海拔對增壓中冷柴油機綜合性能的影響

于躍，雷基林，鄧晰文，唐成章，申立中

(昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

我國國土大多處于高海拔地區(qū)，800 m以上區(qū)域占我國陸地總面積的64%。在高海拔地區(qū)，氣壓低，空氣中含氧量少，導致發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放特性明顯惡化[1]。為了降低汽車尾氣對環(huán)境的污染，國家環(huán)保部門出臺了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，其中規(guī)定了汽車污染排放物限值必須滿足隨著海拔變化的要求，并且對排放限值要求更加苛刻[2]。屆時，高海拔地區(qū)車用發(fā)動機排放能否滿足國六標準將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。因此，對高海拔條件下柴油機動力性、經(jīng)濟性、排放特性進行深入研究，不僅有助于改善高原環(huán)境下車用柴油機綜合性能，也符合國家節(jié)能減排、推進生態(tài)文明建設(shè)的基本國策，具有深刻的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外在海拔對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性影響規(guī)律方面研究較多，對影響機理的分析也比較透徹[3-12]。相比之下，高海拔對柴油機多種排放污染物生成量的影響規(guī)律研究較少，且研究結(jié)果并不完全一致，尤其NOx排放規(guī)律存在明顯差異[3,6,11-14]。

渦輪增壓是高原環(huán)境下柴油機動力恢復最直接有效的技術(shù)。通過進氣增壓可以在一定程度上彌補由于海拔升高、大氣壓力下降導致的進氣量不足，能顯著改善高原地區(qū)柴油機的動力性和經(jīng)濟性，并降低排放。

基于此，以一款增壓中冷柴油機為試驗對象，采用大氣模擬綜合測控系統(tǒng)對不同海拔下的柴油機綜合性能進行模擬試驗，分析了海拔與柴油機動力性、經(jīng)濟性和排放特性的關(guān)系，定量分析了在不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下，海拔變化對柴油機動力性、經(jīng)濟性影響的程度。所得試驗結(jié)果可以為同類型柴油機性能研究和開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考，為進一步改善高原環(huán)境下柴油機工作性能提供理論依據(jù)。

1 試驗測試系統(tǒng)及試驗方案設(shè)計

1.1 試驗測試系統(tǒng)

試驗采用大氣模擬綜合測控系統(tǒng)，主要包括水渦流測功機、油耗儀、進排氣壓力模擬系統(tǒng)、進氣流量計、排氣分析儀等(見圖1)。主要測試設(shè)備特性參數(shù)見表1。

表1 主要測試設(shè)備特性參數(shù)

圖1 大氣模擬綜合測控系統(tǒng)裝置

1.2 試驗機型

本次試驗以小缸徑乘用車發(fā)動機為研究對象，該發(fā)動機采用電控高壓共軌、缸內(nèi)直噴技術(shù)，其詳細參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗方案

試驗采用大氣模擬綜合測控系統(tǒng)模擬不同海拔下的大氣壓力，當模擬大氣壓力高于當?shù)卮髿鈮毫r，通過進氣加壓、增加排氣背壓來實現(xiàn)。本次柴油機高原性能模擬試驗選擇80 kPa，90 kPa，100 kPa共3個大氣壓力，對應海拔分別為1 900 m，900 m，100 m。此外，測試環(huán)境的空氣濕度在40%～60%，大氣溫度在20～28 ℃。試驗工況點如下：

1) 外特性工況點：柴油機轉(zhuǎn)速范圍為1 000～4 000 r/min，分別選取1 000 r/min，1 400 r/min，1 800 r/min，2 200 r/min，2 600 r/min，3 000 r/min，3 300 r/min，3 600 r/min，4 000 r/min。其中1 000 r/min是發(fā)動機怠速工況點。

2) 負荷工況點：選取5個工況點，分別是25%，50%，75%，90%，100%負荷。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 動力性

圖2和圖3分別示出不同海拔下的柴油機功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力外特性曲線和負荷特性曲線。如圖2所示，隨著海拔升高，大氣壓力逐漸下降，發(fā)動機功率、扭矩呈下降趨勢。海拔從100 m上升到1 900 m，柴油機標定功率下降6.3%；當轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，海拔從100 m上升到1 900 m時，外特性工況點對應的最高扭矩下降23.6%；轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時，柴油機外特性工況點對應的最高扭矩下降3.8%。海拔越高，柴油機保持較高動力輸出的轉(zhuǎn)速范圍越窄，而且，在低轉(zhuǎn)速時海拔對動力性的影響程度比在高轉(zhuǎn)速時更大。

這主要是因為：1)高海拔地區(qū)空氣稀薄，造成氣缸內(nèi)空燃比下降，引起混合氣燃燒惡化，導致動力性下降。2)隨著海拔升高，排溫會明顯升高[10]，為了防止渦輪增壓器和發(fā)動機熱負荷過高，需通過減小循環(huán)噴油量來降低排溫，導致動力性明顯下降[11]。3)隨著海拔升高，大氣壓力下降，排氣背壓降低，增壓比隨之增大。當柴油機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域運行時，排氣能量低，渦輪增壓器做功能力下降，增壓比隨海拔的升高增加較小，無法彌補大氣壓力下降造成的進氣量不足，導致動力性下降迅速；隨著轉(zhuǎn)速上升，增壓比隨海拔的升高增加較快，使渦輪增壓器做功能力迅速提高，對由于海拔上升導致的進氣量下降起到了補償作用[10]。當發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速區(qū)域運行時，為防止渦輪增壓器超速、超溫，增壓器放氣閥自動開啟、循環(huán)噴油量下降，進而導致隨著海拔上升，動力性明顯下降。

圖2 3種海拔下功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力的外特性曲線

圖3 3種海拔下功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力的負荷特性曲線

2.2 經(jīng)濟性

圖4和圖5分別示出3種海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率外特性曲線和負荷特性曲線。如圖4所示，有效燃油消耗率在低轉(zhuǎn)速區(qū)受海拔的影響程度比在高轉(zhuǎn)速區(qū)大。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和2 200 r/min時的外特性工況點，柴油機在海拔1 900 m時對應的有效燃油消耗率比在海拔100 m時分別高9.2%和2.1%。隨著海拔的升高，有效燃油消耗率最小值向高轉(zhuǎn)速區(qū)域偏移，且經(jīng)濟轉(zhuǎn)速范圍不斷縮小。

圖4 3種海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率的外特性曲線

圖5 3種海拔下燃油消耗量、有效燃油消耗率的負荷特性曲線

主要原因是：在低轉(zhuǎn)速時，排氣能量低，渦輪增壓器做功能力不足，增壓比隨海拔的升高增加較?。浑S著負荷的增加，噴油量增大，但進氣流量變化不大[3]。以上原因造成缸內(nèi)燃燒惡化，導致有效燃油消耗率迅速升高。隨著轉(zhuǎn)速增加，海拔越高，增壓比增長越快，進氣量增加，改善了經(jīng)濟性[15]。

2.3 排放特性

圖6和圖7分別示出3種海拔下NOx，CO，HC、炭煙的外特性曲線和負荷特性曲線。如圖6所示，隨著轉(zhuǎn)速升高，不同海拔下各排放物變化規(guī)律基本一致：煙度先減小后增大，HC、CO逐漸減小并趨于穩(wěn)定，NOx先增大后減小。NOx，CO，煙度在1 000～2 200 r/min時受海拔的影響程度比在2 200～4 000 r/min時大。海拔越高，CO，HC，炭煙的排放量越高，發(fā)動機保持較低CO，HC，煙度的轉(zhuǎn)速區(qū)域越小，并且最小值向高轉(zhuǎn)速區(qū)域偏移。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時的外特性工況點，海拔1 900 m時CO和炭煙的排放濃度分別是海拔100 m時的4.55倍和4.06倍。

如圖7所示，相比于中高轉(zhuǎn)速工況點，在1 000 r/min時，隨著負荷變化，NOx，CO，HC，炭煙受海拔影響程度最顯著。此外，在標定功率轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)速下，不同海拔下NOx排放隨著負荷的增加而升高。昆明理工大學申立中等[3]在對不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究中以及西南林業(yè)大學何超等[16]在高壓共軌柴油機燃燒與NO2排放特性研究中也得到相似的結(jié)果，而北京理工大學余林嘯等[12]對重型柴油機在不同海拔地區(qū)的燃燒與排放特性研究中所得結(jié)果則有所不同。

圖6 3種海拔下NOx、CO、HC、炭煙的外特性曲線

圖7 3種海拔下NOx、CO、HC、炭煙的負荷特性曲線

2.3.1NOx排放

如圖6所示，隨著海拔升高，NOx排放降低。在低轉(zhuǎn)速時，海拔對NOx排放影響顯著。海拔越高，NOx排放量降幅越小，從900 m到1 900 m NOx排放降幅最大為14.8%，而從100 m到900 mNOx排放降幅最大為19.1%。相比之下，在中高轉(zhuǎn)速時，NOx排放受海拔的影響較小。這主要是因為，柴油機NOx的反應特點是高溫、富氧[17]，隨著海拔升高，大氣壓力下降，進氣量減小，缸內(nèi)氧含量下降，滯燃期延長，燃燒始點推遲，預混合燃燒比例增加，這將造成燃燒溫度增加，從而促進NOx的生成；同時，高海拔條件下缸內(nèi)氧含量降低又阻礙了NOx的生成。這兩方面的原因?qū)е铝薔Ox排放在中高轉(zhuǎn)速時受海拔的影響較小[12]。如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，NOx排放量越低。這主要是因為，在低轉(zhuǎn)速、小負荷工況下，循環(huán)噴油量小，缸內(nèi)燃燒溫度低，抑制了NOx的生成；大負荷工況下，循環(huán)噴油量增大，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進了NOx的生成，但海拔升高引起的缸內(nèi)溫度變化對氣缸內(nèi)整體溫度影響不顯著，未能進一步促進NOx的生成，導致不同海拔下NOx濃度出現(xiàn)明顯差異。

2.3.2煙度

如圖7所示，1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，煙度越高，煙度增幅越大。在50%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，煙度分別增加31.3%和54.8%；在100%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，煙度分別增加1.19倍和3.06倍。一方面，海拔升高導致燃燒溫度升高，高溫會提高燃料裂解的反應速率，從而促進炭煙顆粒的生成[12]。另一方面，高海拔下大氣壓力較低以及低轉(zhuǎn)速下增壓器做功能力不足造成進氣量降低，氣缸內(nèi)含氧量下降，從而抑制了炭煙顆粒的氧化。

2.3.3HC排放

如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的減小，海拔越高，HC濃度增長幅度越大。在25%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，HC值分別增加11.9%和141.8%；在50%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，HC值分別增加16.7%和50.1%。柴油機在低速、小負荷工況下，較低的缸內(nèi)溫度以及壁面激冷等因素造成HC排放較高，高海拔下大氣壓力低、空氣密度小，導致缸內(nèi)過量空氣系數(shù)下降、混合氣不均勻，進一步加劇了壁面激冷效應。隨著負荷的增加，缸內(nèi)溫度逐漸升高，燃燒環(huán)境得到改善，HC逐漸降低，此時，海拔對HC的影響程度不斷減弱。中高轉(zhuǎn)速時，渦輪增壓器工作能力較高，對進氣量進行有效補償，導致相同負荷時，海拔對HC濃度影響不顯著。

2.3.4CO排放

如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，CO排放增長幅度越大。在50%負荷時，海拔從100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分別增加1.99倍和2.66倍；在100%負荷時，海拔從100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分別增加1.71倍和3.55倍。這是因為，隨著負荷增加，循環(huán)噴油量增大，較高海拔下的大氣壓力和空氣密度較低，導致過量空氣系數(shù)下降，造成燃燒室中局部缺氧區(qū)域增加，缸內(nèi)燃燒惡化，從而使CO排放大幅上升[18]。在中高轉(zhuǎn)速時，由于渦輪增壓器工作效率較高，對進氣量補償較充分，因此海拔對CO排放的影響減弱。

3 結(jié)論

a) 柴油機功率和全負荷扭矩隨著海拔的上升而下降，有效燃油消耗率隨著海拔的上升而增加；在低轉(zhuǎn)速時，海拔對功率、全負荷扭矩、有效燃油消耗率的影響程度比在高轉(zhuǎn)速時大；外特性工況下，柴油機獲得理想動力輸出、保持經(jīng)濟運行的轉(zhuǎn)速范圍隨著海拔的升高逐漸縮小，并且向高轉(zhuǎn)速區(qū)域偏移；

b) 海拔對增壓中冷柴油機的排放也有顯著影響：外特性工況下，在低轉(zhuǎn)速時，海拔越高，NOx、炭煙、CO排放變化幅度越大；在低轉(zhuǎn)速時，隨著負荷的增加，海拔對NOx、CO、炭煙的影響程度逐漸增大，對HC的影響程度逐漸減?。辉谥懈咚贂r，隨著負荷的增加，海拔對NOx、HC、炭煙、CO的影響不顯著。