試驗環(huán)境對國六SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響研究

闞海 沈晛 吳宇

摘要：在發(fā)動機排放試驗中，試驗環(huán)境，包括環(huán)境溫度以及冷卻氣流方向會對排氣溫度造成影響，從而影響SCR的工作效率。過低的排氣溫度會導(dǎo)致SCR工作效率的降低和氮氧化物的排放變差。針對這一問題，通過控制變量的方法，確認了環(huán)境空調(diào)對排氣溫度造成的影響。同時驗證包裹保溫材料對于避免排氣溫度的降低所起到的效果。試驗結(jié)果表明，試驗室中的環(huán)境空調(diào)在直接吹掃到后處理前端的排氣管時，會對NOx（氮氧化物）的排放結(jié)果造成明顯的影響。因此，對后處理系統(tǒng)的保溫處理是對于改善SCR工作效率非常有效的處理方式。

關(guān)鍵詞：試驗環(huán)境;WHTC測試;排氣溫度;SCR;氮氧化物排放

0 ?引言

在試驗室中進行國六柴油機排放測試時，發(fā)現(xiàn)部分發(fā)動機在WHTC測試（World Harmonized Transient Cycle，全球統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)）中氮氧化物排放結(jié)果較高。經(jīng)過對比測試以及分析，發(fā)現(xiàn)是試驗室內(nèi)環(huán)境條件對SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原技術(shù)）系統(tǒng)的工作溫度造成了影響，溫度過低導(dǎo)致SCR轉(zhuǎn)化效率降低，從而導(dǎo)致這種現(xiàn)象。

WHTC作為ETC（European Transient Cycle，瞬態(tài)循環(huán)）的替代試驗，由于城市用車輛在實際使用中大部分時間出于低負荷工況，排氣溫度較低。為了更貼合實際，并考慮冷啟動帶來的實際影響，WHTC是由冷啟動與熱啟動兩次循環(huán)加權(quán)得出結(jié)果。由于冷啟動試驗中后處理系統(tǒng)初始溫度較低，并且WHTC整體的負荷以及平均排氣溫度更低，難以快速提升SCR系統(tǒng)的工作溫度。然而SCR系統(tǒng)對于NOx（氮氧化物）的控制有很高的溫度要求[1-4]，因此相對ETC試驗而言，運行WHTC循環(huán)時SCR系統(tǒng)的工作效率會相對較低[6]。有數(shù)據(jù)表明，冷啟動階段前600秒的NOx排放量占到了冷啟動循環(huán)的80%以上，而冷啟動循環(huán)的NOx排放量約為熱啟動循環(huán)的4倍以上。為了滿足國六階段的NOx排放限值，廠家基本都選用擁有較好的低溫特性的銅基分子篩作為SCR系統(tǒng)的主體。即便如此，當排氣溫度受到環(huán)境空調(diào)的干擾進一步下降時，SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率也會較大幅度下降，甚至導(dǎo)致氮氧化物的排放超出限值。

在實際試驗中，通常試驗室只布置一個環(huán)節(jié)溫度測量點，而發(fā)動機本體散熱以及環(huán)境空調(diào)出風口布置等因素會明顯影響試驗室環(huán)境的溫度梯度分布，本研究的目的是為了測試在試驗室中，環(huán)境空調(diào)是如何影響SCR的轉(zhuǎn)換效率，并且應(yīng)該如何有效的避免這種負面影響;也為后續(xù)試驗室的改造提供了指導(dǎo)。

1 ?試驗方案

1.1 試驗對象及測量系統(tǒng)

試驗室布置如圖1所示，環(huán)境空調(diào)在試驗室內(nèi)部有四個出風口，對稱分布在試驗室的四個角，風向以及風量均不可調(diào)整，并不能靈活的進行研究，因此使用了一臺功率接近的可移動的軸流風機模擬環(huán)境空調(diào)出風口，本試驗中布置1號，2號及3號三個位置模擬不同出風效果，將軸流風機對準渦輪出口位置的排氣管記為風機位置1，對準排氣管中段記為風機位置2，對準后處理記為風機位置3。

1.2 試驗方法

試驗使用一臺280kW的渦輪增壓中冷車用柴油機，搭配連續(xù)性再生的國六后處理，滿足GB17691-2018中的排放要求。該發(fā)動機原機熱態(tài)WHTC的NOx排放結(jié)果為7599mg/kWh（通過移除后處理系統(tǒng)測試得出），其主要參數(shù)如表1所示。

試驗所用測功機為日本HORIBA公司交流電力測功機，型號為DYNAS3 600，額定功率600kW，最大扭矩5150N·m，最高轉(zhuǎn)速4500r/min，測量準確度A級;發(fā)動機排氣采樣分析系統(tǒng)為日本HORIBA公司MEXA 7200DEGR，主要測量氣體為CO2、CO、THC、NOX、CH4，系統(tǒng)測量準確度≤2%;軸流風機廠家為浙江聚英風機工業(yè)有限公司，風量為8513m3/h，功率1.1kW。

國六瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC）包含了1800個逐秒變化的轉(zhuǎn)速規(guī)范值和扭矩規(guī)范值轉(zhuǎn)換而來的運行工況點。WHTC測試分為冷態(tài)和熱態(tài)，最終各污染物排放結(jié)果應(yīng)由14%的冷態(tài)試驗結(jié)果和86%的熱態(tài)試驗結(jié)果加權(quán)得到[5]?？紤]到WHTC測試中熱態(tài)WHTC循環(huán)占權(quán)重較大，且冷態(tài)測試需等待潤滑油、冷卻液以及后處理都低于30℃，過于消耗時間，因此試驗通過連續(xù)的熱態(tài)WHTC測試來進行。

由于后處理系統(tǒng)是連續(xù)再生，預(yù)處理完畢之后，連續(xù)的熱態(tài)WHTC循環(huán)排放結(jié)果以及排氣溫度會有較高的一致性。因此可以排除樣品本身的不確定性從而明確風機位置及出風方向?qū)Φ趸锝Y(jié)果造成的影響。

通過移動軸流風機，從不同的位置、不同的角度吹掃從渦輪到SCR系統(tǒng)出口的排氣管，并保持發(fā)動機和后處理系統(tǒng)以及其他外在條件一致。測試先關(guān)閉軸流風機，然后將風機依次調(diào)整至1號，2號以及3號位置，記錄渦輪增壓器出口排氣溫度、SCR前溫度等傳感器的數(shù)值，并且記錄連續(xù)的熱態(tài)WHTC測試的氮氧化物的結(jié)果。

考慮到排氣管受到試驗室內(nèi)安裝的影響，有些部位例如額外安裝的波紋管或彎頭，沒有進行保溫處理;為了探查保溫材料對于排放結(jié)果的影響，故將測試分為不安裝保溫材料和安裝保溫材料兩組進行對比。

1.3 試驗條件控制

測試用的發(fā)動機在安裝完畢之后，從渦輪出口到后處理系統(tǒng)以及之間的排氣管都沒有受到試驗室環(huán)境空調(diào)的直接影響。四個出風口分為兩組，每組只可通過開關(guān)按鈕開啟或關(guān)閉，設(shè)定空調(diào)循環(huán)風機全開，冷凍水節(jié)流閥全開，保證實驗室冷量供應(yīng)穩(wěn)定。試驗過程中由于兩組空調(diào)全部關(guān)閉會導(dǎo)致室溫超過40℃，不符合法規(guī)要求，因此僅開啟空調(diào)一組可以將室溫控制在25℃左右，并且不會對排氣管以及后處理造成直接影響。

正式試驗前先在發(fā)動機連續(xù)做過2個以上熱態(tài)WHTC測試循環(huán)，使后處理的氨存儲達到穩(wěn)定值，之后再進行每個組別的排放測試。每次WHTC排放測試結(jié)束之后，移動風機并讓發(fā)動機進行10±1min的熱浸，再開始下一次WHTC排放測試。

2 ?試驗結(jié)果分析

2.1 無保溫材料的WHTC排放結(jié)果

去除排氣管上的保溫材料之后進行的測試，測量到的SCR入口溫度以及NOx排放濃度如圖2、圖3及圖4所示。試驗結(jié)果結(jié)果見表2。

無保溫材料的熱態(tài)WHTC循環(huán)排放結(jié)果如表2所示：四次試驗碳平衡均小于±0.5%，滿足合理性判定要求。

通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，SCR入口處溫度和NOx排放結(jié)果呈明顯負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.972。其表明SCR入口溫度對NOx排放結(jié)果有明顯影響，且溫度越低，NOx排放量越高。分析原因為SCR入口溫度過低會影響SCR整體溫度提升，從而影響其轉(zhuǎn)化效率。

而在切換不同風機位置時，也可以看出風機對于SCR入口溫度的影響。風機在位置1時，SCR入口溫度最低。原因為風機吹掃靠近渦輪的排氣管段時，由于渦輪出口的排氣溫度較高，因此強烈的熱對流可以帶走更多的熱量，造成SCR入口處溫度下降更為劇烈，也導(dǎo)致了SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率下降了許多。風機在位置2吹掃排氣管中段以及在位置3吹掃后處理進行的熱交換影響逐漸減小，尤其是風機吹掃后處理時，由于后處理封裝保溫效果非常好，SCR入口溫度相比軸流風機關(guān)閉時降低的非常少，NOx排放結(jié)果也相差不大。

2.2 安裝保溫材料的WHTC排放結(jié)果

在安裝好保溫材料之后，熱態(tài)WHTC循環(huán)排放結(jié)果如表3所示?？梢钥吹?，氮氧化物的排放結(jié)果依然隨著SCR入口溫度的上升而減小，趨勢與未安裝保溫材料一致，風機吹掃排氣管越靠前，就會導(dǎo)致SCR入口處排氣溫度越低，同時NOx的排放越差。

對比表2及表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，安裝了保溫材料后，SCR入口平均溫度，有明顯上升，同時，NOx的排放結(jié)果有明顯下降，并且效果顯著。此外，SCR入口平均溫度的標準差可以看出，無保溫材料時，該數(shù)據(jù)離散程度明顯較大，說明風機位置對于該數(shù)據(jù)有顯著影響。而當包裹了保溫材料以后可以發(fā)現(xiàn)風機位置對SCR入口平均溫度的影響顯著降低。

我們將兩組數(shù)據(jù)合并繪圖后發(fā)現(xiàn)SCR入口平均溫度與SCR轉(zhuǎn)化效率正相關(guān)，但并非線性，見圖4。經(jīng)過保溫處理的SCR入口溫度總體高了19.2℃，而SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率也提高了3.7%。

3 ?結(jié)論

用軸流風機吹掃渦輪出口處的排氣管，對SCR入口處的排氣溫度以及NOx排放結(jié)果都會有影響。特別是在沒有對排氣管進行保溫處理的情況下，NOx的排放結(jié)果也遠大于進行保溫處理的情況。因此會對標定等工作造成較大的影響。試驗室的環(huán)境空調(diào)應(yīng)盡量保持穩(wěn)定，從而使環(huán)境溫度能夠盡量保持穩(wěn)定，根據(jù)試驗經(jīng)驗，這一點在較小的試驗室中較難達到。此外，試驗室環(huán)境空調(diào)出風口的位置因盡量避免直接對著后處理前端的排氣管。如果采用頂部兩進兩出的風口設(shè)計，我們推薦靠近測功機端的風口為進風口，靠近發(fā)動機端的風口為回風口，以避免風口直接吹到后處理前端的可能性。如采用四個或以上的頂部出風口，回風口置于試驗室底部的設(shè)計時，我們則推薦靠近測功機端的出風口應(yīng)設(shè)置為最大風量，越靠近發(fā)動機端的出風口在滿足試驗室環(huán)境條件的情況下應(yīng)盡量調(diào)小風量，以降低對試驗結(jié)果的干擾。

除了環(huán)境空調(diào)的因素，排氣管的保溫處理也比較重要。對排氣管進行保溫處理能降低環(huán)境溫度對于SCR入口平均溫度的影響，是能夠有效提高試驗一致性的手段。排氣管的保溫也能有效提高SCR入口的溫度，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率有了較大的提高，事實證明了保溫處理對于排放結(jié)果非常有利。從整車的環(huán)境來看，對后處理前的排氣管都進行保溫處理，是非常有效的減排辦法。

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