重型柴油机SCR系统热管理技术研究

选择性催化还原(SCR)技术作为降低柴油机氮氧化物(NO_x)排放的有效措施,其作用效果与SCR温度密切相关。当车辆行驶在城市道路工况时,发动机长时间运行在低负荷工况和怠速工况,排气温度较低,因而SCR系统的转化效率非常低,此时柴油机尾气中的大部分NO_x被直接排入大气而造成污染。此外,在发动机冷启动过程中,由于后处理系统需要经历较长时间的加热才能发挥作用,所以冷启动过程发动机的NO_x排放会显著恶化。为提高柴油机低负荷工况以及冷启动过程SCR系统的转化效率,需要对后处理系统进行热管理,围绕这一核心问题,文章开展了详细的研究工作。首先,通过对测试循环和排气温度的分析确定了发动机稳态实验的工况点,并根据原机在WHTC测试循环中SCR温度的变化趋势,确定了在循环第600s以内达到设定温度的目标。在此基础之上,文章从燃油系统和进排气系统两个角度出发,详细研究了低负荷稳态工况下喷油定时、可变几何截面增压器(VGT)、进气门晚关定时(RIVCT)、后喷技术、排气节流和废气再循环(EGR)对后处理系统温度的作用,并从SCR系统温度提升幅度、发动机油耗率和排放等角度对各措施进行了分析比较。实验结果表明,采用后喷技术、排气节流技术、增大VGT开度和RIVCT技术可以有效提高后处理温度,后喷技术和排气节流技术的运用会造成发动机油耗的显著恶化,而低负荷工况增大VGT开度可以有效降低泵气损失从而改善发动机的燃油经济性。低负荷工况RIVCT的运用会造成发动机油耗的小幅升高。排气温度随EGR率的增大先降低后升高,为提高后处理温度需采用较大的EGR率,此时减少的新鲜空气量和加剧的气路延迟作用会使发动机扭矩特性变差。在对各种技术措施进行稳态分析的基础上,选取了VGT-RIVCT策略和后喷策略进行WHTC冷启动测试试验。实验中通过改变后喷油量和VGT开度对两种策略进行了比较,结果显示两种策略都可以使测试循环中SCR系统的起燃时间缩减至600秒以内,但运用后喷策略时发动机的油耗损失较大,因而采用VGT-RIVCT策略更具优势。在完成了两种策略的对比分析之后,通过设定不同VGT开度的对比试验,最终得到了一套优化的SCR温度热管理技术方案,通过采用该方案使WHTC冷启动循环SCR系统的起燃时间由1300秒缩减至540秒,NO_x排放量由1.78g/kWh减少为0.929g/kWh,同时发动机测试油耗仅有1.4%的恶化。