国六柴油机排气热管理技术试验研究

孟令军，王月华，赵文辅，高宇航，张宝坤

中国第一汽车集团有限公司，吉林长春 130011

0 引言

随着国六标准[1]的逐步实施，对排气污染物的要求更加严格，柴油机排气污染物主要是氮氧化物(NOx)和颗粒物(particulate matter, PM)，国六标准大幅加严了NOx和PM排放的限值。为满足标准要求，进一步降低排放，柴油机普遍采用了选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)和柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)等排气后处理系统。后处理系统对柴油机排气温度和排放物浓度非常敏感，排气温度直接影响SCR系统的效率。中、轻型柴油机排量小，排气温度较低，城市工况下SCR系统效率普遍较低，甚至可能失效。

柴油机采用排气热管理技术提升排气温度有利于提高SCR的效率和DPF的再生，但会增加燃油消耗和排放物中碳烟的含量，必须对发动机电控进行标定，优化和合理使用排气热管理技术。本文中主要研究进气节流、废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)和燃油后喷3种发动机排气热管理技术，通过发动机台架试验，研究和分析柴油机低速、低负荷、低排温工况下3种技术最优的控制方式，在兼顾油耗和动力性的同时，有效提升排气温度。

1 试验设备及研究方案

1.1 样机和测试设备

试验样机为某国产4缸柴油机，在柴油机进气管路前端安装进气空调和空气滤清器，保证进气质量，控制进气温度、湿度恒定；柴油机进气管路外接中冷器，控制增压后的进气温度不超过50 ℃；在进气管安装节流阀和EGR系统；柴油机增压器出口连接后处理器总成，连接的排气管路按照整车应用的尺寸和形式安装。柴油机主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

进行发动机台架试验，试验方法及测试设备严格按照国六标准要求。试验室环境采用标准状态：室温为25 ℃，进气相对湿度为50%，标准大气压力。发动机试验采用全套AVL控制台架和操作系统，测试设备符合国六标准要求，排放物测试设备采用AVL全流稀释采样系统，试验测试的边界条件参照文献[2]。试验主要测试设备型号如表2所示。

表2 试验主要测试设备型号

1.2 试验研究方案

排气热管理技术主要针对发动机低负荷工况，发动机低负荷工况下排气温度相对较低，造成后处理系统载体温度下降，当SCR载体温度过低时，SCR效率明显下降，导致排气污染物中的NOx浓度增大[3]。本文中选取发动机低负荷区的特征工况点进行试验研究，通过提高排气温度，提高SCR载体温度和SCR效率。

分别进行稳态和瞬态循环工况试验，稳态试验选取稳态测试循环(world harmonized steady-state cycle, WHSC)中的25%最大转矩工况点，瞬态试验主要考察瞬态测试循环(world harmonized transient cycle, WHTC)中的低负荷区域[4]。在发动机稳定运转的前提下，通过调整进气节流阀、EGR阀和燃油后喷油量，实现对排气温度的控制。进气节流阀不工作时开度为0，进气管路完全封闭时进气节流阀开度为100%；EGR管路不工作时EGR阀开度为0，EGR管路完全打开时EGR阀开度为100%。排气温度升高也会影响发动机的经济性、动力性和原机排放(发动机排出的未经后处理器处理的气体)水平，因此需要通过WHTC、WHSC和车载排放测试系统(portable emission measurement system, PEMS)循环验证，对发动机油耗、动力性、排气烟度和NOx浓度等进行综合评价和对比分析，使柴油机采用排气热管理技术后，排放水平既符合国六标准要求，也尽可能地贴近和符合整车实际应用要求[5]。

2 稳态试验分析

2.1 EGR、进气节流和燃油后喷对柴油机性能的影响

EGR、进气节流和燃油后喷3种排气热管理技术的本质都是降低空燃比，EGR和进气节流是通过调整EGR阀和进气节流阀开度，控制和减少进入发动机气缸的新鲜空气量，燃油后喷的目的是增加参与燃烧的燃油量[6]。单独使用EGR、进气节流和燃油后喷3种排气热管理技术进行WHSC试验，测试3种技术单独作用时对SCR入口温度(即排气温度)、比油耗和排放烟度的影响。

2.1.1 EGR

WHSC稳态工况试验选择25%最大转矩工况点，发动机转速为1463 r/min，SCR入口温度、比油耗和烟度随EGR阀开度变化曲线如图1所示。

由图1可知：EGR阀开度从0增大到50%，SCR入口温度、比油耗和排气烟度都随之平稳增大，其中EGR阀开度为15%～30%时，SCR入口温度增长速度最快，基本呈线性增长，比油耗也明显上升；EGR阀开度大于50%，SCR入口温度、比油耗和排气烟度不再有明显变化，这是由于EGR阀开度大于50%后，EGR管路基本为全开状态，EGR进气量不再有明显变化，排气温度及性能也趋于稳定；EGR阀开度为50%时，SCR入口温度、比油耗和烟度达到最高，与EGR阀开度为0时相比，SCR入口温度提升18 ℃，比油耗相对增加了7.1 g/(kW·h)，排气烟度FSN达到最高，为0.62。

a)SCR入口温度 b)比油耗 c)烟度 图1 SCR入口温度、比油耗和烟度随EGR阀开度的变化曲线

2.1.2 进气节流

SCR入口温度、比油耗和烟度随节流阀开度的变化曲线如图2所示(实际应用中发动机进气节流阀最大开度为95%，进气节流阀开度大于95%时，由于空燃比过低发动机不能稳定工作)。

a)SCR入口温度 b)比油耗 c)烟度 图2 SCR入口温度、比油耗和烟度随节流阀开度的变化曲线

由图2可知：进气节流阀开度从0增大到95%，SCR入口温度、比油耗和排气烟度都随之增大；进气节流阀开度为0～70%，温度、比油耗和排气烟度变化均不明显，这是由于低负荷工况的进气量较小，节流阀开度小幅度变化不会影响发动机进气气流；节流阀开度达到70%时，比油耗、排气烟度、排气温度开始明显增加；节流阀开度为70%～95%是发动机低负荷工况进气节流阀有效工作区域，随着节流阀开度变大，SCR入口温度、比油耗和排气烟度均显著提高；相对于初始状态(节流阀开度为0)，节流阀开度为90%时SCR入口温度提升了40 ℃，比油耗增大了8 g/(kW·h)，排气烟度FSN约增大1；节流阀开度为95%时，SCR入口温度进一步提高，但此时的排气烟度FSN过高，超过1.25，已不适合实际应用。

2.1.3 燃内后喷

固定后喷的喷油提前角对应的曲轴转角为上止点后15°，控制每循环后喷油量从0增大至30 mg，SCR入口温度、比油耗和烟度随每循环后喷油量的变化曲线如图3所示。

a)SCR入口温度 b)比油耗 c)烟度 图3 SCR入口温度、比油耗和烟度随每循环后喷油量的变化曲线

由图3可知：随着后喷油量的增加，比油耗和排气烟度基本呈线性增大，SCR入口温度也平稳上升；每循环后喷油量为15 mg时，相对于初始状态(后喷油量为0)，SCR入口温度提升了21 ℃，比油耗增大了5 g/(kW·h)，排气烟度FSN增大0.5；当每循环后喷油量大于15 mg后，SCR入口温度不再明显上升，但烟度和油耗继续增加，这是主喷燃烧消耗了大部分新鲜空气，后喷燃烧可用的空气有限，每循环后喷油量为15 mg时就已处于低空燃比状态。

2.2 热管理技术提升排温效果

国六柴油发动机后处理系统普遍采用DPF和SCR的组合方式，既提高排气温度，同时控制排气烟度。排气烟度过大会造成DPF负荷过重，再生周期短。稳态工况不同排气烟度时EGR、进气节流、燃油后喷3种技术对提高排温效果如表3所示。

表3 稳态工况不同烟度时3种技术提高排温效果

由表3可知：同等排气烟度下，进气节流提升排气温度效果最好，能够达到的温度最高，为225 ℃；EGR提升温度效果有限，最大为203 ℃；燃油后喷的提升温度效果介于两者之间，为209 ℃。稳态工况发动机试验表明，3种热管理技术提升排气温度的高效区域分别是：EGR阀开度为20%～30%；节流阀开度为70%～90%，每循环燃油后喷油量为5～15 mg。

3 瞬态试验分析

3.1 EGR、进气节流和燃油后喷对排温和排放的影响

单独使用EGR、进气节流和燃油后喷进行WHTC试验，测试使用3种排气热管理技术对SCR入口温度、发动机NOx和PM排放的影响[7]。EGR、节流阀、燃油后喷3种排气热管理技术的WHTC试验冷热态加权测试结果如表4所示。

表4 3种热管理技术的排温排放物WHTC测试结果

由表4可知：单独使用进气节流阀时发动机SCR入口温度最高，为243 ℃，排放物的控制效果较差(NOx和PM比排放最大)；单独使用EGR时NOx和PM比排放最小，但SCR入口温度提升效果一般，SCR入口温度比进气节流阀低21 ℃，差距明显；燃油后喷的发动机平均SCR入口温度提升效果一般，与EGR相比，燃油后喷SCR入口温度基本相同，但NOx和PM比排放大幅增加。

3.2 怠速和倒拖工况

瞬态工况发动机怠速和倒拖工况较多，与其它工况不同，此时喷油量很小，进入气缸的新鲜空气多，空燃比大，导致排气温度较低[8]，因此怠速和倒拖工况的热管理策略以保温为主。怠速和倒拖工况下，由于发动机喷油量少，燃烧能量和排气温度较低，后处理器载体温度和后处理效率降低[9]。当发动机从怠速(或倒拖)工况快速提升至中、负荷时，排气污染物快速增加，但后处理载体的升温过程相对较慢，SCR效率相对较低，NOx排放容易出现瞬态峰值，增加尿素结晶的风险[10]。对于瞬态试验中排气温度较低的怠速和倒拖工况，应尽量减少排气流量，减缓后处理器载体的温度下降[11]。

图4 怠速和倒拖工况WHTC瞬态循环试验对比

EGR和进气节流都可以有效减少排气流量：EGR通过使部分排气回到进气管路，降低最终的排气流量；进气节流可直接减少进入发动机气缸的新鲜空气量，从而减少了排气流量[12]。怠速和倒拖工况WHTC瞬态循环试验对比如图4所示(图中红色圆圈位置为怠速和倒拖工况影响区域)，其中第一次试验不使用EGR和进气节流，第二次试验综合使用了EGR和进气节流。

由图4可知，怠速和倒拖工况2组试验的SCR入口温度有明显区别。使用EGR和进气节流可有效减少进气量和排气量，SCR入口温度下降缓慢，保温效果明显。

3.3 中、低负荷工况

热管理提升排气温度的主要区域为发动机中、低负荷工况(低于50%标定负荷)，综合使用3种排气热管理技术可有效提升排气温度。倒拖工况使用大EGR阀开度(40%)和大节流阀开度(90%)，可有效减少新鲜空气进入气缸，起到保温效果；中、低负荷区域，应使用较小EGR阀开度(<15%)，为节流阀的使用留出空燃比和烟度的裕度。节流阀是提升排气温度的主要方式，但受整车瞬态加速性限制，节流阀开度不能太大，随着负荷的提高，节流阀开度从90%逐渐减少至75%。对因瞬态加速限制节流阀开度的工况，应使用燃油后喷补偿提升温度，循环后喷油量应控制为15 mg，后喷油量过大将导致排气烟度明显增大。

WHSC、WHTC、发动机台架非标准循环(world not to exceed, WNTE)和PEMS为国六标准要求排放达标的4个试验项目，对未采用任何排气热管理技术的原机和综合采用EGR、节流阀、燃油后喷3种热管理技术后的柴油机进行WHSC、WHTC、WNTE、PEMS试验，柴油机NOx、PM排放测试结果和排放限值如表5所示。

表5 柴油机NOx和PM排放限值及试验结果

由表5可知，采用热管理技术后的柴油机NOx和PM比排放均不同程度降低，其中NOx的降低幅度最大，原机的NOx排放无法达到国六标准，综合采用EGR、节流阀和燃油后喷3种方排气热管理技术后，由于SCR入口温度和效率提高，NOx比排放显著降低，柴油机排放满足国六标准要求，整车可顺利通过环境温度为-7 ℃的PEMS试验。

4 结论

在4缸柴油机上采用EGR、进气节流和燃油后喷等排气热管理技术，分别对稳态小负荷工况、瞬态工况和怠速工况进行试验，对比分析热管理技术对SCR入口温度、油耗、烟度、NOx及PM排放的影响，通过综合运用热管理技术，提升发动机排气温度，使NOx排放达到国六标准要求。

1)稳态工况下，采用EGR、进气节流阀和燃油后喷都可提升排气温度，但比油耗和排气烟度升高；EGR的合理使用范围是20%～30%，进气节流阀的合理使用范围是70%～90%，燃油后喷的合理使用范围是5～15 mg；同等排气烟度时，进气节流阀提升排气温度效果最好，EGR提升排气温度效果最差。

2)瞬态工况下，采用进气节流的升温效果最好，但NOx比排放最高；采用EGR的发动机NOx和PM排放最低，但升温效果最差；燃油后喷的升温效果与EGR接近，NOx和PM比排放略高于EGR，适用于瞬态加速节流阀使用受限的工况。

3)怠速和倒拖工况下，采用节流阀和EGR技术可减少排气流量，保温效果明显。

应根据发动机工况综合使用排气热管理技术，使柴油机瞬态工况的平均排温高于SCR系统最低使用温度，控制NOx及PM比排放达到国六排放的要求。