國六重型柴油機附件優化對燃油經濟性及排放性的影響

摘要： 基于13 L國六重型柴油機，通過臺架試驗探究了機油泵、水泵以及空壓機三種附件的優化對柴油機經濟特性和排放特性的影響，并得出各附件的貢獻度占比，為后續優化提供方向。結果表明：在原機的基礎上，通過更換小流量機油泵、小流量水泵以及采用空壓機節能模式或者拆除空壓機，無論是在外特性工況點還是在最佳熱效率工況點，燃油消耗率均有不同程度的降低，熱效率得以提升。對于附件優化前后的排放，在外特性工況點和最佳熱效率工況點，機油泵的優化使排溫升高、NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機的優化使排溫降低、NO_x降低、Soot升高。最佳熱效率工況點下，三個優化附件中，水泵的優化對熱效率提升貢獻度最大，占比高達43.56%，而機油泵和空壓機的優化貢獻度相近，約為28%。

關鍵詞： 重型柴油機；附件；優化；燃油經濟性；排放特性

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.005

中圖分類號： TK413" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001-２２２２（２０24）０6-００032-０6

近年來，汽車保有量不斷升高，且日益嚴格的排放法規及國家“碳達峰”“碳中和”的政策對車用發動機經濟性能和排放性能的要求進一步提高，而車用柴油機的碳排放又是交通行業中碳排放的主要來源，因此對柴油機碳排放的優化控制至關重要［1-2］。

與此同時，商用車油耗的高低對用戶來說至關重要，且低油耗發動機所產生的碳排放也相應較低，因此改善發動機的燃油經濟性、提升熱效率也是各發動機廠商研發任務的重中之重。濰柴動力發布了全球首款本體熱效率51.09%的柴油機，進一步提升了柴油機的最高熱效率［3］；劉明超等［4］將仿真與試驗相結合，合理匹配增壓器進而提升發動機熱效率；李軍成等［5］通過優化燃燒室及壓縮比，進一步提升了柴油機的熱效率。

由此可見，越來越多的科研院所、企業加大了對柴油機熱效率提升的研究力度以降低碳排放和油耗。而發動機的附件功耗對油耗損失的占比也不容小覷。其中，S. J. JEONG等［6］采用離合式水泵，降低了發動機燃油消耗和CO2的排放；S. M. A. RAHMAN等［7］分析了空壓機轉速變化對發動機燃燒的影響，進一步優化燃油經濟性；吳磊等［8］在整車上通過在智能電機、高效空調及電動轉向等方面的優化，NEDC工況可節油7.47%；S. S. HOU等［9］以燃料能量百分比表征附件熱損失、摩擦損失和可變比熱，研究其對柴油循環發動機性能的影響，為實際循環的節油分析提供指導。

此外，目前關于發動機附件的研究大多集中在其耐久度及NVH性能等方面［10-11］，對于多個附件優化所帶來的燃油經濟性改善及節能貢獻度相關的研究較少。為此，本研究通過臺架試驗探究了機油泵、水泵以及空壓機等三種附件功耗的優化對柴油機經濟特性和排放特性的影響，并得出各附件的貢獻度占比，為后續進一步的附件優化提供開發方向。

1 試驗臺架及研究方案

1.1 試驗臺架及設備

以一臺13 L六缸四沖程高效增壓柴油機為研究對象，詳細技術參數如表1所示。發動機試驗測試平臺示意圖如圖1所示。

試驗過程中，采用AVL INDY S66-4電力測功機控制并記錄發動機負荷和轉速，發動機冷卻水溫度控制在（90±1） ℃，進氣流量由SENSYCON Sensy空氣流量計測得，單位時間柴油消耗量由AVL 7351 CST油耗儀測得，NO_x排放由HORIBA MEXA-7200D測得，Soot排放由AVL 483煙度計測得，采用博世公司ECU通過INCA標定軟件實現對發動機噴油參數的靈活調控。

1.2 試驗方案

本研究通過優化機油泵、水泵以及空壓機三個附件，與原機進行單一變量的優化對比試驗，相應附件的優化內容如表2所示。其中，所采用的大小流量機油泵的傳動比相同，在額定點其流量相差20 L/min；大小流量水泵指的是水泵額定點的功耗不同，原機的大流量水泵在額定點的流量、揚程、軸功率均大于小流量水泵，其中流量相差51 L/min，泵效率相差6.2%；原機的空壓機為空載模式，優化采用兩種模式進行試驗，其中拆除時如圖2所示，而節能模式是通過結構優化進而降低排氣背壓實現節能。優化后的附件在前期已通過試驗驗證，滿足發動機正常工作所需的機油壓力以及熱平衡等狀態，可維持車輛的正常工作。同時，因優化的附件尚未量產且涉密，具體參數不再公布。

試驗過程中，更換單一附件分別進行外特性試驗和萬有特性試驗，并記錄相應的試驗數據。其中，燃油噴射時刻、軌壓等參數均采用同一標定map，燃油選用國Ⅵ標準柴油。在后續分析過程中，本研究僅選取具有代表性的外特性工況點和該發動機的最佳熱效率工況點（brake thermal efficiency，簡稱BTE點），BTE工況點的油耗越低，意味著該發動機的最大熱效率越高，對進一步的節能減排起到至關重要的作用。

為更好地比較各附件優化后對發動機經濟性能的提升程度，提出優化油耗貢獻度這一概念，具體公式如下：

貢獻度=單一附件優化油耗（優化前-優化后）三個附件油耗優化之和。

2 試驗結果分析

2.1 附件對外特性工況點油耗及排放的影響

2.1.1 機油泵的影響

圖3示出機油泵對外特性工況點相對燃油消耗率及相對排溫的影響。如圖所示，相對燃油消耗率均為負值，小流量機油泵油耗在任一轉速下的外特性點均低于大流量機油泵油耗，說明小流量機油泵經濟性更佳。隨著轉速的增加，相對燃油消耗率先升高后降低，在1 200 r/min時差值的絕對值最低；而相對排溫隨著轉速的增加呈現出先降低后升高的趨勢，在2 000 r/min達到峰值。其中，在1 800 r/min下額定點油耗降低0.62 g/（kW·h），轉速1 100 r/min下油耗降低0.38 g/（kW·h），降幅最大的為2 000 r/min時降低0.78 g/（kW·h）。對于排溫，在800～1 100 r/min時排溫相近，差值在0附近波動，隨著轉速的提升，兩機油泵排溫差隨著轉速的增加而增大。

造成上述油耗降低的主要原因如圖4所示。摩擦扭矩差值均為正值，而發動機的摩擦扭矩通常用負值表示，這說明當使用小流量機油泵時，在任一轉速下，小流量機油泵發動機倒拖所產生的摩擦扭矩均低于使用大流量機油泵時的摩擦扭矩，且轉速越大，摩擦扭矩的差值則越大。同樣地，小流量機油泵對應的摩擦功率也低于大流量機油泵，在低轉速時相差不大，隨轉速增加，二者差距增大。轉速1 100 r/min下，小流量機油泵摩擦功率共降低0.41 kW，摩擦扭矩降低3.6 N·m；在1 800 r/min額定點，小流量機油泵摩擦功率共降低0.94 kW，摩擦扭矩降低5 N·m。由此可見，采用小流量機油泵降低了機械功，從而減少了所需求的發動機燃料燃燒產生的熱能，進而降低了油耗。

圖5示出不同機油泵的相對比排放。由圖5可知，隨著轉速的增加，NO_x相對比排放為正值，先降低后升高，在1 200 r/min時差值最低，而Soot相對比排放為負值，先略有升高后大幅降低。這說明當采用小流量機油泵時，相比于大流量機油泵的排放，Soot排放有所降低，但NO_x排放有所增加，特別是在中高轉速時，二者差距拉大。這主要是因為當采用小流量機油泵時，發動機排溫相對更高（見圖3），后期高溫對Soot的氧化能力提升，導致Soot降低；同時由較高的排溫可推測采用小流量機油泵時其燃燒溫度可能也較高，因此使得NO_x生成升高。

2.1.2 水泵的影響

圖6所示為水泵對外特性工況點相對燃油消耗率及相對排溫的影響。如圖所示，燃油消耗率差值為負值，隨著轉速的增加，相對燃油消耗率先增加后降低，其差值的絕對值在1 000 r/min達到最低；而相對排溫差值也為負值，呈現出先降低再升高的趨勢。因此，對于兩種不同流量的水泵，在油耗方面，小流量水泵油耗在任一轉速下的外特性點均低于大流量水泵的油耗，在排溫方面，小流量水泵在任一轉速下均低于大流量水泵的排溫，特別是中低轉速下格外明顯。

造成上述油耗降低的主要原因如圖7所示，當使用小流量水泵時，在任一轉速下，發動機倒拖所產生的摩擦扭矩均低于使用大流量水泵時的摩擦扭矩，且在中高轉速下其差值顯著。同樣地，小流量水泵對應的摩擦功率也低于大流量水泵，但在低轉速時相差不大，隨轉速增加，二者差距增大。轉速為1 100 r/min時，小流量水泵摩擦功率共降低0.19 kW，摩擦扭矩降低1.7 N·m；在1 800 r/min額定點，小流量水泵摩擦功率共降低0.67 kW，摩擦扭矩降低3.6 N·m。由此可見，采用小流量水泵降低了機械功，從而降低了燃油消耗率。

圖8所示為不同水泵的相對比排放。由正負關系可知，NO_x與Soot排放存在trade-off的關系，轉速增加，NO_x與Soot排放差值總體呈現出增大的趨勢。當采用小流量水泵時，相比于大流量水泵的排放，NO_x排放有所降低，但Soot排放有所增加。同樣是因為當采用小流量機油泵時，發動機排溫（見圖6）及缸內平均燃燒溫度相對更低，導致后期對Soot的氧化能力減弱，Soot排放增加，而相對較低燃燒溫度使得NO_x的生成降低。

2.1.3 空壓機的影響

將空壓機拆除和節能模式下的特性與空壓機空載時的特性進行對比，圖9所示為空壓機對外特性工況點相對燃油消耗率及相對排溫的影響。由圖可知，在油耗方面，兩種模式下與空載時的油耗差值均為負值，同時可以看出，空壓機拆除時在任一轉速下的外特性油耗均為最低油耗，其次為空壓機節能模式。其中，在1 800 r/min額定點空壓機拆除時的油耗比空載時降低1.12 g/（kW·h），而節能模式下僅比空載時降低0.088 g/（kW·h），轉速1 100 r/min下空壓機拆除時的油耗比空載時降低0.77 g/（kW·h），而節能模式下僅比空載時降低0.23 g/（kW·h）。對于相對排溫，空壓機拆除時的排溫在各轉速下均最低，特別是中低轉速下格外明顯，而空壓機空載與節能模式下的排溫相差不大，其差值在0附近波動。

造成上述油耗降低的主要原因如圖10所示，當空壓機拆除時，在任一轉速下，倒拖所產生的摩擦扭矩均低于空壓機空載及節能模式時的摩擦扭矩，且在中高轉速下其差值顯著。同樣地，空壓機拆除時對應的摩擦功率也最小，但在低轉速時相差不大，隨轉速增加，二者差距增大。在轉速1 100 r/min下，空壓機拆除時的摩擦功率比空載時降低0.87 kW，而節能模式下比空載時降低0.43 kW；在1 800 r/min額定點，空壓機拆除時的摩擦功率比空載時降低1.91 kW，而節能模式下比空載時降低1.01 kW。由此可見，空壓機的優化對發動機經濟性的降低具有一定作用。

圖11所示為不同空壓機模式的相對比排放。相比于空壓機空載及拆除兩種狀態，當采用空壓機節能模式時，其NO_x排放最低（比排放差值為負），Soot排放略高（比排放差值為正）。通過分析發動機排溫（見圖9）及缸內平均燃燒溫度可知，當空壓機采用節能模式時，其燃燒溫度及排溫較低，后期對Soot的氧化能力降低，Soot排放增加，而與Soot形成相互制約關系的NO_x生成降低。

2.2 附件對BTE工況點油耗及排放的影響

圖12所示為各附件在優化前后的油耗差值以及對油耗降低的貢獻度。由圖可知，小流量水泵在三個附件中對降低油耗的貢獻度最大，水泵優化前后在BTE點的燃油消耗率差值為0.617 g/（kW·h），貢獻度高達43.56%；而機油泵和空壓機對油耗優化的貢獻度相近，空壓機優化后燃油消耗率降低了0.41 g/（kW·h），貢獻度為28.92%，而機油泵優化后燃油消耗率降低了0.39 g/（kW·h），貢獻度為27.52%。此外，根據圖12所示菱形點可知，當空壓機拆除時重新計算的貢獻度也僅為38.1%，低于水泵優化帶來的收益。

由此可以得出，為更好地提升該柴油機BTE工況點的熱效率，在附件優化方面，水泵的優化對經濟性的貢獻度更高，機油泵和空壓機的優化帶來的經濟效益相對較低，特別是空壓機的優化存在一定限制，后續可在滿足柴油機機油壓力和熱平衡的狀態下，繼續對水泵和機油泵進行優化。

圖13示出附件優化對BTE點排放的影響。由于NO_x與Soot排放生成機理的相互制約關系，無論哪個附件優化，其中一種排放物的增加或降低必然使另一種排放物產生相反的趨勢。不同的是機油泵的優化使得NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機的優化使得NO_x降低、Soot升高。且同一附件優化下，Soot排放產生的變化量均大于NO_x排放的變化量。這主要是因為附件優化前后可能會造成發動機缸內的燃燒溫度、壓力以及當量比發生小幅度的變化，影響了NO_x和Soot生成的條件，同時由前文可知，排氣溫度也會出現一定的升高或降低，進而影響了后期對排放物的氧化。

3 結論

通過在國六重型柴油機上進行三種附件的試驗研究，探究了附件的優化對燃油經濟性能及排放性能的影響，得出結論如下：

a） 在滿足發動機正常運行的條件下，在原機的基礎上，通過更換小流量機油泵、小流量水泵以及采用空壓機節能模式或是拆除空壓機，無論是在外特性工況點還是在最佳熱效率工況點，燃油消耗率均有不同程度的降低；

b） 在最佳熱效率工況點，三個優化附件中，水泵的優化對熱效率提升貢獻度最大，占比高達43.56%，而機油泵和空壓機的優化貢獻度相近，約為28%；

c） 對于附件優化前后的排放，無論是外特性工況點還是最佳熱效率工況點，機油泵的優化使得排溫升高、NO_x增加、Soot降低，而水泵和空壓機的優化使得排溫降低、NO_x降低、Soot升高。

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Influence of Accessory Optimization on Fuel Economy And Emission Characteristics of China Ⅵ Heavy-Duty Diesel Engine

FENG Shuang，AN Yuguang，LI Hao，WANG Jiao，ZHANG Liangliang

（Automotive Research Institute of China Heavy Duty Automobile Group Co.，Ltd.，Jinan 250000，China）

Abstract： Based on a 13 L China Ⅵ heavy-duty diesel engine， the influence of optimizing the accessories such as oil pump， water pump and air compressor on the fuel economy and emission characteristics of diesel engine was explored and analyzed through bench tests， and the contribution ratio of each accessory was acquired， which provided the direction for the subsequent optimization. The results show that replacing the low-flow oil pump， low-flow water pump and adopting the energy-saving mode of air compressor or removing the air compressor on the original engine can reduce the specific fuel consumption to different degrees and improve the thermal efficiency both at the external characteristic working point and the optimal thermal efficiency working point. Under the two mentioned conditions， the optimization of oil pump resulted in an increase in exhaust temperature and NO_x emission and a decrease in soot emission， while the optimization of water pump and air compressor led to a decrease in exhaust temperature and NO_x emission and an increase in soot emission. At the optimal thermal efficiency working point， among the three optimization accessories， the optimization of water pump had the largest contribution to the improvement of thermal efficiency as much as 43.56%， while the optimization contributions of oil pump and air compressor were both about 28%.

Key" words： heavy-duty diesel engine；accessory；optimization；fuel economy；emission characteristics

［編輯： 潘麗麗］

作者簡介： 馮爽（1991—），男，碩士，主要研究方向為內燃機工作過程優化與控制；fengshuang@sinotruk.com。