海拔對(duì)增壓中冷柴油機(jī)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(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

我國(guó)國(guó)土大多處于高海拔地區(qū)，800 m以上區(qū)域占我國(guó)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性明顯惡化[1]。為了降低汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染，國(guó)家環(huán)保部門(mén)出臺(tái)了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)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(duì)排放限值要求更加苛刻[2]。屆時(shí)，高海拔地區(qū)車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放能否滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，對(duì)高海拔條件下柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性進(jìn)行深入研究，不僅有助于改善高原環(huán)境下車用柴油機(jī)綜合性能，也符合國(guó)家節(jié)能減排、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的基本國(guó)策，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外在海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響規(guī)律方面研究較多，對(duì)影響機(jī)理的分析也比較透徹[3-12]。相比之下，高海拔對(duì)柴油機(jī)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(jī)動(dòng)力恢復(fù)最直接有效的技術(shù)。通過(guò)進(jìn)氣增壓可以在一定程度上彌補(bǔ)由于海拔升高、大氣壓力下降導(dǎo)致的進(jìn)氣量不足，能顯著改善高原地區(qū)柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并降低排放。

基于此，以一款增壓中冷柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，采用大氣模擬綜合測(cè)控系統(tǒng)對(duì)不同海拔下的柴油機(jī)綜合性能進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分析了海拔與柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的關(guān)系，定量分析了在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下，海拔變化對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響的程度。所得試驗(yàn)結(jié)果可以為同類型柴油機(jī)性能研究和開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)參考，為進(jìn)一步改善高原環(huán)境下柴油機(jī)工作性能提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用大氣模擬綜合測(cè)控系統(tǒng)，主要包括水渦流測(cè)功機(jī)、油耗儀、進(jìn)排氣壓力模擬系統(tǒng)、進(jìn)氣流量計(jì)、排氣分析儀等(見(jiàn)圖1)。主要測(cè)試設(shè)備特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要測(cè)試設(shè)備特性參數(shù)

圖1 大氣模擬綜合測(cè)控系統(tǒng)裝置

1.2 試驗(yàn)機(jī)型

本次試驗(yàn)以小缸徑乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控高壓共軌、缸內(nèi)直噴技術(shù)，其詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用大氣模擬綜合測(cè)控系統(tǒng)模擬不同海拔下的大氣壓力，當(dāng)模擬大氣壓力高于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r(shí)，通過(guò)進(jìn)氣加壓、增加排氣背壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)選擇80 kPa，90 kPa，100 kPa共3個(gè)大氣壓力，對(duì)應(yīng)海拔分別為1 900 m，900 m，100 m。此外，測(cè)試環(huán)境的空氣濕度在40%～60%，大氣溫度在20～28 ℃。試驗(yàn)工況點(diǎn)如下：

1) 外特性工況點(diǎn)：柴油機(jī)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(dòng)機(jī)怠速工況點(diǎn)。

2) 負(fù)荷工況點(diǎn)：選取5個(gè)工況點(diǎn)，分別是25%，50%，75%，90%，100%負(fù)荷。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)力性

圖2和圖3分別示出不同海拔下的柴油機(jī)功率、扭矩、進(jìn)氣量、中冷后壓力外特性曲線和負(fù)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(dòng)機(jī)功率、扭矩呈下降趨勢(shì)。海拔從100 m上升到1 900 m，柴油機(jī)標(biāo)定功率下降6.3%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，海拔從100 m上升到1 900 m時(shí)，外特性工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高扭矩下降23.6%；轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時(shí)，柴油機(jī)外特性工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高扭矩下降3.8%。海拔越高，柴油機(jī)保持較高動(dòng)力輸出的轉(zhuǎn)速范圍越窄，而且，在低轉(zhuǎn)速時(shí)海拔對(duì)動(dòng)力性的影響程度比在高轉(zhuǎn)速時(shí)更大。

這主要是因?yàn)椋?)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(dǎo)致動(dòng)力性下降。2)隨著海拔升高，排溫會(huì)明顯升高[10]，為了防止渦輪增壓器和發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高，需通過(guò)減小循環(huán)噴油量來(lái)降低排溫，導(dǎo)致動(dòng)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(dāng)柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)域運(yùn)行時(shí)，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(wú)法彌補(bǔ)大氣壓力下降造成的進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致動(dòng)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(duì)由于海拔上升導(dǎo)致的進(jìn)氣量下降起到了補(bǔ)償作用[10]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域運(yùn)行時(shí)，為防止渦輪增壓器超速、超溫，增壓器放氣閥自動(dòng)開(kāi)啟、循環(huán)噴油量下降，進(jìn)而導(dǎo)致隨著海拔上升，動(dòng)力性明顯下降。

圖2 3種海拔下功率、扭矩、進(jìn)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(jìn)氣量、中冷后壓力的負(fù)荷特性曲線

2.2 經(jīng)濟(jì)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(fù)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(shí)的外特性工況點(diǎn)，柴油機(jī)在海拔1 900 m時(shí)對(duì)應(yīng)的有效燃油消耗率比在海拔100 m時(shí)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(jì)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(fù)荷特性曲線

主要原因是：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，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小；隨著負(fù)荷的增加，噴油量增大，但進(jìn)氣流量變化不大[3]。以上原因造成缸內(nèi)燃燒惡化，導(dǎo)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(zhǎng)越快，進(jìn)氣量增加，改善了經(jīng)濟(jì)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(fù)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(shí)受海拔的影響程度比在2 200～4 000 r/min時(shí)大。海拔越高，CO，HC，炭煙的排放量越高，發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)的外特性工況點(diǎn)，海拔1 900 m時(shí)CO和炭煙的排放濃度分別是海拔100 m時(shí)的4.55倍和4.06倍。

如圖7所示，相比于中高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，在1 000 r/min時(shí)，隨著負(fù)荷變化，NOx，CO，HC，炭煙受海拔影響程度最顯著。此外，在標(biāo)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(fù)荷的增加而升高。昆明理工大學(xué)申立中等[3]在對(duì)不同海拔下增壓中冷柴油機(jī)性能和排放的研究中以及西南林業(yè)大學(xué)何超等[16]在高壓共軌柴油機(jī)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(xué)余林嘯等[12]對(duì)重型柴油機(jī)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(fù)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(shí)，海拔對(duì)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(shí)，NOx排放受海拔的影響較小。這主要是因?yàn)椋裼蜋C(jī)NOx的反應(yīng)特點(diǎn)是高溫、富氧[17]，隨著海拔升高，大氣壓力下降，進(jìn)氣量減小，缸內(nèi)氧含量下降，滯燃期延長(zhǎng)，燃燒始點(diǎn)推遲，預(yù)混合燃燒比例增加，這將造成燃燒溫度增加，從而促進(jìn)NOx的生成；同時(shí)，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(shí)受海拔的影響較小[12]。如圖7所示，在1 000 r/min時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，海拔越高，NOx排放量越低。這主要是因?yàn)椋诘娃D(zhuǎn)速、小負(fù)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(fù)荷工況下，循環(huán)噴油量增大，缸內(nèi)燃燒溫度升高，促進(jìn)了NOx的生成，但海拔升高引起的缸內(nèi)溫度變化對(duì)氣缸內(nèi)整體溫度影響不顯著，未能進(jìn)一步促進(jìn)NOx的生成，導(dǎo)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(shí)，隨著負(fù)荷的增加，海拔越高，煙度越高，煙度增幅越大。在50%負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)，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(dǎo)致燃燒溫度升高，高溫會(huì)提高燃料裂解的反應(yīng)速率，從而促進(jìn)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(jìn)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(shí)，隨著負(fù)荷的減小，海拔越高，HC濃度增長(zhǎng)幅度越大。在25%負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)，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(jī)在低速、小負(fù)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(dǎo)致缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)下降、混合氣不均勻，進(jìn)一步加劇了壁面激冷效應(yīng)。隨著負(fù)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(shí)，海拔對(duì)HC的影響程度不斷減弱。中高轉(zhuǎn)速時(shí)，渦輪增壓器工作能力較高，對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行有效補(bǔ)償，導(dǎo)致相同負(fù)荷時(shí)，海拔對(duì)HC濃度影響不顯著。

2.3.4CO排放

如圖7所示，在1 000 r/min時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，海拔越高，CO排放增長(zhǎng)幅度越大。在50%負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)，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?yàn)椋S著負(fù)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(dǎo)致過(guò)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(shí)，由于渦輪增壓器工作效率較高，對(duì)進(jìn)氣量補(bǔ)償較充分，因此海拔對(duì)CO排放的影響減弱。

3 結(jié)論

a) 柴油機(jī)功率和全負(fù)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(shí)，海拔對(duì)功率、全負(fù)荷扭矩、有效燃油消耗率的影響程度比在高轉(zhuǎn)速時(shí)大；外特性工況下，柴油機(jī)獲得理想動(dòng)力輸出、保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)增壓中冷柴油機(jī)的排放也有顯著影響：外特性工況下，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，海拔越高，NOx、炭煙、CO排放變化幅度越大；在低轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，海拔對(duì)NOx、CO、炭煙的影響程度逐漸增大，對(duì)HC的影響程度逐漸減小；在中高速時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，海拔對(duì)NOx、HC、炭煙、CO的影響不顯著。