柴油機(jī)排氣管長(zhǎng)度對(duì)排氣溫度影響的試驗(yàn)研究

鄭貴聰，盧雙雙，陸國(guó)棟

(1.杭州銀輪科技有限公司，浙江 杭州 310013；2.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317200)

選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是重型車柴油機(jī)排放升級(jí)的有效措施，可以很大程度地降低柴油機(jī)NOx排放[1-4]。對(duì)于SCR技術(shù)而言，無論是釩基催化劑還是鐵基、銅基催化劑，都需要達(dá)到一定溫度才能高效發(fā)揮其活性，因此排氣溫度對(duì)SCR轉(zhuǎn)化效率、NOx減排量起到很重要的影響。傳統(tǒng)的SCR催化器配套基本都是根據(jù)整車的配置進(jìn)行SCR產(chǎn)品的安裝，不同安裝位置對(duì)應(yīng)的排氣管長(zhǎng)度也不同，排氣管越長(zhǎng)排氣溫度下降越快[5]，這樣相同的SCR產(chǎn)品匹配不同的車型就會(huì)造成不同的排放效果，很大程度影響著排放標(biāo)定，增加排放標(biāo)定的工作量。排氣溫度越低尿素噴射系統(tǒng)噴出去的尿素的霧化效果越差，這樣NH3與NOx混合效果就會(huì)越差，NOx減排量因而降低，同時(shí)也會(huì)造成尿素結(jié)晶、排氣壓力增大、油耗增加、車輛運(yùn)營(yíng)成本增加等問題[3,6]。

近年來，國(guó)家不斷更新排放法規(guī)，嚴(yán)格控制車用柴油機(jī)尾氣排放。北京于2013年3月1日實(shí)施新的排放法規(guī)DB 11/964—2013《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物限值及測(cè)量方法(臺(tái)架工況法)》[7]，該法規(guī)以WHTC循環(huán)為測(cè)試循環(huán)。WHTC循環(huán)的特點(diǎn)是負(fù)荷低、倒拖工況多，排氣溫度相對(duì)ETC循環(huán)低20%。為了滿足WHTC排放循環(huán)的測(cè)試要求，必須保證排氣溫度。一般通過排氣熱管理來維持柴油機(jī)尾氣溫度，也可以對(duì)排氣管增加保溫材料，防止熱量散失[6，8]。

本研究在6缸柴油機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比不同長(zhǎng)度的排氣管對(duì)柴油機(jī)排氣溫度的影響，同時(shí)研究排氣管包裹保溫材料對(duì)排氣溫度和排放的影響。

1 臺(tái)架試驗(yàn)

1.1 排氣管及保溫材料

試驗(yàn)用排氣管采用車用不銹鋼材料，外徑100 mm，壁厚1 mm。由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架位置所限，排氣管臺(tái)架布置不能完全與整車布置一致。排氣管長(zhǎng)度是指增壓器渦輪出口到SCR入口的距離。分別在1 m，2 m，3 m，4 m，5 m處布置溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量排氣管各個(gè)長(zhǎng)度處的溫度。長(zhǎng)度5 m的排氣管分為3節(jié)，中間靠卡箍連接，由于受位置限制，排氣管呈U字型安裝(見圖1)。圖2示出包裹保溫材料的排氣管路，保溫材料的厚度為12 mm，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.04 W/(m·℃)。

試驗(yàn)測(cè)試了穩(wěn)態(tài)循環(huán)ETC和瞬態(tài)排放循環(huán)WHTC下各測(cè)點(diǎn)的溫度差異，找出溫度的變化趨勢(shì)，為車輛排氣管設(shè)計(jì)和SCR產(chǎn)品配套提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 排氣管路

圖2 包裹保溫材料的排氣管路

1.2 試驗(yàn)裝置和設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為某國(guó)產(chǎn)6缸柴油機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)所采用的設(shè)備包括AVL排放測(cè)試設(shè)備i60/AMA4000、電力測(cè)功機(jī)、進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)、AVL數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氨分析儀、溫度和壓力傳感器。試驗(yàn)完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)邊界條件的控制，試驗(yàn)過程保證設(shè)備的一致性和精度，試驗(yàn)的進(jìn)氣邊界盡可能控制一致。

1.3 試驗(yàn)方案

首先進(jìn)行排氣管不包裹保溫材料方案試驗(yàn)，然后進(jìn)行排氣管包裹保溫材料方案試驗(yàn)。主要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)排放試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)為外特性試驗(yàn)，瞬態(tài)試驗(yàn)為WHTC和ETC排放循環(huán)試驗(yàn)。外特性試驗(yàn)過程從標(biāo)定點(diǎn)到800 r/min，以100 r/min步長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)工況選擇，每個(gè)工況點(diǎn)試驗(yàn)穩(wěn)定3 min，保證各點(diǎn)排氣溫度穩(wěn)定。排放循環(huán)按照國(guó)家法規(guī)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

從圖3可知，在排氣管不包裹保溫材料的情況下，排氣管越長(zhǎng)，散熱越多，排氣溫度下降越快，特別在排氣管長(zhǎng)度為5 m處，排氣熱量難以保持，排氣溫度急劇下降。在外特性試驗(yàn)過程中，排氣管5 m處溫度相對(duì)于排氣管1 m處的溫度最大溫差為100 ℃，降幅為20%。從圖4可知，排氣管包裹保溫材料后，盡管排氣溫度也會(huì)下降，但排氣熱量散失不明顯，排氣溫度下降相對(duì)減緩，主要原因是保溫材料隔絕了排氣管不銹鋼鋼材向外界的散熱，維持廢氣在一定的溫度。包裹保溫材料后，在高速工況下排氣管1～4 m處的排氣溫度沒有明顯變化，最大溫降為34.4 ℃，降幅為6.9%。但在排氣管5 m處，包裹保溫材料后溫度下降也較快，相對(duì)于1 m處的溫度最大溫差為81 ℃，下降了19%。5 m處排氣溫度相對(duì)于1～4 m的排氣溫度下降得快，主要是排氣管的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，排氣隨管路的填充量越多，管路流動(dòng)損失越大，排氣背壓越大，排氣在排氣管滯留時(shí)間越長(zhǎng)，散熱越快，排溫下降越明顯。

圖3 不同排氣管長(zhǎng)度處的排氣溫度(不帶保溫材料)

圖4 不同排氣管長(zhǎng)度處的排氣溫度(帶保溫材料)

圖5示出排氣管2 m處的排氣溫度變化。由圖可見，帶保溫材料的外特性排氣溫度整體要比不帶保溫材料時(shí)高，兩者最大相差25 ℃，最小相差4.5 ℃，偏差在5%以內(nèi)，故在排氣管2 m處的排溫差異相對(duì)于5 m處的要小。由圖6可知，1 400 r/min,100%負(fù)荷工況下，帶保溫材料時(shí)排氣管1～4 m處的溫度基本相當(dāng)，5 m處的排氣溫度急劇下降，散熱量增加，不帶保溫材料時(shí)隨著長(zhǎng)度增加，排氣溫度迅速下降，兩者最大相差22.5 ℃，最小相差4.5 ℃。

圖5 排氣管2 m處的排氣溫度變化

圖6 1 400 r/min工況下排氣管溫度對(duì)比

2.2 瞬態(tài)試驗(yàn)

為了研究瞬態(tài)過程排氣溫度隨著排氣管長(zhǎng)度增加的變化趨勢(shì)，進(jìn)行了ETC/WHTC排放循環(huán)測(cè)試，測(cè)試中還考慮了保溫材料對(duì)排氣溫度的影響。測(cè)試結(jié)果見表2和表3。原機(jī)WHTC循環(huán)的NOx排放為8.5 g/(kW·h)，原機(jī)ETC排放循環(huán)的NOx排放為9.2 g/(kW·h)。

表2和表3數(shù)據(jù)表明，對(duì)于瞬態(tài)過程，排氣管長(zhǎng)度也影響著柴油機(jī)的排氣溫度，從而影響SCR轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而影響ETC和WHTC排放循環(huán)的NOx排放值。ETC和WHTC排放循環(huán)測(cè)試過程中，排氣管不包裹保溫棉時(shí)，整體排氣溫度隨著排氣管長(zhǎng)度增加而降低，而且溫降高達(dá)30～40 ℃，平均排氣溫度最大下降14%；排氣管包裹保溫棉時(shí)，整體排氣溫度下降趨緩，溫降10～20 ℃，平均排氣溫度最大下降8%。由于包裹保溫材料僅僅是防止排氣熱量散失，維持SCR反應(yīng)的溫度，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放中的顆粒影響不大，但卻大大影響著NOx的排放值。排氣管不包裹保溫棉時(shí)，ETC排放循環(huán)的NOx值除了在排氣管長(zhǎng)度為5 m時(shí)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(2 g/(kW·h))，其余條件下都能滿足國(guó)標(biāo)要求，且留有一定的排放裕度。相對(duì)于ETC排放循環(huán)，WHTC排放循環(huán)的NOx排放值基本不能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或者達(dá)標(biāo)卻沒有裕度，最大NOx排放值為4.45 g/(kW·h)，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值59%。排氣管包裹保溫棉時(shí)，ETC排放循環(huán)的NOx值全部滿足國(guó)家規(guī)定，且留有很大的排放裕度。WHTC排放循環(huán)的NOx排放值除了在排氣管長(zhǎng)度為5 m時(shí)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(2.8 g/(kW·h))，其余條件下都能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但排放裕度不大，WHTC循環(huán)最大NOx排放值為3.44 g/(kW·h)，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的23%。

表2 ETC排放循環(huán)測(cè)試結(jié)果

表3 WHTC排放循環(huán)測(cè)試結(jié)果

排氣溫度影響著SCR系統(tǒng)和DPF系統(tǒng)的工作效率，特別是目前京五和國(guó)六法規(guī)涉及到WHTC排放循環(huán)，WHTC循環(huán)相比ETC循環(huán)排氣溫度更低，因此排氣管的熱管理系統(tǒng)是今后需要重點(diǎn)研究的課題。

3 結(jié)論

a) 無論是穩(wěn)態(tài)工況，還是瞬態(tài)工況，排氣管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，排氣溫度下降就越快，最大溫降高達(dá)19%，對(duì)NOx排放值影響就越大，NOx排放值相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最多超過59%；使用保溫材料能維持一定的排氣溫度，溫降最大達(dá)到8%，NOx排放值相對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最多超過23%；

b) 對(duì)于SCR系統(tǒng)配套，增壓器到SCR入口之間的排氣管長(zhǎng)度選擇1～3 m較合適，滿足ETC循環(huán)要求的發(fā)動(dòng)機(jī)可以不增加保溫材料，但對(duì)于要滿足WHTC排放循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣管必須增加保溫材料才能滿足排放法規(guī)要求，且留有裕度。

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