柴油機(jī)WHTC循環(huán)排氣熱管理之后處理技術(shù)研究

摘 要：本文介紹了WHTC排放測試循環(huán)的背景，以一臺3.8L柴油機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，對其運(yùn)行WHTC循環(huán)以及現(xiàn)行國標(biāo)GB17691-2005中的歐洲瞬態(tài)排放測試循環(huán)（ETC）的試驗(yàn)工況進(jìn)行了后處理排氣溫度對比分析，造成WHTC循環(huán)NOX排放的主要原因就是發(fā)動機(jī)在循環(huán)過程中排氣溫度偏低，SCR后處理系統(tǒng)工作條件不佳。因此能夠提高或保持后處理器的溫度，選擇更高效適用的后處理是我們研究的方向，本文基于后處理保溫措施，后處理的選擇對排放的影響進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；聚類分析；管路保溫；SCR 催化轉(zhuǎn)化器

中圖分類號：U467.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0066-05

Abstract： In this paper， the background of the WHTC emission test cycle is introduced， and a 3.8L diesel engine is used as a test prototype. The WHTC cycle and the test condition of European Transient emission test Cycle （ETC） of the current GB17691-2005 in China are compared and analyzed. Through the analysis of the post - treatment exhaust temperature of the test case， The main reason for the high NOX emission in the WHTC cycle is that the exhaust temperature of the engine is lower during the cycle， and the working condition of the SCR post-treatment system is poorer. Therefore， it is the direction of our research to improve or maintain the temperature of the post processor， and to choose the more efficient and suitable post-processing. This paper analyzes the influence of the choice of the post-treatment on the emission based on the heat treatment after treatment.

Key Words： Diesel， Matrix Analysis， Pipeline Insulation， SCR， Catalyst

1 排放熱管理技術(shù)引入背景

SCR技術(shù)路線是國IV及國V階段柴油發(fā)動機(jī)降低氮氧化物（NOx）排放的主流技術(shù)路線[1]。在目前已經(jīng)核準(zhǔn)的滿足國IV排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)機(jī)型中，采用SCR技術(shù)路線的占80%以上。但是，SCR系統(tǒng)對NOx排放的控制效果嚴(yán)重依賴于SCR后處理的溫度條件。研究發(fā)現(xiàn)，裝用滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的SCR路線柴油機(jī)的城市用車輛在實(shí)際使用中由于排氣溫度較低，SCR系統(tǒng)低溫效率偏低，造成NOx排放較高[2]。國家環(huán)保部為解決柴油機(jī)的型式核準(zhǔn)試驗(yàn)循環(huán)對城市車輛發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況不具代表性問題，于2014年1月6日發(fā)布了《城市車輛用柴油發(fā)動機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（WHTC工況法）》（HJ689-2014），提出采用與城市車輛運(yùn)行工況吻合較好的全球統(tǒng)一重型發(fā)動機(jī)試驗(yàn)循環(huán)（WHTC），作為城市車輛用重型柴油機(jī)型式核準(zhǔn)的排放測試循環(huán)。

通過對該法規(guī)的研究，WHTC試驗(yàn)循環(huán)從冷機(jī)啟動的特殊性，以及運(yùn)行工況偏重中低轉(zhuǎn)速與中低負(fù)荷，對比ETC試驗(yàn)循環(huán)后處理溫度總體普遍偏低，且幅度較大，如圖1所示：

采取相應(yīng)的技術(shù)措施提升發(fā)動機(jī)排氣溫度是提高SCR后處理對NOX轉(zhuǎn)化效率的有效措施。

盡管DOC可以通過氧化反應(yīng)，消耗掉排氣中的THC和CO，會有一定放熱作用，但由于柴油機(jī)經(jīng)過機(jī)內(nèi)凈化后的排氣中THC與CO的含量極少，想利用著些許熱量提升整個排氣溫度效果極其有限，所以不考慮單獨(dú)利用DOC來進(jìn)行排氣熱管理的方案，并且通過標(biāo)定技術(shù)完全可以利用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)將THC、CO 排放控制在法規(guī)要求的范圍之內(nèi)，該機(jī)型不考慮在國五單獨(dú)SCR后處理配置上加裝DOC。

2 WHTC循環(huán)的聚類分析

由于WHTC循環(huán)是一系列瞬態(tài)變化的工況點(diǎn)，為了便于對WHTC循環(huán)進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究，本文采用聚類分析（clustering analysis）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法對WHTC循環(huán)的1800個工況點(diǎn)進(jìn)行分析處理，將瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)轉(zhuǎn)化為一系列穩(wěn)態(tài)的特征工況點(diǎn)。

聚類分析就是將數(shù)據(jù)空間中的對象分成由特性相似的對象組成的類的方法。同類中的數(shù)據(jù)間具有較高的相似度，而不同類的數(shù)據(jù)之間則差異較大。

本文采用的聚類分析算法為K-平均（K-means）算法，這是最早出現(xiàn)并且使用最為廣泛的經(jīng)典聚類算法，其基本原則是使每個數(shù)據(jù)點(diǎn)與其聚類中心點(diǎn)的距離之和最小化[3]。組內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)與聚類中心點(diǎn)之間距離的計(jì)算公式為：

對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的過程大致分為以下幾步：

（1） 隨機(jī)選取初始聚類中心點(diǎn)。初始中心點(diǎn)的選擇可以是在數(shù)據(jù)空間內(nèi)的任意點(diǎn)，也可以選擇數(shù)據(jù)序列內(nèi)的隨機(jī)點(diǎn)作為初始點(diǎn)；

（2）將每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)指定給與其距離最小的聚類中心點(diǎn)，然后調(diào)整聚類中心點(diǎn)的位置，使每一個數(shù)組內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與本組中心點(diǎn)的距離之和最?。?

（3）在第2步完成后，聚類中心點(diǎn)的位置已經(jīng)發(fā)生變化，因此對所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)按照調(diào)整后的聚類中心點(diǎn)位置重新分組，將每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)重新指定給與其距離最小的中心點(diǎn)；

（4）重復(fù)以上的步驟，直到調(diào)整聚類中心點(diǎn)的位置后，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組情況不在發(fā)生變化為止。

最終，以上聚類算法收斂后即可得到的一系列中心點(diǎn)以及所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的分組情況。

本文采用聚類分析法將WHTC循環(huán)的1800個工況點(diǎn)轉(zhuǎn)化為了10個特征工況點(diǎn)，其分布WHTC循環(huán)工況點(diǎn)的分布如圖2所示：

從圖2中可以看出，10個特征工況點(diǎn)比較均勻的分布在WHTC循環(huán)的工況區(qū)域。由于在比較高的負(fù)荷區(qū)域發(fā)動機(jī)排氣溫度已經(jīng)比較高，無需進(jìn)行排氣熱管理，因此本文選擇了位于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷區(qū)域的3個特征工況（圖2框內(nèi)所示）進(jìn)行排氣熱管理技術(shù)的研究。

3 排氣管路保溫技術(shù)

本文以一臺3.8L柴油機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，通過對其運(yùn)行WHTC循環(huán)試驗(yàn)工況進(jìn)行了分析，試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1：

如圖3所示，將試驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行區(qū)域投射到SCR后處理的效率MAP圖表中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣機(jī)的在進(jìn)行WHTC試驗(yàn)時，集中在60%以下的低效率區(qū)，在80%以上的高效率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時間很短，這是造成WHTC循環(huán)后處理效率低的主要原因，所以能夠增加運(yùn)行在更高效率區(qū)的策略是我們所追求的。

由于WHTC試驗(yàn)循環(huán)從冷機(jī)啟動的特殊性，以及運(yùn)行工況偏重中低轉(zhuǎn)速與中低負(fù)荷，對比ETC試驗(yàn)循環(huán)后處理溫度總體普遍偏低，且幅度較大。

如圖4所示，該樣機(jī)在運(yùn)行WHTC試驗(yàn)循環(huán)時，SCR后處理器入口的溫度90%以上的時間低于300℃，這個溫度區(qū)間對后處理器的效率非常敏感，溫度略有提高，后處理器的轉(zhuǎn)化效率就會明顯提升，因此通過對排氣管路進(jìn)行保溫材料包裹，盡可能減少從增壓器出口到后處理器入口之間排氣管路熱量損失，以保證后處理器有較高的溫度，可以提高后處理器轉(zhuǎn)化NOX的能力。

在該試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，對從發(fā)動機(jī)增壓器出口到后處理器入口的830mm直徑1.5米長排氣管路進(jìn)行保溫處理，我們采用的是陶瓷纖維后處理管路包裹材料，該材料具有1000℃以上的高耐熱性和非常好保溫性能，其保溫性能與包裹厚度與空氣流動速度相關(guān)，我們分別記錄了管路保溫前后的SCR后處理器入口處的溫度狀況，經(jīng)過保溫后，溫度基本損失不大，其對比曲線如圖5所示：

從圖5可以看出，經(jīng)過管路保溫處理后的后處理溫度總體上比不經(jīng)過管路保溫處理的溫度要高10℃左右，后處理器溫度200℃-300℃之間，效率隨溫度的增加急劇上升，對應(yīng)10℃的溫差后處理器效率有5%，甚至10%的提升，不同后處理效率與溫度特性的關(guān)系如圖6所示：

因此對排氣管進(jìn)行后處理保溫處理可以通過提高后處理溫度的方式，有效提高后處理器對NOX的轉(zhuǎn)化效率。

同時在試驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行區(qū)域投射到SCR后處理的效率MAP圖表中的位置隨著SCR入口溫度的提升而向后處理高效側(cè)移動，從另一個角度論證了排氣管保溫技術(shù)可以有效提高后處理器對NOX的轉(zhuǎn)化效率。

4 低溫后處理器

本文基于目前廣泛使用的三種具有代表性的擠出式后處理，銅基分子篩后處理，涂覆式釩基后處理特性進(jìn)行介紹。

為了對比擠出式釩基后處理、銅基分子篩后處理和涂覆式釩基后處理在低溫條件下的特性，本文對試驗(yàn)樣機(jī)分別搭載相同體積的三種后處理時的NOX轉(zhuǎn)化效率等特性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)時，通過合理的選取運(yùn)轉(zhuǎn)工況，使SCR后處理前的排氣溫度為200℃，空速為19770h-1。在進(jìn)行特性試驗(yàn)時，在每個工況點(diǎn)下均穩(wěn)定足夠長且相等的時間。

NOX轉(zhuǎn)化效率和NH3泄露與氨氮比（ANR）的關(guān)系如圖7所示：

從圖中可以看出，在ANR低于0.6時，由于NH3供給量較少，三種后處理均能夠比較理想的完成對NH3和NOX的反應(yīng)，NOX轉(zhuǎn)化率和NH3泄露均未表現(xiàn)出太大的差異；隨著ANR的逐漸提高，在0.61時，在NOx轉(zhuǎn)化率和NH3泄露方面，銅基分子篩催化劑均表現(xiàn)出優(yōu)于釩基催化劑的性能，而同樣采用釩基催化劑的后處理則表現(xiàn)出擠出式后處理優(yōu)于涂覆式后處理的趨勢。

考慮到在國V柴油機(jī)開發(fā)時，在原機(jī)NOx排放為9g/kwh的情況下，只需要SCR后處理效率為80% 即可滿足NOx排放法規(guī)要求，即實(shí)際ANR不會達(dá)到1，并且擠出式釩基后處理對燃油中硫的耐受性以及經(jīng)濟(jì)性方面均優(yōu)于銅基分子篩催化劑，因此在進(jìn)行國V柴油機(jī)的WHTC開發(fā)時，建議采用釩基催化劑的擠出式后處理。

5 總結(jié)

①為解決WHTC循環(huán)排氣溫度較低，而后處理在低溫條件下效率較低的問題引入排溫?zé)峁芾砑夹g(shù)

②采用聚類分析的方法，整個WHTC循環(huán)工況可以用WHTC的某些單一特征點(diǎn)來代表

③采用排氣管保溫技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)排氣熱管理是柴油機(jī)WHTC循環(huán)NOX排放控制的有效技術(shù)措施。

④選取合適的后處理器可以提高NOx轉(zhuǎn)化率

⑤在低排氣溫度條件下，銅基分子篩催化劑的性能優(yōu)于釩基催化劑，而同樣采用釩基催化劑時，擠出式后處理優(yōu)于涂覆式后處理。但是綜合國V柴油機(jī)WHTC循環(huán)NOx排放控制的實(shí)際需求，后處理的耐硫性以及經(jīng)濟(jì)性，采用釩基催化劑的擠出式后處理仍是最佳的方案。

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