非道路移動機械用發動機高原特性及性能提升研究

【摘要】采用高原臺架模擬試驗法對一款采用廢氣再循環（EGR）技術的滿足非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值（第四階段）標準的柴油機進行了高原特性研究，分析了該柴油機隨海拔的升高在排放、動力性及燃油經濟性方面的變化趨勢，進一步探究了EGR技術在高原環境中對性能提升的積極作用，并基于該機型技術特點提出了高原性能優化標定方法，以提升高原動力性。

關鍵詞：非道路 柴油機 高原特性 廢氣再循環技術

中圖分類號：U464" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240365

Research on High Altitude Characteristics and Performance Improvement of Engines Used in Nonroad Mobile Machinery

Wang Zhengyong， Su Xin， Guo Hongshan， Wang Zhengxue， Xu Zhi， Di Liqing

（FAW Jiefang Dalian Diesel Engine Co.， Ltd.， Dalian 116600）

【Abstract】This paper uses the high-altitude bench simulation test method to study the high-altitude characteristics of a non road four stage diesel engine with EGR technology route. It analyzes the changes in emissions， power and fuel economy of diesel engines with the increase of altitude in the EGR technology route， further explores the positive effect of EGR technology on performance improvement in high-altitude environments， and proposes a high-altitude performance optimization calibration method based on the technical characteristics of this model. Adopting this method helps to improve the engine’s high-altitude power performance.

Key words： Non road， Diesel engine， High altitude， Exhaust Gas Recirculation （EGR） technology

【引用格式】 王政勇， 蘇欣， 郭洪山， 等. 非道路移動機械用發動機高原特性及性能提升研究[J]. 汽車工程師， 2025（2）： 14-21.

WANG Z Y， SU X， GUO H S， et al. Research on High Altitude Characteristics and Performance Improvement of Engines Used in Nonroad Mobile Machinery[J]. Automotive Engineer， 2025（2）： 14-21.

1 前言

高原環境大氣壓力低、空氣稀薄、氧氣含量小，柴油機在高原環境下工作時缸內燃燒惡化、性能下降，故研究高原對柴油機性能的影響對改善柴油機高原適應性有重要意義。目前，國內外學者針對柴油機高原特性的研究多集中于柴油機燃燒過程、污染物排放特性、代用燃料及空氣系統優化等方面[1-4]，對于采用廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術的非道路移動機械用柴油機的高原特性研究較少。為此，本文利用發動機高原模擬試驗臺架，對一款應用EGR技術且滿足非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值（第四階段）（簡稱“非道路國四”）標準的柴油機進行不同海拔條件下的性能測試試驗，基于試驗結果研究該技術對柴油機高原特性的影響和柴油機性能提升方法。

2 柴油機高原模擬試驗

2.1 試驗方法

國內外學者對柴油機高原特性的研究主要有3種方法，即熱力循環模擬計算法、臺架模擬試驗法、實地臺架試驗法[5]。本文采用臺架模擬試驗法，在2 000 m海拔試驗室進行海拔性能測試試驗，并利用進、排氣高原模擬設備進行其他海拔相關測試試驗。該試驗方法可以系統對比各參數對發動機性能的影響，試驗結果重復性好且成本較低。

2.2 發動機主要參數

本文的研究對象為某公司某款非道路國四發動機產品，其技術路線為EGR+氧化催化轉化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）+顆粒過濾器（Diesel Particulate Filter，DPF），產品主要參數如表1所示。

2.3 試驗方法及數據采集

臺架進、排氣系統模擬海拔0 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m處大氣壓力狀態并控制進氣溫、濕度，具體控制參數如表2所示。在不同海拔條件下開展外特性和負荷特性試驗，采集進氣量、增壓壓力及增壓器轉速等相關參數和扭矩、油耗、煙度、氮氧化物（NOx）等測試結果，以分析不同海拔條件下非道路國四EGR技術發動機的性能變化趨勢。

3 海拔對柴油機性能的影響

3.1 海拔對發動機進氣量的影響

試驗所用發動機采用進氣閉環控制，即由進氣流量傳感器測量發動機進氣總管新鮮進氣量，并通過調節EGR閥開度實現對進氣量的閉環控制，以滿足非道路國四NOx排放控制要求。隨著海拔升高，大氣壓力和密度逐步下降，實際進氣量減少，EGR閉環調節作用逐漸減弱，直至EGR閥全部關閉。新鮮進氣量變化趨勢如圖1所示。

由圖1可知，1 000 r/min以下低速區域進氣量受海拔影響顯著，該區域增壓器作用較小，進氣量主要由發動機排量和進氣密度決定，隨海拔升高逐漸下降。1 200 r/min以上轉速區域進氣量受EGR調節作用明顯，由圖1可以看出，2 000 m以下海拔進氣量接近一致，3 000～4 000 m海拔進氣量接近一致，均受到進氣閉環控制的影響。其中，1 200～1 600 r/min之間進氣量隨海拔上升降幅較小，主要是由于該區域不受增壓器轉速限制，增壓器對高原進氣量的補償能力較強。1 800 r/min以上轉速區域進氣量則因受增壓器最高轉速限制而呈現明顯的下降趨勢。

3.2 海拔對增壓器性能的影響

隨著海拔升高、大氣壓力下降，渦輪增壓器的渦端背壓減小、膨脹比增大、渦輪轉速升高，見圖2；且增壓絕對壓力減小，見圖3；同時，進氣流量降低，壓氣機壓比增大，修正進氣流量增加，發動機與壓氣機聯合運行曲線向高壓比大流量區域偏移，增壓效率偏離高效區，低速區域更接近喘振線，高速區域更接近超速線，見圖4。因此，增壓器高原匹配時應考慮足夠的超速裕度和喘振裕度。

針對本文所用柴油機，增壓器轉速保護是限制其高原最大功率的重要因素。增壓器轉速在萬有特性中隨轉速、負荷的升高而升高，整體變化趨勢與等功率線趨勢一致，如圖5所示，且海拔越高，相同轉速負荷下增壓器轉速越高。由圖2可知，在增壓等壓段，海拔每升高1 000 m，增壓器轉速約升高7%。因此，隨海拔升高，受增壓器轉速保護限制的外特性范圍越廣，在本文測試試驗中，海拔4 000 m條件下1 800 r/min以上轉速最大功率受增壓器保護限制，海拔5 000 m條件下受限范圍擴張至1 600 r/min。

3.3 海拔對發動機動力性的影響

高海拔區域發動機低速動力性受進氣量影響而嚴重下降，該區域過量空氣系數較小，發動機燃燒惡化，燃油經濟性下降，煙度和一氧化碳（CO）排放量急劇升高。為了保證發動機正常工作，可通過減小噴油量來保證一定的空燃比，減小冒煙等不良現象，但會進一步導致動力性降低。高速動力性則受增壓器保護限制，通常可通過減小噴油量來降低廢氣能量，從而達到降低增壓器轉速的目的，但同樣會導致動力性降低。

該款發動機在不同海拔下的外特性扭矩及動力性損失結果如圖6、圖7所示，由數據對比可以看出：海拔2 000 m處外特性動力性幾乎未受影響；在海拔3 000 m、轉速為800 r/min左右時，為了保證一定的空燃比和控制煙度，降低了燃油噴射量，扭矩降低了45%，高速區域動力性未受影響；在海拔4 000 m、轉速為2 000 r/min以上區域，為降低增壓器轉速，減小了噴油量，功率略有降低，額定點功率降低了9%左右，低速動力性影響較大，在1 000 r/min以下區域作減油處理，功率損失達到50%左右；在海拔5 000 m、轉速為1 600 r/min以上的中高速區域受增壓器超速限制，整體功率降低較多，額定點功率最高降幅達28%，低速噴油量、扭矩與4 000 m海拔處基本一致，但空燃比較低，煙度有所增大，如圖8、圖9所示。

3.4 海拔對發動機經濟性的影響

有效燃油消耗率是衡量發動機經濟性能的重要指標。根據相關研究[6]，有效燃油消耗率與機械效率和指示熱效率有關，可表示為：

be=[3.6×106ηitηmHu] （1）

式中：be為有效燃油消耗率， ηm為機械效率，ηit為指示熱效率，Hu為所用燃油的低熱值。

本文中各海拔進、排氣相對壓力控制一致，對環境及發動機水溫進行恒溫控制，各點功率相同的情況下，海拔變化對發動機機械效率ηm的影響較小。有效燃油消耗率be主要由指示熱效率ηit決定，對于同一發動機，ηit的取值與不同海拔下進氣量及標定控制策略緊密相關。

非道路國四標準對海拔1 700 m以下區域運行的機械有在用符合性排放控制要求，本文所用發動機在該區域范圍內排放控制要求相比高海拔區域更加嚴格。此區域相關轉速下的EGR率更高，過量空氣系數更小，軌壓及噴油提前角均較小，導致指示熱效率ηit相對較低，燃油消耗率be高于高海拔區域，如圖10、圖11所示。

在海拔3 000 m以上區域，排放控制策略基本一致，柴油機的燃燒效率與進氣量相關，隨著海拔升高，燃油消耗率與進氣量變化趨勢基本一致，海拔每上升1 000 m，燃油消耗率約提高1%～2%，如圖12所示。

3.5 海拔對發動機排放的影響

隨著海拔升高，發動機NOx排放量整體呈現先增高后減小的趨勢，在海拔3 000 m時NOx排放量達到峰值，如圖13、圖14所示。這與發動機在海拔2 000 m上、下排放控制策略不一致有關。海拔2 000 m以下區域，進氣量閉環控制，隨著海拔升高，為保證新鮮進氣量一致，EGR閥開度減小，EGR率降低，導致NOx排放量升高；海拔2 000 m以上區域，EGR閥基本關閉，但海拔越高，進氣量越小，氧氣含量越低，導致NOx排放量下降。隨海拔升高，在萬有特性圖上，NOx排放峰值區域向高轉速偏移，如圖15所示，可以看出發動機高效燃燒區隨海拔升高向高轉速區偏移的趨勢，這與高海拔地區低轉速區進氣量下降過快、過量空氣系數向高速區偏移有關，如圖16所示。

穩態工況煙度采用濾紙式煙度計測量，煙度大小與空燃比、EGR率密切相關，同海拔下外特性煙度呈現“中間低、兩邊高”的形態，如圖17所示。隨海拔升高，低轉速進氣量減小，煙度增大，中高轉速區域由于EGR閥的逐漸關閉和“減油”措施，空燃比增大，煙度降低。部分負荷由于空燃比較大，整體煙度較小，且隨著海拔升高略有降低的趨勢，如圖18所示。

4 EGR技術對柴油機高原性能的影響

EGR技術能夠有效降低NOx排放量，是目前內燃機行業NOx排放控制的主要技術手段之一，該技術通過內置或者外置EGR管路將排氣中高濃度的CO2再次引入氣缸，提高缸內混合氣比熱容，降低燃燒最高溫度，同時降低混合氣氧濃度，由此抑制NOx的產生。但該技術會減小發動機的新鮮進氣量，尤其是在高海拔地區，空氣密度的降低會導致進氣量進一步減小，對發動機高原動力性、排煙等產生負面影響。本文通過試驗進一步探究EGR技術在高原地區對柴油機性能是否有其他積極影響。

4.1 EGR對高海拔條件下柴油機動力性及油耗的影響

EGR路線柴油機為了保證在排放控制區均能實現廢氣再循環，通常匹配小蝸殼增壓器，以滿足中低速EGR閥前與閥后的合理壓差需求，但這會導致高速大負荷區域出現排氣堵塞現象，排氣背壓高，泵氣損失大，燃油經濟性下降。開啟EGR可以降低渦前壓力，減小發動機泵氣損失，在空燃比合適的范圍內，發動機燃油經濟性和動力性均有所提高。該特性在高海拔條件下對柴油機依然有效果。圖19、圖20所示為該款發動機在模擬海拔4 000 m條件下某一高速工況的EGR特性圖。在發動機單次噴射量固定的前提下，隨EGR閥開度的增大，渦前壓力和空燃比逐漸減小，扭矩表現出“先增后減”的趨勢，對應最佳比油耗也出現在中間的某一EGR閥開度上。試驗表明，對于高海拔柴油機，在其高速段適當開啟EGR對提高發動機動力性和經濟性有積極作用。

4.2 EGR對高海條件下拔柴油機增壓器轉速的影響

隨著海拔升高，增壓器轉速升高，過高的增壓器轉速會導致增壓器葉片異常磨損、斷軸等質量問題，所以柴油機高原標定中增壓器轉速保護標定極為重要，通常會通過減小噴油量來降低渦前廢氣能量，從而達到降低增壓器轉速的目的，但會減小發動機的輸出功率。采用EGR技術可以使一部分廢氣不通過渦輪做功而直接進入發動機，在保證一定空燃比的條件下，增壓器轉速和發動機輸出功率均可得到保證。

圖21所示為該款發動機在模擬海拔4 000 m條件下某一高速工況不同EGR閥開度對增壓器轉速、增壓壓力的影響。試驗結果表明，EGR閥開啟后增壓器轉速可大幅度降低，EGR閥開度每增加10%，增壓器轉速下降約4 000 r/min，雖然增壓壓力也隨之降低，進氣量略有減小，但輸出扭矩和煙度并未明顯惡化，如圖22所示。

5 非道路國四EGR路線柴油機高原性能提升方法研究

從上述采用非道路國四EGR技術的柴油機高原特性分析結果可以看出，隨著海拔升高，發動機在高、低速區域的動力性和經濟性明顯惡化，科研人員對如何改善高原發動機性能開展了大量研究。朱振夏等人認為增壓中冷柴油機具有顯著的高原功率補償能力，并對增壓系統進一步的改進方案進行了分類[7]；李曉然等人從發動機本體改造、富氧燃燒以及燃料改變等3個方面提出了改善柴油機高原性能的措施[8]；韓愷等人對可調復合增壓方案進行了仿真研究，結果表明，該方案可明顯改善柴油機低速特性并抑制喘振傾向[9]。以上研究從不同角度提出了改善柴油機高原性能的方案，但均需對發動機硬件進行升級改造，增加發動機開發和制造成本，本文結合對非道路國四EGR路線柴油機高原特性的研究，從工程應用角度提出高原性能的提升方法。

5.1 發動機高原細化標定

利用環境壓力傳感器識別整車海拔高度并以此對發動機控制進行精細化修正，在滿足排放法規的前提下盡可能提升發動機高原性能。

在高海拔地區，隨著進氣量減小，柴油機壓縮沖程終點缸內溫度降低，滯燃期變長，燃燒重心后移，經濟性變差，提高燃油噴射壓力和延后噴油時刻可以縮短滯燃期，提高燃油經濟性，但也會減小增壓器轉速和進氣量。在平原地區，這種程度的進氣量變化對發動機性能影響較小，但在高海拔地區對缸內燃燒影響明顯，這導致高原環境下燃油噴射壓力及噴油時刻的標定所需要考慮的因素更加復雜。在不同海拔條件下對燃油噴射壓力及噴油時刻進行優化標定，確定最佳噴射壓力和噴油時刻，對提高發動機高原性能有積極效果。

本文所用柴油機在海拔4 000 m某一工況下的燃油噴射壓力特性如圖23、圖24所示，噴射壓力每提高10 MPa，增壓器轉速下降約700 r/min，進氣量也隨之降低，燃油消耗量呈上升趨勢，煙度總體較小，最佳噴射壓力在150 MPa附近。噴油時刻特性如圖25、圖26所示，隨噴油時刻提前，增壓器轉速也呈下降趨勢，且降低幅度逐漸減小，進氣量略有降低，但受噴油時刻提前的影響，燃燒并未明顯惡化，在噴油時刻12°～13°曲軸轉角（Crank Angle，CA）下的比油耗基本持平。

5.2 高原EGR技術的擴展應用

為了解決發動機在高海拔地區的增壓器超速問題，行業內常規的標定方法是通過減小超速區域供油量來降低增壓器轉速，但會導致發動機輸出功率下降。依據前文分析，EGR技術對柴油機性能的影響不僅體現在對NOx排放量的控制上，而且在高海拔地區也可以作為一種增壓器機械放氣閥的補充控制措施，對增壓器廢氣能量進行一定的調節，可有效避免因增壓器超速保護而導致的功率損失。圖27所示為本文所用柴油機在海拔4 000 m條件下，分別采用常規的增壓器保護標定方法和采用高原EGR技術的增壓器保護標定方法獲得的外特性輸出功率對比結果，由試驗結果可以看出，采用高原EGR技術可以明顯提升高轉速區域的輸出功率。

高原EGR技術應用在采用傳統廢氣渦輪增壓器的發動機上，可以在不改變發動機結構和成本的基礎上，簡便有效地緩解增壓器超速問題。

6 結束語

本文對一款采用EGR技術的非道路國四柴油機進行高原進氣特性、增壓器性能、動力性、經濟性以及排放特性研究，著重研究了EGR技術在高海拔地區對發動機的影響和作用，并從產品工程應用角度提出了提升非道路國四發動機高原性能的標定思路和方法，以期為此類產品的開發提供借鑒。

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（責任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2024年11月1日。