；隨著負荷率增加，進/排氣節流方案在油耗率、THC排放、煙度方面逐漸接近；中負荷工況下，相比進氣節流方案，排氣節流方案的燃油消耗率、THC排放、煙度更優。

參考文獻：

[1]伍楊民.面向國六排放標準的輕型車排放技術路線研究[D].武漢：武漢理工大學，2019.

[2]許鑫.基于排期熱管理的DPF主動再生升溫控制策略研究[D.鎮江：江蘇大學，2019.

[3] 王志偉，鄧俊.DPF主動再生溫度控制試驗研究[J].柴油機設計與制造，2023，29（3)：19-24.

[4] 張德滿.DOC輔助DPF再生方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[5] 陳寧，劉偉達，李俊普，等.涂覆方式對DOC催化劑起燃特性的影響J」.車用發動機，2023（4)：37-41.

[6] 顧晗，王建，許鑫，等.基于輕型柴油車的柴油機氧化催化器入口溫度升溫特性及策略研究[J].內燃機工程，2019，40(3):102-109.

[7] 劉浩.滿足DPF主動再生溫度的熱管理策略研究[D」濟南：山東大學，2022.

[8] 萬明定，聶學選，畢玉華，等.不同大氣壓力下進/排氣節流對SCR性能的影響[J.內燃機學報，2023，41（3)：263-270.

[9] 王貴勇，鄒誠華，姚國仲，等.進氣節流對車用柴油機性能影響的試驗研究[J].車用發動機，2021(4)：8-14.

[10]王建，曹政，張多軍，等.基于DPF主動再生溫度需求的柴油機進氣節流控制策略[J].農業工程學報，2018，34(2):32-39.

[11] 王建，曹政，張多軍，等.基于柴油機排氣熱管理的噴油策略控制試驗研究[J].車用發動機，2018（2)：79-86.

[12]SUNK，LID，LIUH，etal.Influence ofdiesel engineintake throttle and late post injection process on theriseof temperature in thediesel oxidation catalyst[J].Fluiddynamicsmaterials processing，2o2o，16(3)：573-584.

[13] WUB，JIAZ，GUOLZ，etal.Different exhaust tem-perature management technologies for heavy-dutydiesel engines with regard to thermal efficiency[J].Appliedthermal engineering，2021，186：1-11.

[14] 劉圣華.內燃機學[M].4版.北京：機械工業出版社，2019:182-189.

[15] DESANTESJ，ARREGLEJ，LOPEZJ，etal.A com-prehensive study of diesel combustion and emissionswithpost-injection[C].SAEPaper2007-01-0915.

Influences of Different Exhaust Thermal Management Schemeson Engine Performance and Emission Characteristics

LIUHanhui，WANGHui，ZHAOLingmeng，YE Yu ，WANGXiaohui，LIULin (Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin 5370oo，China)

Abstract：Inorder to studythe influencesofdiferent exhaustthermal management schemesontheperformanceand emission characteristicsof diesel engines，thethermal management schemethatcanmettheDPFregeneration temperaturerequirementsandhasbeterperformancewasselectedfordiferentoperatingconditions.Theefectsof intakeandexhaustthrotling， andpostinjectionontheexhausttemperature，specificfuelconsumptionrate，andpollutant emissonsofautomotivediesel engineswere studied under the operating conditions of low idle from 800r/min to 1000r/min and low-to-medium load at 1200r/min byusing dieselengines and after treatment systemsas researchobjects.The results show that either intake/exhaustthrotlingschemes canachieve therequired exhausttemperatureforDPFactiveregenerationatlow-to-mediumloadsof 1200r/min Underlowidleconditions，acombinationof intake/exhaustthrotlingand in-cylinderpostinjection is necessary to meet the DPF active regeneration temperature target.At the minimum idle speed of 800r/min ，using exhaust throttling combined with post injection can increase the maximum exhaust temperature to .At the same exhaust temperature，the ex^- （20 haust throttling scheme yields lower fuel consumption rate and NO_x emissions under medium load at 1200r/min Astheload rate decreases，the fuel consumption and NO_x emissions of intake/exhaust throttling schemes become comparable.Under low load of 1200r/min ，the intake throttling scheme offers superior specific fuel consumption and NO_x emission by comparing to exhaust throttling scheme，which decreases by more than 12% and 32% respectively.However，the intake throttling scheme performsworse incontrolling smokeandTHCemissions.Under idleconditions，theintakethrotling with postinjection scheme producesapproximately twicethesmokeandTHCemissonsoftheexhaust throtlingwith post injectionshemeatthe sameexhausttemperature.Furthermore，theadvantageofexhaustthrotlingschemeovertheintakethrotling scheme inre ducingsmokeandTHCbecomes morepronouncedasthepostinjectionquantityincreases.Underalltestedconditions，theexhaustthrottlingschemecanachieve morefavorableexcss aircoefficientandintake manifold pressureatthesameexhausttemperature compared to other schemes.

Key words:diesel engine;exhaust thermal management;diesel particulate filter(DPF);regeneration temperature

[編輯：潘麗麗]