增大壓縮比對國六柴油機性能的影響

陳香春，高慎勇，高瑩，呂曉惠，張凌宏

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機的幾何壓縮比為氣缸總容積與燃燒室容積之比；柴油機的實際壓縮比反映了活塞由下止點運行到上止點的過程中缸內工質被壓縮的程度[1]。壓縮比影響柴油機氣缸內氣體的流動速度、油氣混合的品質及壓縮終點時缸內的壓力和溫度，進而影響柴油機氣缸內的燃燒速率、平均有效壓力和熱效率，最終影響柴油機的整體性能[2-5]。

在工程應用中，增大壓縮比可降低油耗,縮短滯燃期,降低燃燒噪聲和NOx排放，改善冷起動能力，尤其是高原冷起動能力，加快暖機過程，解決冒白煙、熄火等問題。

增壓柴油機的實際壓縮比隨著工況變化而變化，低負荷工況的實際壓縮比小于幾何壓縮比，而高負荷工況的實際壓縮比遠大于幾何壓縮比[6]。低負荷工況，增壓柴油機的實際壓縮比低于幾何壓縮比，導致壓縮終點的壓力和溫度下降，滯燃期延長，火焰傳播速率降低，燃燒后移，熱效率和平均有效壓力降低，柴油機的動力性和經濟性惡化。大負荷工況，實際壓縮比隨增壓壓力的提高而提高，缸內最高爆發壓力和壓力升高率迅速增大。針對高轉速大負荷時缸內峰值壓力過大的工況點，可利用米勒循環，采用進氣門延遲關閉的方法靈活改變柴油機的有效壓縮比[7-9]，從而降低缸內峰值壓力，犧牲部分經濟性，確保大負荷工況下柴油機工作穩定性。因此，增壓柴油機的幾何壓縮比通常低于非增壓柴油機的幾何壓縮比，以保證增壓柴油機高負荷運行的可靠性。增大幾何壓縮比導致柴油機運行在高轉速時的機械損失增多，有效熱效率降低，燃油經濟性變差，如果柴油機的使用工況多在高轉速區域，幾何壓縮比不宜過大。

1 增大壓縮比對國六柴油機經濟性的影響

為提升某重型增壓中冷柴油機的經濟性，將壓縮比分別從17.5增加到18.5、由18.5增加到20.0，進行相關試驗，分析增大壓縮比對柴油機燃油經濟性和后處理系統性能的影響。柴油機主要技術參數見表1，臺架試驗儀器與儀表見表2。

表1 柴油機主要技術參數

表2 臺架試驗儀器與儀表

表2中，質量油耗儀的量程為0～25 kg/h，測量不確定度≤0.12%；渦輪后排氣溫度傳感器為K型熱電偶傳感器，安裝在渦輪增壓器后120 mm處的排氣管直管段上。K型熱電偶傳感器的量程為：-40～1000 ℃，-40～375 ℃時的測量允許誤差為±1.5 ℃，375～1000 ℃時的測量允許誤差為測量溫度的±4‰。

以1400 N·m等扭矩工況點的燃油消耗率為例，定義各個轉速點的燃油消耗率除以該壓縮比對應的最低燃油消耗率為燃油消耗率無量綱值，得到壓縮比對燃油消耗率的影響曲線。

壓縮比對常用工況區燃油消耗率的影響曲線如圖1所示，壓縮比對外特性工況區燃油消耗率的影響曲線如圖2所示。

圖1 壓縮比對常用工況區燃油消耗率的影響曲線 圖2 壓縮比對外特性工況區燃油消耗率的影響曲線

由圖1、2可知，壓縮比增大后，各轉速下的燃油消耗率均有所下降，特別是常用工況區的燃油經濟性改善明顯。壓縮比增大之后，滯燃期縮短，缸內燃燒速率加快，油氣混合和燃燒更加充分，柴油機熱效率提高，缸內放熱量增加，有效功占比增大，從而降低燃油消耗率。

2 增大壓縮比對國六柴油機排溫的影響

柴油機的熱量分布主要分3部分：有用功、冷卻液帶走的熱量和排氣帶走的熱量。相同工況點下，總熱量一定，冷卻液帶走的熱量變化較小，有效功的占比增大，排氣帶走的熱量就會減小。常用工況區和外特性工況區壓縮比對渦后排氣溫度的影響曲線如圖3所示。

a)常用工況區 b) 外特性工況區圖3 壓縮比對渦后排氣溫度的影響

由圖3可知，壓縮比增大后，各轉速下的渦輪后排氣溫度下降。根據工程經驗，油耗提升0.5%，排氣溫度降低不低于0.5%，因為高壓縮比導致壁面傳熱損失增多。壓縮比由17.5增加到18.5過程中渦輪后排氣溫降見表3。

表3 壓縮比對渦后排溫的影響

3 增大壓縮比對國六柴油機后處理系統的影響

采用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)路線的國六柴油機后處理系統包括催化氧化裝置(diesel oxidation catalyst，DOC)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)和SCR 3部分，排氣溫度是影響SCR反應效率和DPF再生的至關重要的因素。

SCR選用銅基催化劑。SCR前溫度達到200 ℃，尿素起噴，SCR前溫度達到250 ℃，進入銅基催化劑的高效反應區。國六排放標準[10]要求柴油機(130～560 kW)全球統一穩態試驗循環(world harmonized steady-state cycle，WHSC)的NOx比排放小于0.4 g/(kW·h)，比國五標準的排放限值降低了80%，SCR的NOx轉化效率大于97%。為保證SCR的反應效率，需要采用熱管理手段提升排氣溫度，本文中所研究重型柴油機在WHSC和全球統一瞬態測試循環(world harmonized transient cycle，WHTC)測試中，SCR的轉化效率在98%以上。

進氣節流閥通過控制新鮮空氣流量，降低空燃比，提高廢氣溫度來保持催化劑所需的溫度,是國六柴油機目前普遍采用的熱管理手段。進氣節流閥布置在中冷器后、進氣歧管前的進氣管路上，進氣節流閥開度較小時，進氣壓力降低，甚至低于環境壓力。進氣歧管中的壓力降低導致壓縮行程結束時缸內壓力也隨之降低。柴油機需要一定的起燃條件才能在壓縮行程結束時成功點燃缸內燃料，點火延遲過長將引起柴油機失火甚至熄火。點火延遲不僅與溫度有關，而且與壓縮行程結束時的壓力有關。在環境溫度為25 ℃、壓縮壓力低于2.5 MPa時，柴油機很難點火。本文中的重型柴油機在SCR 加熱模式下，進氣節流閥最小開度只有13%，此時的中冷后進氣壓力絕對值只有105 kPa。增大壓縮比可以改善這種情況，在進氣節流閥導致進氣管壓力低于環境壓力的情況下，提供足夠高的缸內壓縮壓力。

國六排放標準中規定：柴油機(130～560 kW)在WHSC和WHTC測試中顆粒物(particulate matter，PM)比排放小于0.01 g/(kW·h)，在WHSC測試中顆粒數(particle number，PN)排放小于8.0×1011，在WHTC測試中PN排放小于6.0×1011，DPF對PM的過濾效率可達95%，對PN的過濾效率可達99%，因此，后處理系統必須配備DPF[11]。本文中的重型柴油機，在WHSC中PM原排為 0.029 g/(kW·h)，在WHTC中PM原排為0.035 g/(kW·h)。柴油機運行過程中，顆粒物在DPF 中不斷累積，為防止DPF堵塞，需要通過再生對DPF中的顆粒物進行清除。排氣溫度對DPF的再生至關重要，250～500 ℃時，在DOC內發生化學反應NO+O2→NO2、C + 2NO2→CO2+2NO，顆粒物中的碳被NO2氧化，即DPF發生被動再生，該過程不需要消耗額外的燃油[12-13]。NO2的轉化效率隨溫度的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，300 ℃以下，隨著排氣溫度的降低，NO2的轉化效率逐漸下降。溫度降低及NO2生成量減少必然導致被動再生的強度減弱。

圖4 NO2轉化效率隨溫度變化曲線

增大壓縮比使得缸內熱效率提升，排氣溫度有所降低。提升壓縮比后的排氣溫度可能不再能夠支持被動再生，被動再生減弱導致積碳在DPF中不斷累積。積碳累積到一定數量后會觸發主動再生，需要往排氣管中噴入燃油，燃油在DOC中氧化放熱，將DPF之前的溫度提升至600 ℃，發生化學反應C+O2→CO2，將積碳燒掉。提升壓縮比，可降低柴油機本身的燃油消耗率，如果因排氣溫度的降低觸發了主動再生或者增加了主動再生的頻次，有可能會削弱提升壓縮比帶來的燃油消耗降低幅度。

4 結論

1)增大壓縮比可以提高缸內壓力和指示熱效率，降低燃油消耗率，提升柴油機性能；但同時導致排氣溫度降低，影響DPF的被動再生效率，如果因此導致主動再生的觸發，會削弱提升壓縮比帶來的燃油消耗降低幅度。

2)使用進氣節流閥進行熱管理時會降低缸內壓縮終點時的壓縮壓力，增大壓縮比可在進氣節流閥導致進氣管壓力低于環境壓力的情況下，提供足夠高的缸內壓縮壓力。

3)壓縮比過大時，高速大負荷缸內最高爆發壓力迅速升高，燃燒過程粗暴，可利用米勒循環方法靈活改變有效壓縮比，犧牲部分經濟性，保證增壓柴油機高負荷運行的可靠性。