小排量柴油機試驗研究

小排量柴油機WHTC試驗研究道依茨一汽（大連）柴油機有限公司2目錄背景介紹1標(biāo)準(zhǔn)解讀2技術(shù)難點3應(yīng)對策略4試驗機型介紹5技術(shù)路線及開發(fā)目標(biāo)6標(biāo)定策略7標(biāo)定結(jié)果8經(jīng)驗總結(jié)9下一步工作展望1031.背景介紹北京市重型柴油車不到30萬輛，保有量僅占全市機動車保有量的5%左右，但其排放的NOx占全市機動車排放的50%以上。另外，2008年北京市率先實施了重型車國四排放標(biāo)準(zhǔn)，實際排放監(jiān)測情況表明，部分選用SCR技術(shù)的第四階段重型柴油車，特別是公交、環(huán)衛(wèi)（如：垃圾車和撒水車）等市政車輛，實際運行區(qū)域在國家排放標(biāo)準(zhǔn)的非控制區(qū)間，排溫較低，后處理系統(tǒng)的效率很低甚至不起作用，實際運行中NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)，甚至超過第一、二階段標(biāo)準(zhǔn)限值。同時新車型式核準(zhǔn)試驗工況存在缺陷，對城市公交車（或城市車輛）的低溫低速工況不具備代表性，使得企業(yè)開發(fā)機型時基本沒有考慮低速低負(fù)荷的城市工況，導(dǎo)致城市車輛實際運行時氮氧化物排放超標(biāo)。因此，在城市車輛現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，追加一個冷啟動測試循環(huán)（WHTC冷啟動循環(huán)），解決城市車輛低速低溫工況氮氧化物超標(biāo)問題。基于上述原因，北京和國家先后發(fā)布了DB11/964-2013和HJ689-2014標(biāo)準(zhǔn)，WHTC試驗是這兩個標(biāo)準(zhǔn)中重點提出的，主要是參照GTRNO.4《適用于天然氣或液化石油氣點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機的排氣污染物測量試驗規(guī)程》和歐VI標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)WHTC試驗的相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，增加了WHSC、WHTC試驗循環(huán)。42.標(biāo)準(zhǔn)解讀北京DB11/964-2013和國家HJ689-2014標(biāo)準(zhǔn)WHTC限值對比北京和國家要求主要差別在四階段的NOx排放限值有所差別，國家要求4.2g/kW.h，而北京要求比較嚴(yán)，為3.7g/kW.h。階段一氧化碳（CO）非甲烷碳?xì)洌∟MHC）甲烷（CH4）氮氧化物（NOx）顆粒物（PM）IV京國京國京國京國京國4.04.00.551.551.11.13.74.20.030.03V京國京國京國京國京國4.04.00.550.551.11.12.82.80.030.0352.標(biāo)準(zhǔn)解讀ETC工況點主要分布在排放區(qū)，尤其集中于B轉(zhuǎn)速附近區(qū)域，轉(zhuǎn)速負(fù)荷均相對較大；而WHTC則有較大比重的工況點分布于排放區(qū)外，并且工況點分布明顯趨向于低速低負(fù)荷。按照目前的標(biāo)定策略，如果直接進(jìn)行WHTC循環(huán)，無論SCR方案還是EGR方案NOx排放都會較高；WHTC循環(huán)沒有類似ETC的市區(qū)、城郊、高速三段工況區(qū)分，循環(huán)前半段轉(zhuǎn)速負(fù)荷以及工況變化劇烈程度都相對較低，相信是出于對冷啟動時發(fā)動機潤滑不足等的考慮，而后期則有比較劇烈的工況變化，但總體來看瞬態(tài)程度仍較ETC循環(huán)更緩和，具體排放量需要試驗進(jìn)行驗證。62.標(biāo)準(zhǔn)解讀WHTC與ETC相比更加側(cè)重于低速，而且怠速比例增加明顯，整個循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速和功率都比較低。73.技術(shù)難點通過以上對比分析及參考國外歐六開發(fā)經(jīng)驗，國內(nèi)要實現(xiàn)國四階段WHTC，主要面臨以下技術(shù)難點:對于SCR方案：WHTC排溫低，大部分工況無法滿足SCR噴射條件，而且即使噴射，NOx轉(zhuǎn)化效率也難以滿足要求；由于SCR轉(zhuǎn)化效率低，為了達(dá)到法規(guī)限值，會導(dǎo)致NH3泄漏控制更加難以實現(xiàn)。對于EGR方案：為了達(dá)到排放限值，需要對低速區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，但是低速EGR率比較低，太小的提前角對整車影響較大，很難通過標(biāo)定進(jìn)行平衡；顆粒排放的壓力比較大，要想通過WHTC，對原機排放的要求將更加苛刻。84.應(yīng)對策略改善尿素的低溫活性，可以采用尿素混合器、加熱器、尿素水解催化器。選擇具有低溫活性的催化器，如：Cu-Zeo催化器材料，對燃油硫含量要求高，不能超過50ppm。在SCR后處理系統(tǒng)后加裝NH3泄漏捕集器。在SCR后處理系統(tǒng)前加裝DOC，需要控制DOC的貴金屬含量。對后處理及排氣系統(tǒng)采取保溫措施：采用進(jìn)氣節(jié)氣閥技術(shù)，并在SCR后處理系統(tǒng)前加裝DOC，進(jìn)氣節(jié)氣閥技術(shù)對提高發(fā)動機排溫是一種較好的措施，但需要評估加裝進(jìn)氣節(jié)氣閥后對發(fā)動機可靠性的影響?？梢酝ㄟ^推遲燃油噴射正時、使用進(jìn)氣節(jié)氣閥、排氣節(jié)氣閥、將燃油直接噴入排氣中（通過催化器或燃油燃燒器）等手段來提高排溫。需要更高的共軌壓力和變截面增壓器技術(shù)。使用排氣熱管理系統(tǒng)的發(fā)動機通常油耗會增加2%左右。95.試驗機型介紹發(fā)動機型號CA4DK1-22E4CA4DD1-15E4排放等級國四國四匹配車型中卡輕卡供油系統(tǒng)BOSCH1600bar共軌電裝1800bar共軌缸徑

(mm）10895.4沖程（mm)130104.9排量（L）4.762.99壓縮比1817氣缸數(shù)44氣門數(shù)/每缸44凸輪軸形式側(cè)置雙頂置增壓器形式WGTWGT額定功率（kW）165110額定轉(zhuǎn)速（r/min）23003200最大扭矩（N.m）820360最大扭矩轉(zhuǎn)速（r/min）1200~17001400~2800額定油耗率（g/kW.h）215230最低油耗率（g/kW.h）195205106.技術(shù)路線及開發(fā)目標(biāo)CA4DK1-22E4技術(shù)路線： 1600bar共軌+WGT+SCR階段目標(biāo)：

原機NOx控制在7~9g/kW.h，PM≤0.018g/kW.h，加上SCR后排放達(dá)到國四法規(guī)要求CA4DD1-15E4技術(shù)路線： 1800bar共軌+WGT+EGR+DOC+POC階段目標(biāo)：

原機NOx≤4g/kW.h，PM≤0.05g/kW.h，加上DOC和POC后排放達(dá)到國四法規(guī)要求117.標(biāo)定策略運用Matlab軟件的聚類分析法，找出WHTC中權(quán)重比較大的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。127.標(biāo)定策略CA4DK1軌壓和供油提前角優(yōu)化此區(qū)域SOI減小此區(qū)域軌壓減小低速非排放區(qū)軌壓和提前角都適當(dāng)調(diào)小了，這樣會導(dǎo)致PM略有上升，但NOx明顯降低，由于CA4DK1發(fā)動機原機排放比較低，因此有足夠的標(biāo)定余量。137.標(biāo)定策略CA4DD1供油提前角和EGR開度優(yōu)化整個循環(huán)中，低速和低負(fù)荷占比重較大，即排溫低的區(qū)域占比重較大，后處理不能充分發(fā)揮其作用。由于CA4DD1發(fā)動機原機排放略高，因此在該區(qū)域適當(dāng)增大提前角，減小EGR閥開度，降低PM排放；高負(fù)荷區(qū)域調(diào)小提前角以降低NOx排放。147.標(biāo)定策略CA4DD1降軌壓和供油提前角正交優(yōu)化，重點區(qū)域是低速運行區(qū)和排放區(qū)。冷機循環(huán)燃燒條件惡劣，噴油正時和EGR開度過大都會導(dǎo)致發(fā)動機不正常燃燒，甚至不燃燒，燃油全部進(jìn)入排氣系統(tǒng)。考慮到冷啟動循環(huán)占比重較小，故可以通過水溫對噴油正時及EGR的修正來改善燃燒狀態(tài)，其中可以將噴油正時在水溫40℃以下，修正比常溫高5~6度，EGR可以不開。158.標(biāo)定結(jié)果DEUTZDalian1514.01.20244DK1WHTC單位原機最終限制結(jié)果NOxg/kW.h7.63.6734.2OKCOg/kW.h1.0460.9774.0OKHCg/kW.h0.0510.0390.55OKPMg/kW.h0.0210.0190.03OKBSFCg/kW.h220.68219.83--4DD1WHTC單位最終限制結(jié)果NOxg/kW.h3.8654.2OKCOg/kW.h0.0494.0OKHCg/kW.h0.0010.55OKPMg/kW.h0.02750.03OKBSFCg/kW.h---通過標(biāo)定達(dá)到了國四WHTC法規(guī)要求。169.經(jīng)驗總結(jié)結(jié)合國內(nèi)外主流技術(shù)路線，根據(jù)原機特點確定合適的技術(shù)路線是項目開發(fā)能否成功的關(guān)鍵。軌壓和噴油正時優(yōu)化很重要，是后處理開發(fā)的基礎(chǔ)，是項目開發(fā)能否成功的基本保障。細(xì)節(jié)標(biāo)定