不同海拔下國六柴油機性能試驗研究*

肖仁鑫，梁大平，陳貴升，劉 爽

（1.昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；2.中汽研汽車檢驗中心（常州）有限公司，常州 213100）

前言

我國幅員遼闊，由東向西海拔呈逐漸上升，地形、氣候復雜，2 000 m以上的高原地區約占國土面積的33%［1］。柴油機因其良好的動力性和經濟性被廣泛應用于高原運輸，但其較高的污染物排放也嚴重影響人們的生活方式和生產活動［2］。柴油機在高原環境運行時，大氣壓力降低導致進入氣缸內的空氣量減小，壓縮終點氣缸內混合氣壓力和溫度降低，噴入缸內的燃油不能及時著火，造成燃燒滯后，等容度下降，燃燒放熱率質心后移，致使柴油機功率下降，燃油消耗率上升，排放性能惡化［3-4］。為滿足嚴苛的國六排放法規［5］，DPF成為國六柴油機后處理系統的必備部件。但對于DPF在高原地區的應用缺乏經驗，DPF的再生時機標定和再生過程控制難度等問題較難解決［6］。

國內外學者對高原環境下柴油機性能的研究主要集中在國五及以下柴油機的功率恢復、燃燒過程優化、污染物排放特性、代用燃料及空氣系統優化控制等方面［7-14］，對高原環境下國六柴油機性能變化及DPF的碳煙沉積、再生特性研究較少。文獻［15］中基于GT-Power建立柴油機耦合DPF的一維仿真模型，研究了DPF在不同海拔下對增壓柴油機動力性、經濟性和排放特性的影響，同時研究了不同海拔下DPF的工作特性。文獻［16］中研究了不同海拔下DPF加載規律及再生特性。文獻［6］中分析了國六柴油機DPF在工程應用中的關鍵問題，包括DPF高原適應性問題，指出高原高寒地區DPF捕集再生難度大。但針對不同海拔下加裝DPF的國六柴油機性能變化，以及極限高原環境柴油機運行在極端工況下DPF堵塞可能性的研究則鮮見報道。

本文中利用柴油機高原環境模擬試驗臺架，研究不同海拔對國六柴油機全負荷和40%負荷的動力性、經濟性、排放特性的影響，并模擬4000 m海拔進行DPF堵塞試驗，探討極限高原環境下柴油機持續運行在低轉速大負荷工況DPF堵塞的可能性，以期為整車企業高原標定及高原法規制定提供參考。

1 國六柴油機高原性能試驗

1.1 試驗方案

進氣的壓力、溫度、濕度3個參數對柴油機的性能都有影響。其中，大氣壓力隨海拔變化最迅速，對柴油機輸出性能最敏感［17］。海拔高度變化的明顯特征是大氣壓力的變化，高原環境模擬試驗臺架利用此原理實現高原環境模擬，如圖1所示。柴油機高原性能試驗和DPF堵塞試驗均在高原環境模擬試驗臺架上進行。

圖1 高原環境模擬試驗臺架示意圖

試驗選取101、90、79、70、61 kPa（分別對應0、1 000、2 000、3 000、4 000 m海拔高度）5個大氣壓力，開展國六柴油機不同海拔高度下的全負荷和40%負荷性能試驗。主要考查發動機在不同海拔不同轉速下全負荷工況和等轉矩工況的輸出特性，研究海拔變化對國六柴油機性能的影響。為了兼顧輕型機和重型機的特點，同時也是高原運輸動力的組成部分，選取一臺6.2 L的增壓中冷柴油機作為研究對象，發動機的基本參數見表1，DPF主要參數見表2。

表1 發動機主要參數

表2 DPF主要參數

1.2 不同海拔下全負荷特性

1.2.1 動力性

圖2和圖3是不同海拔下發動機全負荷工況下的進氣流量、空燃比變化規律。圖2中，同一轉速工況，進氣流量隨著海拔的上升而下降，低轉速和高轉速工況下降明顯，900 r/min降幅最大。與0海拔相比，柴油機在1 000、4 000 m海拔下進氣流量最大降幅分別為6.6%、49.9%。由于平原環境下大氣壓力高，大氣中氧含量高，進氣充足，缸內燃燒過程較好，排氣能量較高，給渦輪增壓器提供充足的廢氣能量，使得增壓效果較好。因此，1 000 m海拔下的進氣流量降幅較小。隨著海拔的上升，大氣壓力減小，進氣流量下降，導致缸內混合氣空燃比（圖3）迅速減小，缸內燃燒惡化，排氣能量降低，發動機在低轉速工況渦輪增壓器的增壓能力不足表現更加突出。同時在高轉速工況受壓氣機轉速的限制，增壓器的效率降低。此外，對于加裝DPF的國六柴油機，較大的排氣背壓也使得增壓器效率降低。高原環境下壓氣機出口溫度升高進一步導致進氣充量減小，空燃比隨之減小。

圖2 不同海拔下全負荷工況進氣流量變化

圖3 不同海拔下全負荷工況空燃比變化

圖4是不同海拔下發動機全負荷工況輸出的轉矩。同一轉速工況，發動機輸出轉矩隨著海拔的上升而明顯下降。低轉速和高轉速工況下降明顯，900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下轉矩最大降幅為51.9%。隨著海拔的上升，大氣溫度、壓力均降低，進入缸內的新鮮充量減少，缸內工質膨脹做功能力降低，輸出轉矩減小，導致柴油機的動力性下降，因此，整機效率降低。低轉速工況，進氣流量較小，致使空燃比減小，缸內燃燒效果較差，排氣能量低，使得增壓能力不足，進氣充量較小。高轉速工況，受壓氣機轉速和渦后溫度的限制，發動機進氣效率下降，進氣量不足，導致輸出轉矩減小。

圖4 不同海拔下全負荷工況輸出轉矩

1.2.2 經濟性

圖5是不同海拔下全負荷工況有效熱效率的變化。同一轉速工況，有效熱效率隨著海拔的上升而下降，中低轉速下降明顯，900 r/min降幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下有效熱效率最大降幅為14.8%。這是因為低轉速、高海拔下，較小的空燃比使得缸內混合氣燃燒滯后且燃燒不充分，放熱率質心后移，因此有效熱效率迅速下降。有效燃油消耗率的變化趨勢與之相反（圖6）。同一轉速工況，有效燃油消耗率隨著海拔的上升而增加。中低轉速工況增加明顯，900 r/min增幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下有效燃油消耗率最大增幅為17.4%。隨著海拔的上升，“油多氣少”的問題更加突出，缸內燃燒惡化，有效熱效率降低，使得油耗增加，整機經濟性下降。

圖5 不同海拔下全負荷工況有效熱效率變化

圖6 不同海拔下全負荷工況有效燃油消耗率變化

1.2.3 排放特性

圖7是不同海拔下發動機全負荷工況渦前溫度的變化規律。渦前溫度能夠間接反映缸內燃燒狀況和增壓器的狀態。同一轉速工況在2 000 m海拔及以下，渦前溫度隨著海拔的上升而增加，當海拔上升至4 000 m時，僅有發動機最大轉矩轉速（1 200～1 700 r/min）工況的渦前溫度隨著海拔的上升而增加。這是因為隨著海拔升高，進氣充量減小，混合氣濃度增加，空燃比下降，此時空燃比對排氣溫度的影響占主導地位。但高海拔條件下（3 000和4 000 m）低轉速和高轉速工況的渦前溫度隨著海拔的升高反而下降。這是因為高海拔環境下，大氣壓力低，進氣流量降低；國六柴油機為了降低DPF再生頻次而限制原始排氣中的煙度，調整了噴油量，缸內工質總放熱量減小，導致排氣溫度降低。3 000 m海拔下1 900 r/min的渦前排氣溫度最高，達到945.2 K。高溫有利于CO、HC的氧化和DPF的被動再生過程，但是會使SCR系統的效率降低，不利于高原地區的NOx排放控制。

圖7 不同海拔下全負荷工況渦前溫度變化

圖8是不同海拔下發動機全負荷工況排氣壓力（后處理入口）的變化規律。排氣壓力隨著海拔的升高呈下降趨勢，高原地區環境的大氣壓力小，有利于發動機排氣。當發動機后處理系統結構一定，排氣壓力主要取決于排氣流量，同時與排氣溫度和DPF的碳載量有關。4 000 m海拔下，900～1 100和1 900～2 100 r/min的進氣流量下降較快，使得排氣壓力下降明顯。加裝DPF的柴油機，排氣系統的阻力增加，使得整個轉速的排氣壓力和排氣溫度升高，影響增壓器效率［15］，進一步影響進氣充量，導致發動機的動力性、經濟性下降，尤其對低轉速工況的影響較大。

圖8 不同海拔下全負荷工況排氣壓力變化

圖9是不同海拔下發動機全負荷工況NOx排放的變化。NOx排放隨著海拔的上升呈增大的趨勢，中低轉速的NOx排放相對較高，整個轉速范圍內的NOx排放低于170×10-6。這是由于國六柴油機配備高效的SCR系統，能夠將大部分NOx催化還原。NOx的生成主要取決于燃燒過程中的O2濃度、燃燒溫度和反應時間［18］，SCR出口的NOx排放還受排氣溫度、尿素噴射策略、SCR轉化效率的影響。

圖9 不同海拔下全負荷工況NOx排放

圖10是不同海拔下發動機全負荷工況排氣中O2濃度（后處理出口）的變化規律。排氣中O2濃度隨著海拔的上升而減小，中低轉速工況下降明顯。4 000 m海拔900 r/min排氣中O2濃度僅為0.8%，降幅達到73.7%。由圖3可知，排氣中O2濃度隨海拔的變化情況與空燃比的表現相一致。DOC中CO、HC的氧化和DPF中碳煙的氧化都需要排氣中的O2，排氣中O2含量降低，會使DOC出口溫度降低，從而達不到DPF再生溫度，不利于DPF再生過程的進行。此外，高海拔條件下柴油機原始顆粒物排放增加，DPF的碳煙沉積速度較快，一旦再生不及時存在堵塞的風險。

圖10 不同海拔下全負荷工況排氣中O2濃度變化

1.3 不同海拔下部分負荷特性

1.3.1 經濟性

為了考查發動機在不同海拔不同轉速下等轉矩輸出特性，將發動機輸出轉矩設定為400 N·m，即40%負荷，輸出轉矩與功率如圖11所示。圖12是不同海拔下發動機40%負荷工況進氣流量的變化規律。同一轉速工況，進氣流量隨著海拔的上升而下降；同一海拔下，進氣流量隨著轉速的增加而降幅差異較小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下進氣流量最大降幅為35.0%，遠低于全負荷工況的最大降幅。圖13是不同海拔下發動機40%負荷工況空燃比的變化。同一轉速工況，空燃比隨著海拔的上升而下降，40%負荷工況的平均空燃比遠高于全負荷工況。同一海拔下，空燃比隨著轉速的增加而降幅減小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下空燃比最大降幅為42.1%。部分負荷工況的空燃比梯度較大，整個轉速范圍內空燃比整體較大，對進氣流量的依賴度減小，大部分轉速的進氣量是充足的。

圖11 40%負荷工況輸出轉矩與功率

圖12 不同海拔下40%負荷工況進氣流量變化

圖13 不同海拔下40%負荷工況空燃比變化

圖14是不同海拔下發動機40%負荷工況有效熱效率的變化。同一轉速工況，有效熱效率隨著海拔的上升而下降。中低轉速工況下降明顯，且轉速越小降幅越大；高轉速工況變化較小。900 r/min的降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下有效熱效率最大降幅為10.6%。這是因為中低轉速工況的空燃比對海拔的變化十分敏感，空燃比隨著海拔的上升而迅速降低，缸內燃燒效果逐漸變差，此時空燃比對有效熱效率的影響占主導地位。而高轉速工況的空燃比整體較大，海拔的變化對其影響較小，但高轉速工況的機械摩擦等損失較大，致使有效熱效率整體較低。有效燃油消耗率（圖15）與有效熱效率的趨勢相反，有效熱效率降低，則有效燃油消耗率增加。顯然，部分負荷中低轉速工況的油耗對海拔的變化較為敏感。

圖14 不同海拔下40%負荷工況有效熱效率變化

圖15 不同海拔下40%負荷工況有效燃油消耗率變化

1.3.2 排放特性

圖16是不同海拔下發動機40%負荷工況排氣溫度的變化。同一轉速工況，排氣溫度隨著海拔的上升而增加，中低轉速工況的增幅較大。900 r/min的增幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下渦前、渦后排氣溫度最大增幅分別為21.1%、19.8%。隨著海拔的上升，大氣壓力逐漸減小，進氣流量減小，不同海拔下為了輸出相同的轉矩，不得不增加循環供油量，提高缸內混合氣濃度，致使缸內燃燒溫度增加，導致排氣溫度升高。

圖16 不同海拔下40%負荷工況排氣溫度變化

圖17是不同海拔下40%負荷工況排氣壓力的變化。排氣壓力隨著海拔的上升而下降，中低轉速下降較為明顯。相比全負荷工況，部分負荷工況的進氣流量和排氣溫度均減小，排氣壓力也隨之減小。

圖17 不同海拔下40%負荷工況排氣壓力變化

圖18是不同海拔下發動機40%負荷工況NOx排放的變化。4 000 m海拔范圍內，NOx排放低于40×10-6，整個轉速范圍內排放較小，與海拔的變化沒有明顯的關系。由圖16（b）渦后排氣溫度可知，不同海拔下的渦后排氣溫度在590～800 K之間；考慮排氣進入SCR之前會存在溫降，進入SCR系統后恰好提供了適宜的溫度，此時SCR系統工作在高效區，使得NOx轉化效率較高。同時，該負荷下排氣流量相對較小，空速也較小，排氣在催化劑表面停留的時間變長，有助于NOx的催化還原。

圖18 不同海拔下40%負荷工況NOx排放

圖19是不同海拔下發動機40%負荷工況排氣中O2濃度的變化。同一轉速工況，排氣中O2濃度隨著海拔的上升而下降。同一海拔下，排氣中O2濃度隨著轉速的升高而降幅減小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下排氣中O2濃度最大降幅為65.7%。隨著海拔的上升，排氣中O2濃度的下降速率加快。這是因為同一海拔下，空燃比隨著轉速的升高而升高，低轉速的空燃比較小，隨著海拔的上升空燃比再次減小，缸內混合氣燃燒會消耗大部分O2。而DOC和DPF工作時也需要O2，使得排氣中的O2濃度進一步下降。當發動機運行在4 000 m海拔以上地區，排氣中O2濃度會再次降低，加之排氣溫度偏低，部分負荷工況下DPF的被動再生仍然面臨巨大的挑戰。

圖19 不同海拔下40%負荷工況排氣中O2濃度變化

2 DPF堵塞試驗

2.1 試驗方案

部分高原公路路況較差，經常出現雨雪等極端天氣，“陷車”的情況時有發生。當車輛起步時，由于車速小而需求轉矩大，發動機運行在低轉速大負荷工況，為了“脫困”，發動機長時間運行在這種工況下。由于空燃比較小，缸內燃燒生成大量碳煙，加之排氣中O2濃度較小，DPF再生困難，嚴重時可能造成堵塞。為此，探討極端情形下DPF堵塞的可能性十分必要。

利用高原環境模擬試驗臺架在4 000 m海拔開展DPF堵塞試驗。試驗前將煙度控制系數由1調整為1.2，發動機噴油提前角、軌壓等其他參數不變，以表示發動機高原標定“粗糙”或實地高原驗證不足的情況。試驗模擬柴油車在高海拔地區“陷車”并長時間“脫困”的過程，發動機持續運轉在低轉速大負荷工況，選取1 000 r/min作為試驗轉速，轉速保持不變，負荷依次增加（32%、60%、70%），實時記錄排氣壓力、排氣溫度（渦后）、排氣中O2濃度。一旦排氣壓力大于80 kPa，停止試驗。

2.2 試驗結果與討論

DPF堵塞試驗過程如圖20所示，整個試驗過程持續時間約630 s。前211 s發動機運行在第1個工況（1 000 r/min，32%負荷），空燃比為20.9，發動機工作穩定，轉矩輸出平穩，排氣中O2濃度較大，但排氣溫度和排氣壓力有所下降。這是因為發動機在高轉速工況熱機并進行了DPF被動再生，以此排除DPF先前沉積的碳煙對試驗的影響，使得第1個工況起始時刻排氣溫度較高，隨著時間推移，排氣溫度逐漸下降，排氣壓力隨之減小。

圖20 DPF堵塞過程排氣參數

211 s以后，發動機運行在第2個工況（1 000 r/min，60%負荷），由圖4可知，煙度控制系數調整前該轉速的最大轉矩為574.9 N·m，若不調整煙度控制系數達不到60%負荷。此時空燃比為15.2，缸內混合氣較濃，燃燒溫度較高，排氣溫度呈非線性趨勢迅速上升，排氣壓力逐漸升高，說明此時DPF中碳煙的沉積速率大于氧化速率。排氣中O2濃度急劇下降，O2濃度曲線波動表征缸內燃燒不穩定，也使得該工況的轉矩輸出不平穩。排氣中O2濃度較低不利于碳煙的氧化，會使DPF再生速率降低。

412 s以后，發動機運轉在第3個工況（1 000 r/min，70%負荷），但發動機已經達不到70%負荷。此時空燃比波動較大，約為14.9，已經接近理論空燃比，排氣溫度繼續升高，排氣壓力上升速率加快；排氣中O2濃度進一步下降，直到氣體分析儀的前置過濾器被堵死而測得的O2濃度為0。此時ECU中煙度控制功能界入，ECU根據估算的空燃比實時修正噴油量，導致發動機轉矩波動較大。根據曹明柱等［19］的研究，過量空氣系數為1.05時，排氣中的煙度超過4 FSN，轉速越小煙度越大；煙度超過3.5 FSN，排氣中就有可見煙。由此可知，排氣中有大量碳煙，DPF捕集的顆粒物迅速沉積。而排氣中O2濃度下降至1%，此時DPF再生更加困難。

在508 s附近發動機轉矩突然下降，在617 s處發動機停機（自動停機）。而排氣壓力短暫下降后極速上升，峰值達到了48.1 kPa，由于發動機停機后管路泄壓使得排氣壓力下降。國六DPF目數多、孔徑小，再生效率和頻次要求高。隨著發動機負荷的增加，排放的顆粒物明顯增加，一旦碳煙的沉積速率大于氧化速率，碳煙濾餅層不斷變厚，導致DPF壓降增加，且排氣壓力和溫度隨之增加，使得增壓器效率降低。同時，進氣充量再次下降，缸內燃燒更加惡化，排放的顆粒物進一步增加，排氣中O2濃度進一步減小，DPF再生速率進一步降低，形成惡性循環。當排氣壓力極速上升時，表明碳煙沉積達到了DPF堵塞的臨界點。

DPF堵塞后，嘗試在4 000 m海拔下起動發動機進行再生。經過多次拖動起動了發動機，起動十分困難。起動之后在怠速工況（即負荷為0）運行了接近60 s，排氣壓力不斷升高。將發動機調整至1 000 r/min、25%負荷工況，嘗試讓DPF被動再生，但排氣壓力增長十分迅速，最大排氣壓力已經達到80.9 kPa，為了保護發動機，立即停止運轉，再次起動過程的排氣壓力變化如圖21所示。試驗后將DPF的載體從后處理系統中拆下，DPF入口沉積了超過2 mm厚的積碳，DPF堵塞十分嚴重。

圖21 再次起動后排氣壓力變化

此外，由于進排氣海拔模擬系統的局限性，無法模擬高原高寒環境，還應該考慮可能造成DPF堵塞的其他極端情形：

（1）冬季高原地區，外界溫度很低，排氣管路及后處理系統散熱損失大，DPF內部達不到再生所需溫度。

（2）由于排氣中有大量水汽，低溫天氣造成后處理系統結冰，出現“冰堵”，導致發動機無法起動或起動后積碳迅速沉積而DPF堵塞。

（3）高原地區油品質量難以保證，長時間使用含硫化物、金屬化合物較高的燃油，DPF的灰分增加，加速DPF老化，影響DPF的捕集效率和再生能力。

（4）高原環境下DPF壓差等關鍵傳感器失效，高原標定試驗“粗糙”或驗證不充分，以及現有的再生控制策略失效，都會增加DPF堵塞的風險。

3 結論

（1）隨著海拔的上升，發動機的進氣流量、空燃比、有效熱效率，排氣中O2濃度、排氣壓力呈非線性減小，有效燃油消耗率、排氣溫度呈不同幅度增加；動力性、經濟性下降明顯，排放性能惡化。

（2）全負荷工況對海拔的變化更加敏感，特別是低轉速和高轉速的性能降幅較大；而對部分負荷工況，海拔變化主要影響中低轉速的性能，高轉速影響較小。

（3）極限高原環境下，國六柴油機持續運轉在低轉速大負荷工況，排氣中顆粒物較多而O2濃度較小，DPF碳煙沉積較快但再生困難，可能出現DPF堵塞。