基于某裝載機(jī)的進(jìn)氣溫度對(duì)NOx排放影響研究

王樹森，朱興軍，張濤，梁昌水，丁保安，曹原，梁冰

基于某裝載機(jī)的進(jìn)氣溫度對(duì)NOx排放影響研究

王樹森1,2，朱興軍1,2，張濤1,2，梁昌水1,2，丁保安1,2，曹原1,2，梁冰1,2

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261000；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000）

對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣溫度控制策略進(jìn)行研究，以某50裝載機(jī)為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)對(duì)比不同中冷后進(jìn)氣溫度控制策略對(duì)進(jìn)氣溫度和整車NOx排放的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同控制策略導(dǎo)致車輛達(dá)到熱平衡狀態(tài)下的中冷后進(jìn)氣溫度平衡范圍不同，整車NOx瞬時(shí)排放與中冷后進(jìn)氣溫度成隨動(dòng)變化的趨勢(shì)，NOx瞬時(shí)排放隨中冷后進(jìn)氣溫度的增加而升高，合理匹配進(jìn)氣溫度控制策略能有效降低柴油機(jī)的排放。

柴油機(jī)；裝載機(jī)；中冷系統(tǒng)；排放

引言

現(xiàn)階段機(jī)動(dòng)車尾氣排放成為空氣污染的重要影響因素，尾氣污染物包括NOx、CO、PM等，汽車尾氣控制及污染治理成為中國可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，其中，柴油車是移動(dòng)源污染的主要貢獻(xiàn)者，雖然柴油車只占我國機(jī)動(dòng)車保有量不足10 %，但其NOx排放量接近機(jī)動(dòng)車排放總量的70 %，PM排放量占比超過90 %[1～3]，為了有效治理大氣污染，國家頒布了非道路排放等級(jí)提升的相關(guān)法規(guī)。

柴油機(jī)排氣污染物主要包括NOx、THC、CO及PM四種，就柴油機(jī)而言，單純的機(jī)內(nèi)凈化已無法滿足排放要求，需增加后處理技術(shù)，但整機(jī)排放結(jié)果受諸多因素影響，其中一項(xiàng)就是中冷后進(jìn)氣溫度。

增壓中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)柴油機(jī)性能影響較大，中冷后進(jìn)氣溫度過高，導(dǎo)致充氣效率下降，影響柴油機(jī)功率；中冷后氣溫過低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣溫度較低，影響柴油機(jī)燃燒溫度及排氣溫度，從而影響SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率[4～5]。

本文以某搭配非道路四階段柴油機(jī)的50裝載機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證不同中冷后進(jìn)氣溫度控制策略對(duì)整車NOx排放的影響。

1 試驗(yàn)樣機(jī)及方案

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)介紹

以某搭配非道路四階段柴油機(jī)的50裝載機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，整機(jī)裝配三速電磁離合器風(fēng)扇。整機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

表1 裝載機(jī)基本參數(shù)

項(xiàng)目規(guī)格 配套行業(yè)裝載機(jī) 最高車速/(km/h)38 水箱中冷布置形式串聯(lián)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

項(xiàng)目規(guī)格 發(fā)動(dòng)機(jī)型式直列六缸、四沖程 標(biāo)定功率/kW170 燃油供給及進(jìn)氣形式高壓共軌、增壓中冷 排量/L9.5 排放標(biāo)準(zhǔn)非道路Ⅳ階段 風(fēng)扇類型三速電磁風(fēng)扇

1.2 控制策略

進(jìn)氣溫度控制策略是指電磁離合器風(fēng)扇根據(jù)中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)電磁離合器風(fēng)扇進(jìn)行擋位控制。因電控柴油機(jī)存在熱保護(hù)控制，不對(duì)水溫控制策略敘述。

本次試驗(yàn)整機(jī)裝配三速電磁離合器風(fēng)扇，中冷后進(jìn)氣溫度控制策略研究受控和不受控兩種狀態(tài)，具體控制策略見表3。

表3 中冷后進(jìn)氣溫度控制策略

控制策略電磁離合器風(fēng)扇 二速吸合二速脫開三速吸合三速脫開 水溫控制策略87819485 中冷后進(jìn)氣溫度控制策略167627065 中冷后進(jìn)氣溫度控制策略2無

1.3 試驗(yàn)方案

在同一臺(tái)裝載機(jī)上，分別對(duì)不同控制策略進(jìn)行試驗(yàn)，其余條件不變。

試驗(yàn)工況為整機(jī)以最高擋位，最大油門開度行駛，整機(jī)各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)（即出水溫度與環(huán)境溫度差值在4分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定，波動(dòng)不超過±1 ℃）結(jié)束試驗(yàn)，記錄該工況下的中冷后進(jìn)氣溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速、排氣溫度、燃油消耗率、NOx濃度等參數(shù)。

2 進(jìn)氣溫度控制策略對(duì)NOx排放影響分析

2.1 整機(jī)運(yùn)行風(fēng)扇控制情況分析

電磁離合器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速受中冷后進(jìn)氣溫度和水溫控制，進(jìn)而對(duì)中冷后進(jìn)氣溫度和水溫進(jìn)行反饋控制，控制策略根據(jù)表3，分別進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受中冷后進(jìn)氣溫度控制

從圖1可以看出，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受中冷后進(jìn)氣溫度控制策略（以下簡稱策略1）調(diào)整時(shí)，因?yàn)樵鰤褐欣湎到y(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度升溫較快，進(jìn)氣溫度達(dá)到67 ℃時(shí)，風(fēng)扇二速吸合，進(jìn)氣溫度降低，水溫繼續(xù)升高至風(fēng)扇三速吸合溫度后，進(jìn)氣溫度、水溫降低。工況穩(wěn)定后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受進(jìn)氣溫度控制在二速、三速間切換，水溫在85 ℃～88 ℃間波動(dòng)，進(jìn)氣溫度在57 ℃～70 ℃間波動(dòng)。

圖1 策略1起動(dòng)階段水溫、進(jìn)氣溫度、風(fēng)扇曲線

2.1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不受中冷后進(jìn)氣溫度控制

從圖2可以看出，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不受中冷后進(jìn)氣溫度控制策略（以下簡稱策略2）調(diào)整時(shí)，因?yàn)樵鰤褐欣湎到y(tǒng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度升溫較快，進(jìn)氣溫度持續(xù)升高，當(dāng)水溫繼續(xù)升高至風(fēng)扇三速吸合溫度后，進(jìn)氣溫度、水溫降低。工況穩(wěn)定后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受水溫控制在二速、三速間切換，水溫在84 ℃～94 ℃間波動(dòng)，進(jìn)氣溫度在60 ℃～78 ℃間波動(dòng)。

圖2 策略2起動(dòng)階段水溫、進(jìn)氣溫度、風(fēng)扇曲線

2.1.3 小結(jié)

上述兩種控制策略，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速受中冷后進(jìn)氣溫度控制策略調(diào)整時(shí)，由于氣體升溫較水溫更快，所以風(fēng)扇進(jìn)入三速受進(jìn)氣溫度控制，從而可以有效控制進(jìn)氣溫度，策略1比策略2進(jìn)氣溫度波動(dòng)范圍明顯降低。

2.2 NOx排放結(jié)果

2.2.1 不同策略整機(jī)NOx排放結(jié)果對(duì)比

整機(jī)按照既定試驗(yàn)工況，分別對(duì)策略1和策略2進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果要求計(jì)算90 %?NOx窗口比排放[5]，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，策略1中冷后進(jìn)氣溫度受控與策略2中冷后進(jìn)氣溫度不受控相比，策略1試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于策略2，其中：平均進(jìn)氣溫度低3.88 ℃；平均排氣溫度低5.22 ℃；90 %?NOx窗口比排放低0.55 g/kwh。

表4 不同策略試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

策略1試驗(yàn)1試驗(yàn)2平均值 環(huán)境溫度/℃29.2034.1031.65 平均進(jìn)氣溫度/℃58.6960.9559.82 平均排氣溫度/℃332.67339.65336.16 90%-NOx窗口比排放g/kWh0.810.780.80 策略2試驗(yàn)1試驗(yàn)2平均值 平均水溫/℃32.3031.9032.10 平均進(jìn)氣溫度/℃64.3763.0263.7 平均排氣溫度/℃337.55345.20341.38 90%-NOx窗口比排放g/kwh1.351.341.35

2.2.2 NOx瞬時(shí)排放與中冷后進(jìn)氣溫度關(guān)系

從圖3可以看出，試驗(yàn)過程中，當(dāng)整機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣溫度受控制策略影響在58 ℃～76 ℃之間波動(dòng)，NOx瞬時(shí)排放與中冷后進(jìn)氣溫度變化趨勢(shì)基本一致，但NOx瞬時(shí)排放變化相對(duì)中冷后進(jìn)氣溫度變化存在滯后性。

圖3 NOx瞬時(shí)排放與中冷溫度變化趨勢(shì)

圖4 NOx瞬時(shí)排放與中冷后進(jìn)氣溫度曲線

通過分段截取中冷后進(jìn)氣溫度與NOx瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)，如圖4所示，NOx瞬時(shí)排放與中冷后進(jìn)氣溫度成隨動(dòng)變化的趨勢(shì)，NOx瞬時(shí)排放隨中冷溫度的增加而升高，中冷后進(jìn)氣溫度每升高5 ℃，NOx瞬時(shí)排放升高約2 %～4 %。

3 總結(jié)

本文對(duì)柴油機(jī)中冷后進(jìn)氣溫度控制策略進(jìn)行了解，針對(duì)某裝載機(jī)不同中冷后進(jìn)氣溫度控制策略的排放試驗(yàn)結(jié)果為例，研究不同中冷后進(jìn)氣溫度控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度及整車NOx排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）合理匹配中冷后進(jìn)氣溫度控制策略可有效控制整機(jī)進(jìn)、排氣溫度，降低整機(jī)NOx排放。

（2）NOx瞬時(shí)排放隨中冷溫度的增加而升高，中冷后進(jìn)氣溫度每升高5 ℃，NOx瞬時(shí)排放升高約2 %～4 %。

基于以上結(jié)論，本文對(duì)整機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配給出以下建議：（1）整機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配時(shí)，水箱、中冷器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，水溫和進(jìn)氣溫度單獨(dú)控制；（2）選用電磁離合器或電控硅油離合器風(fēng)扇，合理的控制策略可以有效控制整機(jī)的進(jìn)氣溫度，達(dá)到降低NOx排放的目的。

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[7] 環(huán)境保護(hù)部.GB17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2018.

Research on the Influence of Intake Air Temperature on NOx Emission Based on a Loader

WANG Shusen1,2, ZHU Xingjun1,2, ZHANG Tao1,2, LIANG Changshui1,2, DING Baoan1,2,CAO Yuan1,2, LIANG Bing1,2

( 1.State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability, Shandong Weifang 261000;2.Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261000 )

Study on diesel engine fan inter-cooled control strategy, taking a 50t loader as the research object, through experiment contrast the influence on cold junior temperature and vehicle NOx emission between different inter-cooled control strategy. Experimental results show that under different control strategies lead to vehicle to reach thermal equili- brium state of cold junior balance temperature range is different, the vehicle NOx emissions and cold junior temperature degrees into following the trend of change, NOx emissions along with the increase of cold junior temperature rise. And properly setting of inlet temperature control strategy can effectively reduce the emissions of diesel engine.

Diesel engine; Loader; Inter-cooled system; Emissions

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

TK4

A

1671-7988(2021)20-154-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.038

王樹森（1991—），男，工程師，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司，從事整車試驗(yàn)工作。