進氣節流對車用柴油機性能影響的試驗研究

王貴勇，鄒誠華，姚國仲，申立中，黃粉蓮

(昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

隨著排放法規日趨嚴格，僅僅依靠機內凈化技術已經很難滿足排放標準。機內凈化和發動機尾氣后處理設備的結合使用，可以有效地使發動機排放污染物降低到標準以下，滿足排放法規的要求[1]。目前，國內大部分滿足國Ⅵ排放法規的輕型柴油車均采用“EGR+DOC+DPF+SCR”的排放技術路線[2-3]。顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是技術路線中用于解決柴油機炭煙排放的后處理設備[4-9]，具有90%以上的捕集效率。DPF捕集效率的高低很大程度取決于主動再生技術[10-12]。在柴油機大部分的運行工況下，排氣溫度一般為100～550 ℃，而DPF主動再生需求溫度在550～600 ℃及以上，因此有必要采用發動機排氣熱管理技術來提高發動機排氣溫度。通過在進排氣管安裝節流閥、增壓器匹配、控制燃油噴射策略、排氣管保溫和在DPF前增加DOC設備等方式[8, 13-17]，在不損失動力性，保證經濟性的前提下，盡可能地提高發動機排氣溫度，保障DPF的高效捕集效率。

傳統柴油機沒有電子節氣門，發動機進氣充分，缸內燃燒總體呈現富氧狀態。理論上，發動機過量空氣系數在任何運行工況下都遠大于1。因此，可以通過在進氣管安裝節流閥，利用進氣節流來提高發動機的排氣溫度。根據文獻[15, 17-22]報道，通過在進氣管安裝節流閥，可以明顯提高發動機排氣溫度。這表明適當改變進入柴油機的空氣量，可以有效提升發動機的排氣溫度。但是改變發動機進氣量會影響缸內燃燒效果，從而影響發動機的動力、經濟和排放性能。因此，有必要對車用發動機進氣管安裝節流閥對發動機造成的影響進行更加深入的研究。

本研究在某款高壓共軌柴油機進氣管加裝電子節氣門，研究不同進氣流量對發動機性能和排放的影響，為基于DPF主動再生的排氣熱管理技術提供一定參考。

1 試驗設備及試驗方案

1.1 試驗設備

試驗發動機為直列4缸高壓共軌柴油機，其主要技術參數見表1。試驗臺架設備見表2，試驗臺架整體布置形式見圖1。

表1 發動機主要技術參數

表2 發動機測試設備

圖1 試驗臺架整體布置

1.2 試驗方案

發動機轉速選擇1 600 r/min和2 000 r/min，扭矩分別選擇各轉速下最大負荷的25%，50%和75%對應的扭矩。試驗過程中保持轉速和扭矩一定，通過調整電子節氣門關度(0%為全開，100%為全關)改變發動機的進氣流量，分別測試節氣門關度為0%，20%，40%，60%和70% 5個關度下，進氣節流對發動機過量空氣系數、燃油消耗率、排氣溫度和排放特性的影響。發動機過量空氣系數為實際進入氣缸內的空氣量與燃料理論燃燒所需空氣量的比值，其計算公式如下：

λ=mair/(lDmD)。

(1)

式中：λ為過量空氣系數；mair為進氣質量流量；lD為柴油理論空燃比14.3；mD為柴油噴油量。

2 試驗結果分析

2.1 節氣門關度對過量空氣系數的影響

圖2和圖3分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對過量空氣系數的影響。從圖2和圖3可以看出，節氣門關度相同時，負荷越大過量空氣系數越小。傳統柴油機沒有節氣門，屬于質調節，發動機通過調整噴油器噴入氣缸內柴油的多少來改變負荷的大小。相同轉速及節氣門關度下，進入氣缸的空氣流量一定，負荷越大，缸內噴入的柴油數量越多，則過量空氣系數越小。從圖3也可以看出，當節氣門關度及負荷固定時，發動機轉速越高，進氣系統慣量越大，能進入氣缸的空氣越多，因此，發動機2 000 r/min時的過量空氣系數大于1 600 r/min時的過量空氣系數。

圖2 1 600 r/min時節氣門關度對過量空氣系數的影響

圖3 2 000 r/min時節氣門關度對過量空氣系數的影響

從圖2和圖3還可以看出，過量空氣系數隨著節氣門關度的增加而減小，節氣門關度越大，過量空氣系數越小。1 600 r/min時，進氣節流效果在50%負荷下最明顯，當節氣門關度在70%時，過量空氣系數減小了14%；2 000 r/min時，進氣節流效果在各負荷下相差不大，當節氣門關度在70%時，過量空氣系數均減小了11%以上。因為節氣門關度直接影響柴油機進氣流量，節氣門關度越大，相同工況下進入氣缸的空氣量越少，而所噴柴油量并不隨空氣量的減少而減少，所以隨著節氣門關度的增加，過量空氣系數減小。表3示出節氣門關度為70%時，各個工況下過量空氣系數的降低幅度。

表3 節氣門關度70%時各工況過量空氣系數降低幅度

2.2 節氣門關度對燃油消耗率的影響

圖4和圖5分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對燃油消耗率的影響。

圖4 1 600 r/min時節氣門關度對燃油消耗率的影響

圖5 2 000 r/min時節氣門關度對燃油消耗率的影響

從圖4和圖5可以看出，節氣門關度相同時，負荷越大燃油消耗率越小。傳統柴油機沒有節氣門，理論上缸內過量空氣系數在任何工況下都大于1。發動機低負荷時，噴油器噴入缸內的燃料較少，過多的空氣導致局部混合氣過稀，混合氣因為太稀而不能正常燃燒，缸內燃燒效果差，燃油消耗率升高。從圖5也可以看出，當節氣門關度及負荷固定時，因為燃油消耗率與發動機機械效率和指示熱效率的乘積成反比，指示熱效率隨轉速的變化不大，而發動機機械效率隨轉速的增高而下降，所以發動機2 000 r/min時的燃油消耗率大于1 600 r/min時的燃油消耗率。

從圖4和圖5還可以看出，當節氣門關度較小時，進氣節流可以降低發動機燃油消耗率，改善發動機經濟性。繼續增加節氣門關度，燃油消耗率同步增加，經濟性開始變差。1 600 r/min時，節氣門關度從0%增加到40%，各工況燃油消耗率均下降。在25%負荷、40%節氣門關度時，燃油消耗率最大降低了4.5 g/(kW·h)。2 000 r/min時，節氣門關度從0%增加到40%，各工況燃油消耗率均下降。在25%負荷、40%節氣門關度時，燃油消耗率最大降低了3.0 g/(kW·h)。因為節氣門關度直接影響發動機進氣流量，節氣門關度增大導致進氣流量減少，柴油機在大部分工況下屬于富氧燃燒。進氣流量的減少使得局部過稀混合氣減少，可燃混合氣增多，所以此刻燃燒效果比節氣門未關時要好，燃油消耗率有所下降。但是繼續增大節氣門關度時，進氣節流損失增大，進氣氧含量的減少使得缸內燃燒變差，燃油消耗率開始上升。表4示出節氣門關度為40%時，各個工況下燃油消耗率的降低量。

表4 節氣門關度40%時各工況燃油消耗率降低幅度

2.3 節氣門關度對排氣溫度的影響

圖6和圖7分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對排氣溫度的影響。

圖6 1 600 r/min時節氣門關度對排氣溫度的影響

圖7 2 000 r/min時節氣門關度對排氣溫度的影響

從圖6和圖7可以看出，節氣門關度相同時，負荷越大排氣溫度越高。由前文可知，負荷增大過量空氣系數減少，缸內新鮮充量減小，換熱能力降低。發動機在高負荷工況下，噴油器噴入缸內的燃料較多，可燃混合氣充分燃燒，所以排氣溫度升高；發動機2 000 r/min，75%負荷時，因為缸內噴油次數增加，缸內空氣量開始減少，所以排氣溫度遠高于1 600 r/min，75%負荷時，且不需要調節進氣門關度排氣溫度就能超過550 ℃，達到DPF主動再生需要的再生溫度；在1 600 r/min，75%負荷時，節氣門關度為70%時排氣溫度也能超過550 ℃，達到DPF主動再生需要的再生溫度。

從圖6和圖7還可以看出，發動機排氣溫度隨著節氣門關度的增加而升高。節氣門關度在0%～40%時，排氣溫度升高幅度較緩，此時發動機過量空氣系數仍然較高，缸內依舊存在過量的空氣，換熱效果較強。隨著節氣門關度的繼續增大，進氣節流效果加強，排氣溫度開始大幅上升。當節氣門關度增加到70%，發動機在1 600 r/min時，25%負荷下排氣溫度增加了7%，50%負荷下增加了7.5%，75%負荷下增加了6%且排溫達到了DPF主動再生所需要的再生溫度。當節氣門增加到70%，發動機在2 000 r/min時，25%負荷下排氣溫度增加了10%，50%負荷下增加了8%，75%負荷下增加了7%。可以看出，2 000 r/min下進氣節流效果更好。主要原因是進氣沖程吸入發動機的新鮮空氣不僅使燃油混合更加充分，也起到了換熱作用。隨著節氣門關度的增加，相同工況下進入氣缸的進氣流量減少，換熱效果變差，所以排氣溫度會隨著節氣門關度的增加而增加。表5示出節氣門關度為40%時，各個工況下排氣溫度的增加幅度。

表5 節氣門關度40%時各工況排氣溫度增加幅度

2.4 節氣門關度對排放的影響

圖8和圖9分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對CO排放量的影響。

圖8 1 600 r/min時節氣門關度對CO排放的影響

圖9 2 000 r/min時節氣門關度對CO排放的影響

從圖8和圖9可以看出，節氣門關度相同時，CO排放量隨負荷的增大而減少。節氣門關度和負荷相同時，CO排放量隨轉速的增大而減少。CO是工質燃燒過程中的一種中間產物，如果燃燒過程中氧氣含量足夠，燃燒溫度也足夠高并且有充分的反應時間，CO最終會氧化成CO2排出氣缸。發動機在低負荷工況下空燃比大，氧氣濃度足夠，但是從前文可知，負荷越低排氣溫度越低，排氣溫度也是反映缸內燃燒的一個重要參數，排氣溫度低表明在當前工況下缸內燃燒的最高溫度低，而這就打破了CO氧化成CO2的高溫條件，綜上所述，CO的排放表現為隨負荷的增加而減少。

從圖8和圖9還可以看出，CO排放量隨節氣門關度的增加而增大。節氣門關度在0%～40%時，CO排放量增加很少，可以忽略不計。繼續增大節氣門關度，CO排放開始增加。2 000 r/min時進氣節流效果對CO排放的影響比1 600 r/min時更顯著。因為節氣門關度增大導致進氣流量減少，進入缸內的氧氣濃度也相應減少，大量的CO不足以氧化成CO2，所以導致CO排放量增加。表6示出節氣門關度為40%時，各個工況下CO排放量的增加幅度。

表6 節氣門關度40%時各工況CO排放量增加幅度

圖10和圖11分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對THC排放量的影響。從圖10和圖11可以看出，節氣門關度相同時，負荷越大THC排放量越少。在相同節氣門關度和負荷下，THC排放量隨轉速的增大而減少。THC本質上是噴入氣缸的燃料未充分燃燒或沒有燃燒而直接從排氣管排出的一種碳氫化合物，THC排放量的多少主要取決于缸內的溫度及氧氣濃度，負荷及轉速越高，缸內燃燒效果越好，溫度越高，燃料燃燒更加充分，THC排放量減少。

從圖10和圖11還可以看出，節氣門關度對THC排放量的影響較大，THC排放隨節氣門關度的增加先減少后增加。節氣門關度在從0%增加到60%，THC排放量逐漸減少。當節氣門關度增加到60%，1 600 r/min時，25%負荷下THC排放最大降低了9.2%，50%負荷下最大降低了13.5%，75%負荷下最大降低了12.6%；當節氣門關度增加到60%，2 000 r/min時，25%負荷下THC排放最大降低了11%，50%負荷下最大降低了11.5%，75%負荷下最大降低了16%。繼續增大節氣門關度，由于進入燃燒室的氧氣過少導致濃混合氣增加，THC排放呈現上升的趨勢，但是都低于節氣門關度為0%時的THC排放量。表7示出節氣門關度為60%時，各個工況下THC排放量的降低幅度。

圖10 1 600 r/min時節氣門關度對THC排放的影響

圖11 2 000 r/min時節氣門關度對THC排放的影響

表7 節氣門關度60%時各工況THC排放量降低幅度

圖12和圖13分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對NOx排放量的影響。

圖12 1 600 r/min時節氣門關度對NOx排放的影響

圖13 2 000 r/min時節氣門關度對NOx排放的影響

從圖12和圖13可以看出，節氣門關度相同時，NOx排放量隨著負荷的增加而增加。NOx的主要生成條件是“高溫富氧”，因為柴油機沒有節氣門，所以在大部分工況下柴油機都屬于富氧燃燒，在相同轉速下隨著噴油量的增加柴油機扭矩逐漸增大，缸內燃燒更加充分，最高溫度增加，導致NOx大幅度增加。

從圖12和圖13還可以看出，加入電子節氣門后，NOx排放量隨著節氣門關度的增加先減少后增加。隨著節氣門關度的逐漸增大，雖然缸內溫度因為進氣流量的減少有所增加，但是進氣流量減少的同時缸內氧濃度也下降，綜合影響下NOx呈現下降趨勢。發動機在1 600 r/min時，節氣門關度由0%增加到40%，NOx排放量呈下降趨勢，繼續增大節氣門關度，因為缸內燃燒溫度的上升及氧氣濃度的降低導致NOx排放上升；發動機在2 000 r/min時，NOx排放量在節氣門關度0%～40%之間降低，繼續增大節氣門關度至70%，NOx排放上升。表8示出節氣門關度為40%時，各個工況下NOx排放量的降低幅度。

表8 節氣門關度40%時各工況NOx排放量降低幅度

圖14和圖15分別示出發動機在1 600 r/min和2 000 r/min時，節氣門關度對煙度的影響。

圖14 1 600 r/min時節氣門關度對煙度的影響

圖15 2 000 r/min時節氣門關度對煙度的影響

從圖14和圖15可以看出，節氣門關度相同時，負荷越大煙度越高。發動機轉速一定時，負荷越大，缸內燃油量越多，局部過濃混合氣比例增加，導致煙度升高。從圖14和圖15也可以看出，轉速越高煙度越高。由前文可知，2 000 r/min，75%負荷下過量空氣系數遠大于1 600 r/min，75%負荷下過量空氣系數，理論上煙度應該降低。但是轉速越高循環燃燒時間相應越少，大量燃燒過程中生成的炭煙沒有足夠的反應時間而被排出氣缸，導致煙度增加。

從圖14和圖15還可以看出，煙度隨著節氣門關度的增加而增大。節氣門關度從0%增加到40%時，煙度增加較少。當節氣門關度增加到40%，1 600 r/min時，25%負荷煙度增加了18.8%，50%負荷煙度增加了5.8%，75%負荷煙度增加了3.7%；2 000 r/min時，25%負荷煙度增加了15.3%，50%負荷煙度增加了5.5%，75%負荷煙度增加了5.8%。繼續增大節氣門關度，進氣節流效果不斷加強，進入缸內的空氣減少，使得過濃混合氣量增加，從而加大炭煙的排放。表9示出節氣門關度為40%時，各個工況下煙度的增加幅度。

表9 節氣門關度40%時各工況煙度增加幅度

通過對節氣門進氣節流效果的試驗和分析，綜合考慮發動機經濟性和排放性能，發現電子節氣門關度為40%時，發動機能夠在有效燃油消耗率降低、THC和NOx排放降低、CO和煙度輕微上升的基礎上最大程度提高發動機的排氣溫度。表10示出節氣門關度為40%時，發動機各工況下性能對比。

表10 節氣門關度40%時與原機性能對比

3 結論

a)節氣門進氣節流顯著影響發動機進氣量和排氣溫度;發動機過量空氣系數隨節氣門關度的增大而減少，70%關度時，各工況過量空氣系數均降低11%以上；發動機排氣溫度隨節氣門關度的增大而升高，40%關度時，各工況排氣溫度增加幅度可達2%，70%關度時，各工況排氣溫度增加幅度可達7%以上;

b)燃油消耗率隨節氣門關度的增加先減小后增大;節氣門關度在0%～40%時，略微減少進氣量使缸內燃燒效果更好，燃油消耗率有所下降;繼續增大節氣門關度，燃油消耗率上升;

c)CO排放和煙度在節氣門關度為0%～40%之間有小幅度的上升，各工況下CO排放量增加不超過3%;發動機低負荷下不宜采取進氣節流措施，會造成煙度的大幅上升，增幅超過16%;中高負荷下進氣節流對煙度的影響較小，40%節氣門關度時，增幅不超過6%；

d)THC和NOx排放在節氣門關度為0%～40%之間呈現下降趨勢;節氣門關度為40%時，發動機各工況下THC排放均降低7%以上，NOx降低1%左右；

e)適度進氣節流可以在降低燃油經濟性和保證排放不惡化的情況下提高發動機排氣溫度;通過耦合燃油后噴策略等排氣熱管理技術，可以更快地達到DPF主動再生所需溫度，保障DPF的捕集效率，優化發動機排放性能，降低油耗、提高經濟性。