中冷后进气温度对重型柴油机NOX排放性能的影响分析

焦文健，田刚，叶平雄，胡克容，张靳杰

中冷后进气温度对重型柴油机NOX排放性能的影响分析

焦文健，田刚，叶平雄，胡克容，张靳杰

（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北 武汉 430056）

中冷后进气温度是影响选择性催化还原（SCR）转化效率的重要因素。文章以一台某厂家重型柴油机为研究对象，在发动机台架测试系统上运行世界统一瞬态循环（WHTC）工况，通过全流稀释采样系统（CVS）检测排气中原机NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。结果表明，当排气温度为42～62 ℃时，提高中冷后进气温度能够有效提高增压中冷柴油机的排气温度，但也使得原始排气中的NOX排放值增大；排气温度的提升使得SCR的转化效率得以提升，但由于原始排气中NOX排放值的增大，SCR的转化效率呈现先增大后减少的趋势。

重型柴油机；CVS；NOX排放性能；中冷后进气温度

增压技术广泛地应用于优化柴油机的各方面性能，同时也使排放污染物NOX的排放水平[1-7]显著提高。为了解决NOX的排放问题，目前最普遍的处理方法是采用增压中冷技术，因此，增压中冷后进气温度就成为柴油机运行必须控制的边界参数[8-10]。

生态环境部于2018年正式发布了国Ⅵ排放标准，与国V标准相比，除了规定的试验工况更加接近实际运行工况，排放物限值的要求也更加严格，即NOX排放限值仅为国V的1/5。选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）是目前应用较为广泛的重型柴油机排放性能提升技术，其基本原理是NOX在高温环境下，通过催化剂的作用选择性地催化还原成氮气和水，从而达到降低NOX排放的目的[11]。中冷后进气温度是影响SCR转化效率的重要因素。

1 试验系统及参数设置

试验测试系统包含发动机台架试验所必需的测功机系统、油耗仪及燃油温控系统、冷却水控制系统、进气空调以及排放测试设备等，如表1所示。

表1 试验系统设备表

仪器设备型号厂家 电力测功机AVL ASM 3000/1.8-4.5AVL 油耗仪及燃油温控系统AVL 735S+753CAVL 进气空调AVL CONSYSAIR 3600AVL 冷却水温控系统KJR-SHW400康吉润 全流稀释采样系统AVL SESAM i60AVL 单路直采排放柜MEXA-ONE-C1HORIBA 中冷器 自主研制

试验发动机为某压燃式增压中冷柴油机，后处理型式为氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+壁流式颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）+SCR+氨气氧化催化器（Ammonia Slip Cata- lyst, ASC）。试验用来采样的排放测试设备为某全流稀释采样系统（Constant Volume Sampling Sys- tem, CVS），测量精度≤2%。该系统使用两级稀释系统，发动机排气在稀释通道内通过初级稀释混合后，还可以通过二级稀释空气对其再次稀释，稀释空气为经过处理后的温度恒定洁净空气。试验最终选择的CVS流量为45 m3/min，此时的初级稀释比为4.413 8。在其他试验条件不变的前提下，将二级稀释流量设置为10 L/min，初级流量设为55 L/min进行试验，总稀释比分别为5.394 6。试验流程严格按照《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691－2018）的要求进行进气温度和湿度、进气压力阻力、排气背压、中冷压差及温度，以及冷却水温度等边界参数测量。传感器的安装位置按《汽车发电机性能试验方法》（GB/T 18297－2001）规定确定，除中冷后进气温度以外的边界参数按GB 17691－2018以及发动机备案参数进行调整。

按照GB 17691－2018的要求，试验前8 h内对系统进行泄露检查，试验前10 min开启稀释系统，对零气和量距气对分析仪进行标定检查。试验中检查所有仪器设备是否正常运行，检查污染物测量值超出分析仪对应量程，检查分析仪相关温度要求超出设定要求。试验结束后30 min内，进行相应的气袋分析，以及对气体分析仪使用量程的零点和距点使用相同零气和量距气进行检查。

2 试验方案

根据GB 17691－2018的要求，选择同时进行发动机原机排放测试和催化还原后的排放测试，原机排放选择在后处理前段直采测量，催化还原后的排放测量选择稀释连续积分测量。试验系统结构如图1所示。

试验研究不同的中冷后进气温度对排气污染物NOX的影响，参考GB 17691－2018的要求以及企业对试验用柴油机中冷后进气温度的要求，适当拓宽范围选择中冷后进气温度在42～62 ℃取点进行试验。试验用中冷器可通过调节冷却介质流量，以及调控未通过热交换器的气体流量两种方式来控制中冷后的进气问题。按照GB 17691－2018的要求冷却介质温度不能低于20 ℃，本次试验选择控制未通过热交换器气体流量的方式来调节中冷后进气温度。

图1 试验系统结构图

试验过程中，测量柴油机在GB 17691－2018中规定的标准循环（WHTC循环）中的原机NOX排放值以及SCR催化器后的NOX排放值。

3 试验结果与分析

3.1 中冷后进气温度对其他参数影响

中冷后进气温度的变化对柴油机缸内燃烧温度、缸内压力、发动机功率以及排气温度都有一定影响。中冷温度对柴油机WHTC循环排气温度的影响明显，图2为中冷温度分别为42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃时，对应温度下的平均排温。可以看出，随着中冷后进气温度的升高，平均排气温度呈现上升的趋势。

图2 不同中冷温度下的WHTC循环平均排气温度

究其原因，柴油机的压缩过程可以视为绝热压缩过程，就是将压缩功转化为内能，随着进入缸内的空气温度升高，压缩完成时的工质温度也相应提高，进而提高缸内的燃烧温度，最终导致排气温度提高。

3.2 中冷后进气温度对NOX排放影响

3.2.1原始NOX排放

在用风门控制时实际功率百分比为217.2/355=0.61，查《2010版钢铁企业电力设计手册》表6-12《各种控制方式下根基功率消耗相对值》得：采用变频调速后的功率百分比为23%。

图3反映了中冷后进气温度对柴油机WHTC循环原始排气中气体污染物NOX的影响，中冷温度分别为42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃时，对应温度下的原始排气中气体污染物NOX的排放值。由图3可以看出，随着中冷温度的升高，原始排气中气体污染物NOX的排放值呈上升趋势。

图3 不同中冷温度下的WHTC循环原始NOX排放

究其原因，中冷后温度升高，喷油时缸内温度升高，燃料燃烧反应加快，缸内最高燃烧温度升高，NOX生成反应持续时间更长，从而带来NOX排放增大。

3.2.2催化还原后NOX排放

图4反映了中冷后进气温度对柴油机WHTC循环催化还原后气体污染物NOX的影响，中冷温度分别为42、45、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、60、62 ℃时，对应温度下催化还原后的气体污染物NOX的排放值。由图4可以看出，随着中冷后进气温度的升高，催化还原后的气体污染物NOX的排放值呈下降趋势。待中冷后进气温度上升至一定温度后，随着温度的升高，催化还原后的气体污染物NOX的排放值逐渐呈上升的趋势。

图4 WHTC循环催化还原后NOX排放和SCR转换效率

根据SCR催化器前NOX排放值和SCR催化器后的NOX排放值，计算出SCR转化效率在不同中冷后进气温度试验中的数值变化如图4所示，可以看出随着温度的增高，SCR转化效率呈现先增大后减小的趋势。

综合分析可以看出，随着中冷后进气温度的升高，柴油机缸内燃烧温度也呈现升高趋势，进而使排气温度升高，而SCR的转化效率与排气温度密切相关，提高排气温度使SCR的转化效率得以提升。但持续提高中冷后进气温度会使NOX的原始排放增加，因此，过高的中冷后进气温度反而会使SCR的转化效率降低，增加了SCR催化器后的NOX的排放值。

4 其他实验室对比数据分析

为了进一步验证结果是否具有普遍性，在其他试验中更换另一台国Ⅵ发动机和后处理系统进行试验。按照同样的试验程序进行，选择中冷后进气温度为42、45、48、50、52、54、57、60 ℃，对应柴油机WHTC循环的平均排气温度、原始排气中气体污染物NOX排放值以及催化还原后的气体污染物NOX排放值如表2所示。可以看出，趋势和前一次试验一致。

表2 比对试验数据

参数参数值 中冷温度/℃4245485052545760 排气温度/℃282.3285.6289.4291.7293.8296.1299.6304.1 原机NOX排放/[g•(kWh)-1]9.919.949.979.9910.0110.0310.0610.09 催化还原后NOX排放/[g•(kWh)-1]0.9320.9020.8750.8930.9170.9480.9761.012 SCR转化效率/%90.690.991.291.190.890.690.389.9

5 结论

两次试验均表明，中冷温度为42～62 ℃时，提高中冷后进气温度能够有效提高增压中冷柴油机的排气温度，但也使得原始排气中的NOX排放值增大，排气温度的提升使得SCR的转化效率得以提升。但由于原始排气中NOX排放值的增大，使得SCR的转化效率呈现先增大后减小的趋势。

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Effect Analysis of Intercooled Inlet Temperature on NOXEmission Performance of Heavy Duty Diesel Engine

JIAO Wenjian, TIAN Gang, YE Pingxiong, HU Kerong, ZHANG Jinjie

( CATARC Automotive Inspection Center (Wuhan) Company Limited, Wuhan 430056, China )

The temperature of intercooled inlet is an important factor affecting the conversion efficiency of selective catalytic reduction (SCR).Taking a heavy duty diesel engine from a certain manufacturer as the research object, world harmonized transient cycle (WHTC) working condition is run on the engine bench test system,and the NOXemission of the engine in exhaust and that of the SCR catalytic converter are detected by constant volume sampling system (CVS) full-current dilu- tion sampling system in this paper.The results show that when the intercooled inlet temperature is in 42～62℃, the exhaust temperature of supercharged and intercooled diesel engine can be effectively improved by increasing the inlet temperature of intercooled diesel engine, but it also increases the NOXemission in the original exhaust, and the increase of exhaust temperature improves the conversion efficiency of SCR. However, due to the increase of NOXemission in the original exhaust, the conversion efficiency of SCR first increases and then decreases.

Heavy duty diesel engine;CVS;NOXemission performance;Intercooled inlet temperature

U464.11+5

A

1671-7988(2023)18-78-04

焦文健（1991－），男，硕士，工程师，研究方向为发动机排放测试，E-mail:jiaowenjian@catarc.ac.cn。

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司所内课题（202111）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.016