低溫環境對柴油機排放性能的影響

陳龍，鄭建

（上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司發動機檢測研究實驗室，上海201805）

0 引言

無論是船用還是車用柴油機的各個部件都是在某一確定的靜態條件下設計的，當投入營運時，環境條件會發生變化，這必然引起柴油機性能的改變。了解環境條件對柴油機工作的影響，以及采取技術手段保證柴油機的可靠性、經濟性和動力性，同時滿足使用要求和排放要求，是柴油機研發人員及用戶歷來關心的問題。

柴油機在低溫冷起動過程中，安裝在發動機尾部的后處理催化轉化器不能正常進行排放物的催化轉化，特別是NOx的選擇性催化還原 （selective catalyticreduction，SCR）反應，而且發動機缸內燃燒情況也不理想，污染物的排放量會呈現明顯的增加。

王峰等運用CFD模型研究了進氣初始條件對柴油機低溫燃燒及多環芳香烴排放特性影響的規律［1］。山東大學能源與動力工程學院的毛華永等人使用加熱器進行降低汽油機冷起動臺架排放的試驗研究［2］。天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室的姚春德等人從進氣溫度、加熱方式、蓄熱箱容積等方面對發動機冷起動排放規律進行了瞬態試驗研究［3］。中國第一汽車集團公司技術中心聯合吉林大學開展了可變進氣正時降低汽油機冷起動排放的研究［4］。該研究團隊還單獨進行了排氣正時降低汽油機冷起動排放的研究［5］。李可順等人研究了溫度對船舶柴油機渦輪增壓器性能影響，研究渦輪增壓器對環境條件的適應性［6］。蘇巖等人研究表明：進氣溫度對柴油機冷機起動過程初始期燃燒有較大影響，隨著進氣溫度的升高，冷機起動著火滯后期明顯減小，擴散燃燒增加；提高進氣溫度能夠明顯改善著火條件，降低起動過程供油量，減少失火循環，從而明顯改善起動過程中的HC排放［7］。肖宗成等人研究中冷器冷卻性能對增壓中冷柴油機排放性能的影響，模擬了不同進氣溫度對煙度及NOx排放性能的影響［8］。

盡管新車排放標準一再加嚴，但柴油機的實際工作排放控制效果并不理想，部分用途的柴油機污染物不降反升，主要原因是柴油機實際工作時的工況及環境與法規測試要求的工況之間存在很大的差異。原因之一是法規測試要求中未考慮環境因素的影響，例如低溫工況未納入排放標準監管的范圍。因此，在制定更嚴格的排放標準時，有必要盡快引入類似輕型車一樣的低溫排放循環，強化對柴油機的排放控制。

本文以某國六發動機為研究對象，研究常溫冷起動、低溫冷起動、低溫穩態及低溫瞬態循環下的排放情況，分析溫度條件對柴油機排放性能的影響。

1 試驗對象及方案

1.1 試驗對象

以國內某廠家9L六階段車用增壓柴油機為研究對象，發動機基本技術參數見表1。

表1 發動機基本技術參數

1.2 試驗方案

試驗分為2部分：1）常溫條件下冷、熱世界統一穩態測試循環 （world harmonized steady-state cycle，WHSC）及熱世界統一瞬態測試循環 （world harmonized transient-state cycle，WHTC）排放對比試驗；2）低溫條件下柴油機排放特性試驗。

常溫條件下冷、熱WHSC／WHTC排放量對比試驗：通過對比發動機常溫冷起動后 WHSC／WHTC排放量和熱態WHSC排放量，研究發動機排放變化情況。試驗采用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）》中規定的WHSC／WHTC循環。

低溫條件下柴油機排放特性研究試驗：測試多個發動機的尿素解凍時間、不同低溫條件下不同負荷的NOx排放情況、及不同溫度下冷起動WHSC循環的排放量。

試驗中，設定發動機試驗環境條件，例如環境大氣壓力、額定點 （標定功率）的中冷溫度和排氣背壓，并鎖定相關閥門，其它部分工況點不改變相應閥門的設置，讓對應的邊界條件隨發動機工況變動而變化，而燃油溫度在試驗進行過程中，一直保持設定值。

試驗采取單因素試驗方法，每次只改變一個邊界條件。此外，試驗時均使用相同的柴油和機油。為了保證可比性，試驗盡量在短時間內完成。

1.3 試驗條件

冷起動溫度為： -3℃， -7℃， -25℃，常溫起動溫度為25℃；燃油溫度保持40℃；額定點的中冷溫度設定為50℃，額定點排氣背壓設定為26 kPa，額定點進氣阻力設定為-5 kPa。

2 試驗設備和試驗準備

2.1 試驗設備

試驗主要設備為HORIBA測功機、油耗儀、CVS（constantVolume sampler）全流稀釋排放測試系統、多組分分析儀、濾紙稱重潔凈艙及微克天平、空氣流量計、燃燒空氣處理單元、發動機中冷系統、發動機冷卻系統等。

2.2 試驗前準備

為了保證柴油機低溫冷起動排放測試順利，試驗人員在常溫條件下完成了發動機的正常起動和后處理激活；為了確保后處理能冷卻足夠長時間，對后處理進行了72 h的低溫冷凍，見圖1。對分析設備標定前，試驗人員對設備進行了60 min的充分預熱，并檢查測試模塊是否正常工作。

圖1 冷凍中的柴油機

3 試驗結果及分析

3.1 常溫條件下的冷、熱態WHSC／WHTC測試

國六柴油機的冷、熱態WHSC／WHTC循環測試結果對比如表2～3所示。從中可以看出，冷態WHSC／WHTC循環的氮氧化合物 （NOx）、一氧化碳 （CO）、顆粒物 （PM）和碳氫 （HC）排放量都遠高于熱態WHSC／WHTC循環。

表2 冷、熱態WHSC循環試驗結果對比

表3 冷、熱態WHTC循環試驗結果對比

為了進一步研究冷、熱態WHTC循環下排放差異，對試驗室1Hz（采樣間隔1 s）原始數據進行對比分析，如圖2所示。

造成冷、熱態WHSC／WHTC循環過程中NOx、CO、PM和HC的差異主要原因來自于發動機的熱狀態，尤其是尾氣的溫度。SCR開始正常工作的溫度一般需要達到250℃，也就是SCR催化劑起作用的溫度。常溫冷起動時，發動機整體溫度為25℃，發動機熱機需要一個過程。由圖2不難看出，WHTC試驗過程中，基本上循環開始10 min左右，HC及CO才開始明顯降低；循環開始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WHTC循環下各排放差異

3.2 低溫條件下的排放測試

目前，對柴油發動機的排放研究比較多，但多數是在常溫狀態下的排放研究，而針對低溫環境下的氣態污染物及顆粒物排放的研究卻很少。國內具有低溫排放測試能力的試驗室也不多，即便是目前被公認史上最嚴的重型車國六標準，也沒有低溫排放的要求。

重型國六柴油機主流技術路線：進氣節氣門＋排氣放氣 （WG） ＋廢氣再循環 （EGR） ＋柴油機氧化轉換器 （DOC） ＋顆粒捕捉器 （DPF） ＋選擇性催化還原 （SCR） ＋氨逃逸催化器 （ASC）。其中對低溫排放影響最大的就是SCR系統，而此系統必須利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理。由于車用尿素溶液會在-11℃結冰，因此在-17℃低溫情況下，SCR系統根本不起作用。表4列出了幾個發動機廠家的尿素噴射系統的解凍時間測量結果。發動機及其后處理系統 （含尿素箱）在-17℃低溫情況下，靜置72 h，怠速10 min后，加載至20%負荷時開始計時尿素解凍時間。

表4 幾個發動機尿素解凍時間比較

不同溫度下，發動機在不同負荷下的NOx排放濃度結果如表5所示。表5中的排放濃度值是每個狀態下穩定5 min后的30 s平均值?？紤]到發動機低溫情況下需要保護發動機，故沒有進行突變負荷測試或瞬態循環測試。由表5可見，在低溫條件下，發動機基本處于原始排放狀態，如果原始排放未加以控制，完全依靠后處理來減低NOx排放，那么低溫情況下發動機的排放會非常高。

表5 低溫情況時發動機不同負荷下NOx排放濃度

3.3 低溫冷起動WHSC測試

目前，國內有很多針對輕型車用汽油發動機的低溫排放試驗研究，而對柴油發動機低溫下運行的排放研究較少，同時標準體系對重型柴油機及非道路用柴油機也沒有低溫排放測試要求，因此低溫排放測試被發動機廠家忽略。查找的相應文獻顯示，有部分企業對低溫冷起動時的HC進行了研究，主要目的只是為了改善發動機的低溫起動性能。

目前，由于低溫環境下排氣溫度無法滿足顆粒物采樣系統要求，在現有的排放測試能力下，無法獲得準確的顆粒物測試數據，因此沒有提供顆粒物測量數據報告。

將不同溫度下柴油機冷起動的WHSC循環排放試驗結果進行匯總，并與熱態WHSC循環排放對比，如表6所示。由表6可見，常溫下冷起動WHSC的NOx排放為熱態的9倍，低溫下冷起動WHSC的NOx排放為熱態的15倍以上。

表6 冷起動WHSC與熱態WHSC排放對比

4 結論

通過試驗室的試驗對比分析，常溫環境下，冷態WHSC／WHTC循環下NOx、CO、NMHC都遠高于熱態 WHSC／WHTC循環。主要原因是冷態WHSC／WHTC循環下發動機機體溫度為常溫，起動及起動剛運行過程中，氣缸溫度較低，尾氣溫度也比熱態WHSC／WHTC循環低，未到達SCR最低催化溫度，導致冷態WHSC／WHTC循環下柴油機氣態污染物的排放量高于熱態WHSC／WHTC循環。

通過試驗，證實了柴油機在實際工作循環中排放量與法規測試條件下的排放量之間存在很大的差異。不僅柴油機的實際工作工況偏離了標準要求的排放控制區域，而且柴油機使用的環境條件比試驗室條件復雜。

柴油機在使用中，環境條件往往是不可控的，難免遇到對發動機排放不利的情況，因此在制定相應標準的時候，適當考慮環境因子的影響是必要的。污染物排放結果應給出一個閾值。具體的閾值還需要大量的測試積淀后，進行總結分析。

柴油機污染物控制有必要像輕型車一樣，引入低溫排放測試循環。同時展望未來重型車排放標準，應該逐步向輕型車靠攏，考慮海拔、陽光輻射等環境因素的影響。