低溫環(huán)境對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響

陳龍，鄭建

（上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)研究實(shí)驗(yàn)室，上海201805）

0 引言

無(wú)論是船用還是車用柴油機(jī)的各個(gè)部件都是在某一確定的靜態(tài)條件下設(shè)計(jì)的，當(dāng)投入營(yíng)運(yùn)時(shí)，環(huán)境條件會(huì)發(fā)生變化，這必然引起柴油機(jī)性能的改變。了解環(huán)境條件對(duì)柴油機(jī)工作的影響，以及采取技術(shù)手段保證柴油機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，同時(shí)滿足使用要求和排放要求，是柴油機(jī)研發(fā)人員及用戶歷來(lái)關(guān)心的問(wèn)題。

柴油機(jī)在低溫冷起動(dòng)過(guò)程中，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)尾部的后處理催化轉(zhuǎn)化器不能正常進(jìn)行排放物的催化轉(zhuǎn)化，特別是NOx的選擇性催化還原 （selective catalyticreduction，SCR）反應(yīng)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒情況也不理想，污染物的排放量會(huì)呈現(xiàn)明顯的增加。

王峰等運(yùn)用CFD模型研究了進(jìn)氣初始條件對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒及多環(huán)芳香烴排放特性影響的規(guī)律［1］。山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的毛華永等人使用加熱器進(jìn)行降低汽油機(jī)冷起動(dòng)臺(tái)架排放的試驗(yàn)研究［2］。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的姚春德等人從進(jìn)氣溫度、加熱方式、蓄熱箱容積等方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)排放規(guī)律進(jìn)行了瞬態(tài)試驗(yàn)研究［3］。中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心聯(lián)合吉林大學(xué)開展了可變進(jìn)氣正時(shí)降低汽油機(jī)冷起動(dòng)排放的研究［4］。該研究團(tuán)隊(duì)還單獨(dú)進(jìn)行了排氣正時(shí)降低汽油機(jī)冷起動(dòng)排放的研究［5］。李可順等人研究了溫度對(duì)船舶柴油機(jī)渦輪增壓器性能影響，研究渦輪增壓器對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性［6］。蘇巖等人研究表明：進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)冷機(jī)起動(dòng)過(guò)程初始期燃燒有較大影響，隨著進(jìn)氣溫度的升高，冷機(jī)起動(dòng)著火滯后期明顯減小，擴(kuò)散燃燒增加；提高進(jìn)氣溫度能夠明顯改善著火條件，降低起動(dòng)過(guò)程供油量，減少失火循環(huán)，從而明顯改善起動(dòng)過(guò)程中的HC排放［7］。肖宗成等人研究中冷器冷卻性能對(duì)增壓中冷柴油機(jī)排放性能的影響，模擬了不同進(jìn)氣溫度對(duì)煙度及NOx排放性能的影響［8］。

盡管新車排放標(biāo)準(zhǔn)一再加嚴(yán)，但柴油機(jī)的實(shí)際工作排放控制效果并不理想，部分用途的柴油機(jī)污染物不降反升，主要原因是柴油機(jī)實(shí)際工作時(shí)的工況及環(huán)境與法規(guī)測(cè)試要求的工況之間存在很大的差異。原因之一是法規(guī)測(cè)試要求中未考慮環(huán)境因素的影響，例如低溫工況未納入排放標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管的范圍。因此，在制定更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，有必要盡快引入類似輕型車一樣的低溫排放循環(huán)，強(qiáng)化對(duì)柴油機(jī)的排放控制。

本文以某國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，研究常溫冷起動(dòng)、低溫冷起動(dòng)、低溫穩(wěn)態(tài)及低溫瞬態(tài)循環(huán)下的排放情況，分析溫度條件對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響。

1 試驗(yàn)對(duì)象及方案

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

以國(guó)內(nèi)某廠家9L六階段車用增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為2部分：1）常溫條件下冷、熱世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán) （world harmonized steady-state cycle，WHSC）及熱世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán) （world harmonized transient-state cycle，WHTC）排放對(duì)比試驗(yàn)；2）低溫條件下柴油機(jī)排放特性試驗(yàn)。

常溫條件下冷、熱WHSC／WHTC排放量對(duì)比試驗(yàn)：通過(guò)對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)常溫冷起動(dòng)后 WHSC／WHTC排放量和熱態(tài)WHSC排放量，研究發(fā)動(dòng)機(jī)排放變化情況。試驗(yàn)采用GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法 （中國(guó)第六階段）》中規(guī)定的WHSC／WHTC循環(huán)。

低溫條件下柴油機(jī)排放特性研究試驗(yàn)：測(cè)試多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的尿素解凍時(shí)間、不同低溫條件下不同負(fù)荷的NOx排放情況、及不同溫度下冷起動(dòng)WHSC循環(huán)的排放量。

試驗(yàn)中，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)環(huán)境條件，例如環(huán)境大氣壓力、額定點(diǎn) （標(biāo)定功率）的中冷溫度和排氣背壓，并鎖定相關(guān)閥門，其它部分工況點(diǎn)不改變相應(yīng)閥門的設(shè)置，讓對(duì)應(yīng)的邊界條件隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變動(dòng)而變化，而燃油溫度在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，一直保持設(shè)定值。

試驗(yàn)采取單因素試驗(yàn)方法，每次只改變一個(gè)邊界條件。此外，試驗(yàn)時(shí)均使用相同的柴油和機(jī)油。為了保證可比性，試驗(yàn)盡量在短時(shí)間內(nèi)完成。

1.3 試驗(yàn)條件

冷起動(dòng)溫度為： -3℃， -7℃， -25℃，常溫起動(dòng)溫度為25℃；燃油溫度保持40℃；額定點(diǎn)的中冷溫度設(shè)定為50℃，額定點(diǎn)排氣背壓設(shè)定為26 kPa，額定點(diǎn)進(jìn)氣阻力設(shè)定為-5 kPa。

2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為HORIBA測(cè)功機(jī)、油耗儀、CVS（constantVolume sampler）全流稀釋排放測(cè)試系統(tǒng)、多組分分析儀、濾紙稱重潔凈艙及微克天平、空氣流量計(jì)、燃燒空氣處理單元、發(fā)動(dòng)機(jī)中冷系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)等。

2.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

為了保證柴油機(jī)低溫冷起動(dòng)排放測(cè)試順利，試驗(yàn)人員在常溫條件下完成了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)和后處理激活；為了確保后處理能冷卻足夠長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)后處理進(jìn)行了72 h的低溫冷凍，見圖1。對(duì)分析設(shè)備標(biāo)定前，試驗(yàn)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行了60 min的充分預(yù)熱，并檢查測(cè)試模塊是否正常工作。

圖1 冷凍中的柴油機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 常溫條件下的冷、熱態(tài)WHSC／WHTC測(cè)試

國(guó)六柴油機(jī)的冷、熱態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2～3所示。從中可以看出，冷態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)的氮氧化合物 （NOx）、一氧化碳 （CO）、顆粒物 （PM）和碳?xì)?（HC）排放量都遠(yuǎn)高于熱態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)。

表2 冷、熱態(tài)WHSC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步研究冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)下排放差異，對(duì)試驗(yàn)室1Hz（采樣間隔1 s）原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

造成冷、熱態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)過(guò)程中NOx、CO、PM和HC的差異主要原因來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)，尤其是尾氣的溫度。SCR開始正常工作的溫度一般需要達(dá)到250℃，也就是SCR催化劑起作用的溫度。常溫冷起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度為25℃，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)需要一個(gè)過(guò)程。由圖2不難看出，WHTC試驗(yàn)過(guò)程中，基本上循環(huán)開始10 min左右，HC及CO才開始明顯降低；循環(huán)開始12 min左右，SCR才開始正常工作，NOx也才開始明顯降低。

圖2 冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)下各排放差異

3.2 低溫條件下的排放測(cè)試

目前，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放研究比較多，但多數(shù)是在常溫狀態(tài)下的排放研究，而針對(duì)低溫環(huán)境下的氣態(tài)污染物及顆粒物排放的研究卻很少。國(guó)內(nèi)具有低溫排放測(cè)試能力的試驗(yàn)室也不多，即便是目前被公認(rèn)史上最嚴(yán)的重型車國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，也沒有低溫排放的要求。

重型國(guó)六柴油機(jī)主流技術(shù)路線：進(jìn)氣節(jié)氣門＋排氣放氣 （WG） ＋廢氣再循環(huán) （EGR） ＋柴油機(jī)氧化轉(zhuǎn)換器 （DOC） ＋顆粒捕捉器 （DPF） ＋選擇性催化還原 （SCR） ＋氨逃逸催化器 （ASC）。其中對(duì)低溫排放影響最大的就是SCR系統(tǒng)，而此系統(tǒng)必須利用尿素溶液對(duì)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理。由于車用尿素溶液會(huì)在-11℃結(jié)冰，因此在-17℃低溫情況下，SCR系統(tǒng)根本不起作用。表4列出了幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的尿素噴射系統(tǒng)的解凍時(shí)間測(cè)量結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)及其后處理系統(tǒng) （含尿素箱）在-17℃低溫情況下，靜置72 h，怠速10 min后，加載至20%負(fù)荷時(shí)開始計(jì)時(shí)尿素解凍時(shí)間。

表4 幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)尿素解凍時(shí)間比較

不同溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的NOx排放濃度結(jié)果如表5所示。表5中的排放濃度值是每個(gè)狀態(tài)下穩(wěn)定5 min后的30 s平均值?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)低溫情況下需要保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，故沒有進(jìn)行突變負(fù)荷測(cè)試或瞬態(tài)循環(huán)測(cè)試。由表5可見，在低溫條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)基本處于原始排放狀態(tài)，如果原始排放未加以控制，完全依靠后處理來(lái)減低NOx排放，那么低溫情況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排放會(huì)非常高。

表5 低溫情況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下NOx排放濃度

3.3 低溫冷起動(dòng)WHSC測(cè)試

目前，國(guó)內(nèi)有很多針對(duì)輕型車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫排放試驗(yàn)研究，而對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)低溫下運(yùn)行的排放研究較少，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)重型柴油機(jī)及非道路用柴油機(jī)也沒有低溫排放測(cè)試要求，因此低溫排放測(cè)試被發(fā)動(dòng)機(jī)廠家忽略。查找的相應(yīng)文獻(xiàn)顯示，有部分企業(yè)對(duì)低溫冷起動(dòng)時(shí)的HC進(jìn)行了研究，主要目的只是為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng)性能。

目前，由于低溫環(huán)境下排氣溫度無(wú)法滿足顆粒物采樣系統(tǒng)要求，在現(xiàn)有的排放測(cè)試能力下，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的顆粒物測(cè)試數(shù)據(jù)，因此沒有提供顆粒物測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告。

將不同溫度下柴油機(jī)冷起動(dòng)的WHSC循環(huán)排放試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總，并與熱態(tài)WHSC循環(huán)排放對(duì)比，如表6所示。由表6可見，常溫下冷起動(dòng)WHSC的NOx排放為熱態(tài)的9倍，低溫下冷起動(dòng)WHSC的NOx排放為熱態(tài)的15倍以上。

表6 冷起動(dòng)WHSC與熱態(tài)WHSC排放對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)室的試驗(yàn)對(duì)比分析，常溫環(huán)境下，冷態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)下NOx、CO、NMHC都遠(yuǎn)高于熱態(tài) WHSC／WHTC循環(huán)。主要原因是冷態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度為常溫，起動(dòng)及起動(dòng)剛運(yùn)行過(guò)程中，氣缸溫度較低，尾氣溫度也比熱態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)低，未到達(dá)SCR最低催化溫度，導(dǎo)致冷態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)下柴油機(jī)氣態(tài)污染物的排放量高于熱態(tài)WHSC／WHTC循環(huán)。

通過(guò)試驗(yàn)，證實(shí)了柴油機(jī)在實(shí)際工作循環(huán)中排放量與法規(guī)測(cè)試條件下的排放量之間存在很大的差異。不僅柴油機(jī)的實(shí)際工作工況偏離了標(biāo)準(zhǔn)要求的排放控制區(qū)域，而且柴油機(jī)使用的環(huán)境條件比試驗(yàn)室條件復(fù)雜。

柴油機(jī)在使用中，環(huán)境條件往往是不可控的，難免遇到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放不利的情況，因此在制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，適當(dāng)考慮環(huán)境因子的影響是必要的。污染物排放結(jié)果應(yīng)給出一個(gè)閾值。具體的閾值還需要大量的測(cè)試積淀后，進(jìn)行總結(jié)分析。

柴油機(jī)污染物控制有必要像輕型車一樣，引入低溫排放測(cè)試循環(huán)。同時(shí)展望未來(lái)重型車排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該逐步向輕型車靠攏，考慮海拔、陽(yáng)光輻射等環(huán)境因素的影響。