小排量柴油机试验研究

小排量柴油机WHTC试验研究道依茨一汽（大连）柴油机有限公司2目录背景介绍1标准解读2技术难点3应对策略4试验机型介绍5技术路线及开发目标6标定策略7标定结果8经验总结9下一步工作展望1031.背景介绍北京市重型柴油车不到30万辆，保有量仅占全市机动车保有量的5%左右，但其排放的NOx占全市机动车排放的50%以上。另外，2008年北京市率先实施了重型车国四排放标准，实际排放监测情况表明，部分选用SCR技术的第四阶段重型柴油车，特别是公交、环卫（如：垃圾车和撒水车）等市政车辆，实际运行区域在国家排放标准的非控制区间，排温较低，后处理系统的效率很低甚至不起作用，实际运行中NOx排放严重超标，甚至超过第一、二阶段标准限值。同时新车型式核准试验工况存在缺陷，对城市公交车（或城市车辆）的低温低速工况不具备代表性，使得企业开发机型时基本没有考虑低速低负荷的城市工况，导致城市车辆实际运行时氮氧化物排放超标。因此，在城市车辆现有标准基础上，追加一个冷启动测试循环（WHTC冷启动循环），解决城市车辆低速低温工况氮氧化物超标问题。基于上述原因，北京和国家先后发布了DB11/964-2013和HJ689-2014标准，WHTC试验是这两个标准中重点提出的，主要是参照GTRNO.4《适用于天然气或液化石油气点燃式发动机和压燃式发动机的排气污染物测量试验规程》和欧VI标准中有关WHTC试验的相关技术内容，增加了WHSC、WHTC试验循环。42.标准解读北京DB11/964-2013和国家HJ689-2014标准WHTC限值对比北京和国家要求主要差别在四阶段的NOx排放限值有所差别，国家要求4.2g/kW.h，而北京要求比较严，为3.7g/kW.h。阶段一氧化碳（CO）非甲烷碳氢（NMHC）甲烷（CH4）氮氧化物（NOx）颗粒物（PM）IV京国京国京国京国京国4.04.00.551.551.11.13.74.20.030.03V京国京国京国京国京国4.04.00.550.551.11.12.82.80.030.0352.标准解读ETC工况点主要分布在排放区，尤其集中于B转速附近区域，转速负荷均相对较大；而WHTC则有较大比重的工况点分布于排放区外，并且工况点分布明显趋向于低速低负荷。按照目前的标定策略，如果直接进行WHTC循环，无论SCR方案还是EGR方案NOx排放都会较高；WHTC循环没有类似ETC的市区、城郊、高速三段工况区分，循环前半段转速负荷以及工况变化剧烈程度都相对较低，相信是出于对冷启动时发动机润滑不足等的考虑，而后期则有比较剧烈的工况变化，但总体来看瞬态程度仍较ETC循环更缓和，具体排放量需要试验进行验证。62.标准解读WHTC与ETC相比更加侧重于低速，而且怠速比例增加明显，整个循环的平均转速和功率都比较低。73.技术难点通过以上对比分析及参考国外欧六开发经验，国内要实现国四阶段WHTC，主要面临以下技术难点:对于SCR方案：WHTC排温低，大部分工况无法满足SCR喷射条件，而且即使喷射，NOx转化效率也难以满足要求；由于SCR转化效率低，为了达到法规限值，会导致NH3泄漏控制更加难以实现。对于EGR方案：为了达到排放限值，需要对低速区域进行优化，但是低速EGR率比较低，太小的提前角对整车影响较大，很难通过标定进行平衡；颗粒排放的压力比较大，要想通过WHTC，对原机排放的要求将更加苛刻。84.应对策略改善尿素的低温活性，可以采用尿素混合器、加热器、尿素水解催化器。选择具有低温活性的催化器，如：Cu-Zeo催化器材料，对燃油硫含量要求高，不能超过50ppm。在SCR后处理系统后加装NH3泄漏捕集器。在SCR后处理系统前加装DOC，需要控制DOC的贵金属含量。对后处理及排气系统采取保温措施：采用进气节气阀技术，并在SCR后处理系统前加装DOC，进气节气阀技术对提高发动机排温是一种较好的措施，但需要评估加装进气节气阀后对发动机可靠性的影响。可以通过推迟燃油喷射正时、使用进气节气阀、排气节气阀、将燃油直接喷入排气中（通过催化器或燃油燃烧器）等手段来提高排温。需要更高的共轨压力和变截面增压器技术。使用排气热管理系统的发动机通常油耗会增加2%左右。95.试验机型介绍发动机型号CA4DK1-22E4CA4DD1-15E4排放等级国四国四匹配车型中卡轻卡供油系统BOSCH1600bar共轨电装1800bar共轨缸径

(mm）10895.4冲程（mm)130104.9排量（L）4.762.99压缩比1817气缸数44气门数/每缸44凸轮轴形式侧置双顶置增压器形式WGTWGT额定功率（kW）165110额定转速（r/min）23003200最大扭矩（N.m）820360最大扭矩转速（r/min）1200~17001400~2800额定油耗率（g/kW.h）215230最低油耗率（g/kW.h）195205106.技术路线及开发目标CA4DK1-22E4技术路线： 1600bar共轨+WGT+SCR阶段目标：

原机NOx控制在7~9g/kW.h，PM≤0.018g/kW.h，加上SCR后排放达到国四法规要求CA4DD1-15E4技术路线： 1800bar共轨+WGT+EGR+DOC+POC阶段目标：

原机NOx≤4g/kW.h，PM≤0.05g/kW.h，加上DOC和POC后排放达到国四法规要求117.标定策略运用Matlab软件的聚类分析法，找出WHTC中权重比较大的稳态工况进行详细优化。127.标定策略CA4DK1轨压和供油提前角优化此区域SOI减小此区域轨压减小低速非排放区轨压和提前角都适当调小了，这样会导致PM略有上升，但NOx明显降低，由于CA4DK1发动机原机排放比较低，因此有足够的标定余量。137.标定策略CA4DD1供油提前角和EGR开度优化整个循环中，低速和低负荷占比重较大，即排温低的区域占比重较大，后处理不能充分发挥其作用。由于CA4DD1发动机原机排放略高，因此在该区域适当增大提前角，减小EGR阀开度，降低PM排放；高负荷区域调小提前角以降低NOx排放。147.标定策略CA4DD1降轨压和供油提前角正交优化，重点区域是低速运行区和排放区。冷机循环燃烧条件恶劣，喷油正时和EGR开度过大都会导致发动机不正常燃烧，甚至不燃烧，燃油全部进入排气系统。考虑到冷启动循环占比重较小，故可以通过水温对喷油正时及EGR的修正来改善燃烧状态，其中可以将喷油正时在水温40℃以下，修正比常温高5~6度，EGR可以不开。158.标定结果DEUTZDalian1514.01.20244DK1WHTC单位原机最终限制结果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单位最终限制结果NOxg/kW.h3.8654.2OKCOg/kW.h0.0494.0OKHCg/kW.h0.0010.55OKPMg/kW.h0.02750.03OKBSFCg/kW.h---通过标定达到了国四WHTC法规要求。169.经验总结结合国内外主流技术路线，根据原机特点确定合适的技术路线是项目开发能否成功的关键。轨压和喷油正时优化很重要，是后处理开发的基础，是项目开发能否成功的基本保障。细节标定