邊界條件對車用柴油機油耗、排放的影響研究

劉寶利 于全順 郭勇 劉麟 王濤

摘 要：以某車用柴油機為研究對象，對其特征工況進行自定義，通過調節額定工況邊界條件，基于正交試驗理論，對邊界條件進行劃分，并對不同工況下油耗、原機排放進行了測試。試驗表明，在各自定義工況下，進氣負壓、中冷后溫度、排氣背壓的增加，均會引起比油耗的增加;進氣負壓、排氣背壓增加引起NOx比排放減少，中冷后溫度增加引起NOx比排放增加。

關鍵詞：進氣負壓;中冷后溫度;排氣背壓;邊界條件

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-132-04

Research on the Influence of Boundary Conditions on Fuel Consumption and

Emissions of vehicle Diesel Engines

Liu Baoli1， Yu Quanshun1， Guo Yong1， Liu Lin1， Wang Tao2

（ 1.China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300;

2.Beijing Motor Vehicle Emission Management Center， Beijing 100176 ）

Abstract： This article takes a vehicle diesel engine as the research object， customizes its characteristic working conditions， adjusts the boundary conditions of rated working conditions， divides the boundary conditions based on the orthogonal test theory， and analyzes the fuel consumption and original engine emissions under different working conditions. taking the test. Tests have shown that， under each custom operating condition， the increase in intake negative pressure， the intake air temperature after intercooler， and the exhaust back pressure will cause an increase in specific fuel consumption; the increase in intake negative pressure and exhaust back pressure will cause a reduction in specific NOx emissions， the increase in the intake air temperature after intercooler causes an increase in specific NOx emissions.

Keywords： Intake negative pressure; Intake air temperature after intercooler; Exhaust back pressure; Boundary condition

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-132-04

引言

車用柴油機及其零部件大都在某一固定條件完成設計，實際應用過程中，隨著環境條件的變化，必然對其油耗、排放造成影響[1]。

進氣負壓、排氣背壓、中冷后進氣溫度是車用柴油機配套整車應用的重要邊界條件，進氣負壓與空氣濾清器設計及使用過程有關，排氣背壓與后處理器壓差設計有關，中冷后進氣溫度與整車中冷器配套設計有關。

本文以某滿足國V排放標準的車用柴油機為研究對象，通過在發動機試驗室調整進氣負壓、中冷后進氣溫度、排氣背壓變化，研究邊界條件變化對車用柴油機油耗、排放的影響，為發動機應用環境設計提供參考。

1 研究內容

1.1 試驗系統和方案

試驗采用某6缸國Ⅴ柴油發動機為試驗對象，發動機參數如表1所示。測試系統參數如表2，采用進氣空調對整套系統進行溫度控制，采用進氣蝶閥對進氣阻力進行控制，采用排氣蝶閥對排氣阻力進行控制，通過中冷器冷卻水開度對中冷后進氣溫度進行調節。試驗用燃油為國五0號柴油。

1.2 試驗方法

1.2.1 工況設計

發動機的外特性及自定義工況點如圖1所示。本文選取發動機4個典型工況進行研究，分別為：工況點1，轉速2300r/min，扭矩80%;工況點2，轉速1700r/min，扭矩100%;工況點3，轉速1300r/min，扭矩100%;工況點4，轉速1300r/min，扭矩50%。其中工況1為發動機的額定工況點，工況2為最大扭矩下的最高轉速全負荷工況點，工況3為常用轉速下的全負荷工況點，工況4為常用轉速下的50%工況點。

1.2.2 試驗設計

為了考察進氣阻力、排氣阻力、中冷器后溫度三個邊界條件因素對發動機主要性能、排放、安全參數的影響，根據工程經驗將額定工況（工況1）進氣負壓劃分為4kPa、7kPa、10kPa三個水平，排氣背壓劃分為10kPa、16kPa、22kPa三個水平，中冷后進氣溫度劃分40℃、50℃、60℃三個水平，采用如表3所示的L9（3^4）正交表[2]依次對圖1所示自定義工況安排正交試驗。

1.2.3 自定義工況下邊界條件實測值

圖2、圖3、圖4分別為自定義工況下進氣負壓、中冷后進氣溫度、排氣背壓實測值，可以看出工況1基本遵循表3的目標值，工況2、工況3、工況4在各試驗次序下呈遞減趨勢，即各工況實際的因素水平并不一致。這是因為，為了模擬發動機實際應用環境，試驗過程中，進氣負壓、中冷后進氣溫度、排氣背壓在工況1設定好，并固定相關閥門，其他工況不改變相應閥門設置，對應的邊界條件隨發動機試驗工況發生變化。圖2、圖3、圖4也可視為各工況下的實際因素水平變化。

2 試驗結果與討論

2.1 進氣負壓對油耗、排放的影響

如圖5、圖6所示，隨著進氣負壓的增加，各自定義工況比油耗均呈現增加趨勢，NOx比排放均呈現逐漸降低趨勢。這是因為進氣負壓增加導致會導致進氣量減少，進而影響缸內燃燒的空燃比，從而引起燃燒不充分。此外，進氣負壓的增加還會導致燃燒滯燃期延長，推遲燃燒始點，最高燃燒溫度降低[3]。

此外，額定工況進氣負壓調整對各自定義工況的影響程度不同，工況1為額定工況，受進氣負壓變化的影響最大，工況2、工況3、工況4因各自工況下的實際進氣負壓變化范圍收窄（圖2），受到的影響相對減弱，后續中冷后進氣溫度、排氣背壓對各定義工況的影響機制類似，不再贅述。

2.2 中冷后進氣溫度對油耗、排放的影響

如圖7、圖8所示，隨著額定工況中冷后進氣溫度的增加，各自定義工況比油耗均呈現增加趨勢，NOx比排放也均呈現逐漸增加趨勢。

中冷后進氣溫度增降低了進氣的密度，導致進氣量減少，缸內燃燒有所惡化，從而引起比油耗增加，理論上，NOx比排放應當有所改善。但是，中冷后進氣溫度影響缸內進氣溫度，有研究表明，缸內進氣溫度越高，缸內最高燃燒平均溫度隨之升高，化學滯燃期縮短[4，5]，對NOx的生成產生有利條件，在抵消進氣密度下降引起的NOx生成的不利條件基礎上，進一步增加了NOx排放[4]。

2.3 排氣背壓對油耗、排放的影響

如圖9、圖10所示，隨著額定工況排氣背壓的增加，各自定義工況比油耗、NOx比排放均呈現增加趨勢。

排氣背壓升高，導致排氣阻力增加，增壓器渦輪膨脹比和壓縮機的增壓比降低，排氣管內壓力升高，進氣管內壓力降低，引起進、排氣門疊開期間廢氣倒灌[6]，缸內殘余廢氣增加，氣缸內燃燒惡化，導致油耗增加，同時缸內參與廢氣增加還會引起缸內燃燒溫度降低，對NOx的生成產生不利影響。

3 結論

（1）邊界條件變化對燃油經濟型的影響：進氣負壓、中冷后進氣溫度、排氣背壓的增加均會引起比油耗的增加，主要是因為缸內實際新鮮空氣進氣量減少，燃燒惡化導致的。

（2）邊界條件變化對NOx排放的影響：隨著進氣負壓、排氣背壓的增加，NOx比排放有所降低，主要是因為缸內實際新鮮空氣進氣量的減少為NOx生成產生不利條件，中冷后進氣溫度增加，雖然也會通過降低進入氣缸內的空氣密度，導致實際新鮮空氣進氣量的減少，但中冷后進氣溫度的增加，會導致缸內燃燒溫度的升高，滯燃期縮短，為NOx生成產生有利條件，綜合影響大于實際新鮮空氣量減少帶來的不利條件，從而引起最終NOx生成的增加。

（3）由于實際邊界條件隨工況變化，標定工況邊界條件的變化對不同工況的油耗、排放有不同程度的影響。

參考文獻

[1] Mallikarjuna Bennur，Derek Hogland，Edward Abboud et al.Rudnick? ? Multi-Disciplinary Robust Optimization for Performances of Noise & Vibration And Impact Hardness & Memory Shake [J]. SAE 2009- 01-0341， 2009.

[2] 郝拉娣，于化東.正交試驗設計表的使用分析[J].編輯學報，2005， 17（5）：334-335.

[3] 黃開勝，張堯，劉剛，等.進氣壓力對發動機性能的影響研究[J].內燃機工程，2017， 38（2）：73-78.

[4] 王兆文，伍尚，黃勝，等.環境濕度對柴油機NO_x及Soot排放特性的影響[J].內燃機學報，2018， 36（4）：322-331.

[5] 李昊.重型柴油機CVS測試系統及測試條件對排放測量的影響[D].山東：山東大學.2018.

[6] 黃偉，趙同賓，李靜芬，等.高排氣背壓柴油機配氣相位優化仿真及試驗研究[J].艦船科學技術. 2016，38（1）：127-133.