试验环境对国六SCR系统转换效率的影响研究

阚海 沈晛 吴宇

摘要：在发动机排放试验中，试验环境，包括环境温度以及冷却气流方向会对排气温度造成影响，从而影响SCR的工作效率。过低的排气温度会导致SCR工作效率的降低和氮氧化物的排放变差。针对这一问题，通过控制变量的方法，确认了环境空调对排气温度造成的影响。同时验证包裹保温材料对于避免排气温度的降低所起到的效果。试验结果表明，试验室中的环境空调在直接吹扫到后处理前端的排气管时，会对NOx（氮氧化物）的排放结果造成明显的影响。因此，对后处理系统的保温处理是对于改善SCR工作效率非常有效的处理方式。

关键词：试验环境;WHTC测试;排气温度;SCR;氮氧化物排放

0  引言

在试验室中进行国六柴油机排放测试时，发现部分发动机在WHTC测试（World Harmonized Transient Cycle，全球统一瞬态试验循环）中氮氧化物排放结果较高。经过对比测试以及分析，发现是试验室内环境条件对SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原技术）系统的工作温度造成了影响，温度过低导致SCR转化效率降低，从而导致这种现象。

WHTC作为ETC（European Transient Cycle，瞬态循环）的替代试验，由于城市用车辆在实际使用中大部分时间出于低负荷工况，排气温度较低。为了更贴合实际，并考虑冷启动带来的实际影响，WHTC是由冷启动与热启动两次循环加权得出结果。由于冷启动试验中后处理系统初始温度较低，并且WHTC整体的负荷以及平均排气温度更低，难以快速提升SCR系统的工作温度。然而SCR系统对于NOx（氮氧化物）的控制有很高的温度要求[1-4]，因此相对ETC试验而言，运行WHTC循环时SCR系统的工作效率会相对较低[6]。有数据表明，冷启动阶段前600秒的NOx排放量占到了冷启动循环的80%以上，而冷启动循环的NOx排放量约为热启动循环的4倍以上。为了满足国六阶段的NOx排放限值，厂家基本都选用拥有较好的低温特性的铜基分子筛作为SCR系统的主体。即便如此，当排气温度受到环境空调的干扰进一步下降时，SCR系统的转换效率也会较大幅度下降，甚至导致氮氧化物的排放超出限值。

在实际试验中，通常试验室只布置一个环节温度测量点，而发动机本体散热以及环境空调出风口布置等因素会明显影响试验室环境的温度梯度分布，本研究的目的是为了测试在试验室中，环境空调是如何影响SCR的转换效率，并且应该如何有效的避免这种负面影响;也为后续试验室的改造提供了指导。

1  试验方案

1.1 试验对象及测量系统

试验室布置如图1所示，环境空调在试验室内部有四个出风口，对称分布在试验室的四个角，风向以及风量均不可调整，并不能灵活的进行研究，因此使用了一台功率接近的可移動的轴流风机模拟环境空调出风口，本试验中布置1号，2号及3号三个位置模拟不同出风效果，将轴流风机对准涡轮出口位置的排气管记为风机位置1，对准排气管中段记为风机位置2，对准后处理记为风机位置3。

1.2 试验方法

试验使用一台280kW的涡轮增压中冷车用柴油机，搭配连续性再生的国六后处理，满足GB17691-2018中的排放要求。该发动机原机热态WHTC的NOx排放结果为7599mg/kWh（通过移除后处理系统测试得出），其主要参数如表1所示。

试验所用测功机为日本HORIBA公司交流电力测功机，型号为DYNAS3 600，额定功率600kW，最大扭矩5150N·m，最高转速4500r/min，测量准确度A级;发动机排气采样分析系统为日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，主要测量气体为CO2、CO、THC、NOX、CH4，系统测量准确度≤2%;轴流风机厂家为浙江聚英风机工业有限公司，风量为8513m3/h，功率1.1kW。

国六瞬态测试循环（WHTC）包含了1800个逐秒变化的转速规范值和扭矩规范值转换而来的运行工况点。WHTC测试分为冷态和热态，最终各污染物排放结果应由14%的冷态试验结果和86%的热态试验结果加权得到[5]。考虑到WHTC测试中热态WHTC循环占权重较大，且冷态测试需等待润滑油、冷却液以及后处理都低于30℃，过于消耗时间，因此试验通过连续的热态WHTC测试来进行。

由于后处理系统是连续再生，预处理完毕之后，连续的热态WHTC循环排放结果以及排气温度会有较高的一致性。因此可以排除样品本身的不确定性从而明确风机位置及出风方向对氮氧化物结果造成的影响。

通过移动轴流风机，从不同的位置、不同的角度吹扫从涡轮到SCR系统出口的排气管，并保持发动机和后处理系统以及其他外在条件一致。测试先关闭轴流风机，然后将风机依次调整至1号，2号以及3号位置，记录涡轮增压器出口排气温度、SCR前温度等传感器的数值，并且记录连续的热态WHTC测试的氮氧化物的结果。

考虑到排气管受到试验室内安装的影响，有些部位例如额外安装的波纹管或弯头，没有进行保温处理;为了探查保温材料对于排放结果的影响，故将测试分为不安装保温材料和安装保温材料两组进行对比。

1.3 试验条件控制

测试用的发动机在安装完毕之后，从涡轮出口到后处理系统以及之间的排气管都没有受到试验室环境空调的直接影响。四个出风口分为两组，每组只可通过开关按钮开启或关闭，设定空调循环风机全开，冷冻水节流阀全开，保证实验室冷量供应稳定。试验过程中由于两组空调全部关闭会导致室温超过40℃，不符合法规要求，因此仅开启空调一组可以将室温控制在25℃左右，并且不会对排气管以及后处理造成直接影响。

正式试验前先在发动机连续做过2个以上热态WHTC测试循环，使后处理的氨存储达到稳定值，之后再进行每个组别的排放测试。每次WHTC排放测试结束之后，移动风机并让发动机进行10±1min的热浸，再开始下一次WHTC排放测试。

2  试验结果分析

2.1 无保温材料的WHTC排放结果

去除排气管上的保温材料之后进行的测试，测量到的SCR入口温度以及NOx排放浓度如图2、图3及图4所示。试验结果结果见表2。

无保温材料的热态WHTC循环排放结果如表2所示：四次试验碳平衡均小于±0.5%，满足合理性判定要求。

通过数据对比发现，SCR入口处温度和NOx排放结果呈明显负相关性，相关系数为-0.972。其表明SCR入口温度对NOx排放结果有明显影响，且温度越低，NOx排放量越高。分析原因为SCR入口温度过低会影响SCR整体温度提升，从而影响其转化效率。

而在切换不同风机位置时，也可以看出风机对于SCR入口温度的影响。风机在位置1时，SCR入口温度最低。原因为风机吹扫靠近涡轮的排气管段时，由于涡轮出口的排气温度较高，因此强烈的热对流可以带走更多的热量，造成SCR入口处温度下降更为剧烈，也导致了SCR系统的转换效率下降了许多。风机在位置2吹扫排气管中段以及在位置3吹扫后处理进行的热交换影响逐渐减小，尤其是风机吹扫后处理时，由于后处理封装保温效果非常好，SCR入口温度相比轴流风机关闭时降低的非常少，NOx排放结果也相差不大。

2.2 安装保温材料的WHTC排放结果

在安装好保温材料之后，热态WHTC循环排放结果如表3所示。可以看到，氮氧化物的排放结果依然随着SCR入口温度的上升而减小，趋势与未安装保温材料一致，风机吹扫排气管越靠前，就会导致SCR入口处排气温度越低，同时NOx的排放越差。

对比表2及表3数据可以发现，安装了保温材料后，SCR入口平均温度，有明显上升，同时，NOx的排放结果有明显下降，并且效果显著。此外，SCR入口平均温度的标准差可以看出，无保温材料时，该数据离散程度明显较大，说明风机位置对于该数据有显著影响。而当包裹了保温材料以后可以发现风机位置对SCR入口平均温度的影响显著降低。

我们将两组数据合并绘图后发现SCR入口平均温度与SCR轉化效率正相关，但并非线性，见图4。经过保温处理的SCR入口温度总体高了19.2℃，而SCR系统的转化效率也提高了3.7%。

3  结论

用轴流风机吹扫涡轮出口处的排气管，对SCR入口处的排气温度以及NOx排放结果都会有影响。特别是在没有对排气管进行保温处理的情况下，NOx的排放结果也远大于进行保温处理的情况。因此会对标定等工作造成较大的影响。试验室的环境空调应尽量保持稳定，从而使环境温度能够尽量保持稳定，根据试验经验，这一点在较小的试验室中较难达到。此外，试验室环境空调出风口的位置因尽量避免直接对着后处理前端的排气管。如果采用顶部两进两出的风口设计，我们推荐靠近测功机端的风口为进风口，靠近发动机端的风口为回风口，以避免风口直接吹到后处理前端的可能性。如采用四个或以上的顶部出风口，回风口置于试验室底部的设计时，我们则推荐靠近测功机端的出风口应设置为最大风量，越靠近发动机端的出风口在满足试验室环境条件的情况下应尽量调小风量，以降低对试验结果的干扰。

除了环境空调的因素，排气管的保温处理也比较重要。对排气管进行保温处理能降低环境温度对于SCR入口平均温度的影响，是能够有效提高试验一致性的手段。排气管的保温也能有效提高SCR入口的温度，导致NOx转化效率有了较大的提高，事实证明了保温处理对于排放结果非常有利。从整车的环境来看，对后处理前的排气管都进行保温处理，是非常有效的减排办法。

参考文献：

[1]刘悦锋，臧硕勋，孟令军，李立超.柴油机WHTC循环排气热管理之后处理技术研究[J].汽车科技，2017（4）：66-70.

[2]张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].山东大学，2013.

[3]陈林.基于国六重型车排放标准的整车与柴油机台架试验方法及排放规律研究[D].江苏大学，2018.

[4]唐蛟，李国祥，孙少军等.基于欧VI柴油机排气热量管理主动控制措施研究[J].内燃机工程，2015，36（2）：120-125.

[5]郑贵聪，陆国栋.京五WHTC排放循环应对策略试验研究[G].中国内燃机学会第九届学术年会论文集（上册）[C].上海：同济大学出版社，2017：46-49.