增壓汽油機高原性能與排放仿真計算

李 磊，郝利君，付秉正，李紫帝 Li Lei，Hao Lijun，Fu Bingzheng，Li Zidi

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增壓汽油機高原性能與排放仿真計算

李 磊1，郝利君2，付秉正2，李紫帝2Li Lei1，Hao Lijun2，Fu Bingzheng2，Li Zidi2

（1. 北京理工大學 汽車動力性與排放測試國家專業實驗室，北京 100081；2. 北京電動車輛協同創新中心，北京 100081）

利用GT-power軟件建立某1.4 T增壓汽油機模型，模擬在不同海拔下發動機外特性的動力性和經濟性的變化情況，全負荷下HC，CO，NO比排放的變化情況。結果顯示：在低速時，隨海拔上升，汽油機的平均有效壓力下降較大，最大達到42%；燃油消耗率在800～1 800 r/min下降比較明顯，最高達10%；全負荷下CO比排放隨海拔的上升整體呈下降趨勢；全負荷下HC比排放隨海拔的升高而升高；NO比排放在全負荷時隨海拔上升呈現先增加后降低的趨勢。

增壓汽油機；高海拔；經濟性；動力性；排放

0 引 言

在高原地區，由于海拔高度的變化會導致大氣壓力以及大氣溫度發生變化，這會對受進氣能力限制的發動機動力性產生影響；因此，深入研究發動機的動力性、經濟性與海拔高度之間的關系十分重要。

同時，海拔環境下汽車性能的變化規律作為排放法規細化的一個方向，正逐步得到重視和關注，美國已經在汽車排放法規中加入了海拔環境下的試驗內容，我國海拔1 000 m以上地區占陸地面積的60%，更應該對其加以重視[1]。

目前，國內外學者關于高海拔的動力性與經濟性的研究主要以柴油機為主，主要關注柴油機的高原動力性能[2-5]，近年來進行了高原排放的模擬試驗，隨著海拔升高，柴油機的CO，HC，PM排放都明顯增加[6]。關于汽油機的高原研究是以整車海拔試驗倉的模擬試驗為主，在NEDC循環下，隨著海拔的升高，最大輸出功率和輸出扭矩下降，有效燃油消耗率減小，CO，HC，NO比排放隨海拔的升高而變化[7]5。

利用GT-power軟件，建立某1.4 T增壓汽油機模型，模擬計算穩態工況不同轉速下增壓汽油機的經濟性和動力性隨海拔的變化情況，同時分析HC，CO，NO在全負荷和50%負荷下隨海拔的變化情況。

1 發動機仿真模型的建立與校核

建立某1.4 T增壓汽油機模型，基本參數見表1。

表1 發動機模型基本參數

參數參數值 型式直列4缸 壓比 9.5 缸徑/mm 73.8 行程/mm 80.2 排量/L 1.4 標定扭矩/Nm 103 功率/kW 210 轉速/（r/min） 5 000

為了計算排放，仿真過程沒有采用韋伯模型，而是采用湍流燃燒模型，在此模型中，假設火焰前鋒面是以火花塞為中心的球面，將燃燒室分為未燃區和已燃區2個部分[8-9]，主要參數有點火提前角、火花塞位置、火焰核心擴散參數以及湍流系數，燃燒參數主要通過前期試驗結果的實測數據得出，為了提高計算的精確程度，將缸內的各個溫度區域進行細分，把燃燒室頂部、活塞和氣缸壁分別分成3個不同溫度區域，建立仿真模型，如圖1所示。

圖2和圖3是發動機外特性曲線，仿真計算的燃油消耗率和平均有效壓力與臺架試驗實際數值的對比，臺架試驗的條件為海拔100 m，25℃。外特性的平均有效壓力計算誤差在4%以內，燃油消耗率計算誤差除個別點在7%，其余點都在4%以內，吻合較好。

2 汽油機動力性和經濟性隨海拔的變化

隨著海拔的升高，大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會發生一定的變化，這些參數之間存在著特定的關系。海拔每升高1 000 m，大氣溫度下降6℃，大氣壓力與海拔間的關系為[7]2

式中，為海拔，m；P為大氣壓力，100 kPa。

仿真共選擇5個不同的海拔，見表2。

表2 不同海拔下的壓力和溫度

壓力/100 kPa溫度/℃海拔/m 125 100 0.920 988 0.8141 949 0.7 83 012 0.6 04 200

在完成模型的建立和標定后，調整環境壓力和溫度，模擬計算發動機動力性和經濟性隨海拔的變化情況。這款發動機的增壓器是由負壓控制旁通閥開度，低速時旁通閥是關閉狀態，高速高負荷時旁通閥打開。模擬高原下的工作狀況，需要控制增壓壓力幅度不超過100 kPa，同時增壓器轉速不超過200 000 r/min。

全負荷工況下發動機的平均有效壓力的變化情況如圖4所示，當發動機轉速在1 800 r/min以下時，進氣壓力對發動機的平均有效壓力影響較大；當轉速為1 000 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的平均有效壓力下降了42%。

當發動機轉速在2 000～4 000 r/min時，高原工況的平均有效壓力下降較慢，幅度在12%～21%，這主要是由于高速下進氣量的相對損失量較小，所以其平均有效壓力損失較小。

當發動機轉速在4 000～6 000 r/min時，發動機的平均有效壓力會大幅下降，在6 000 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的平均有效壓力下降了43%，這主要是由于增壓器轉速的限值，即增壓比的限值，導致進氣壓力不足，進而扭矩下降。

全負荷工況下發動機的燃油消耗率變化情況如圖5所示，燃油消耗率最優轉速為1 400～1 800 r/min，達到2 000 r/min以上時，由于混合氣濃度增加，導致燃油消耗率急速上升。

低速時，燃油消耗率隨海拔升高而上升，在800 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了10%。在2 000～4 000 r/min時，燃油消耗率隨海拔變化不大，變化率在2%以內，這主要是由于增壓器的作用使發動機氣缸內運行工況差別不大。

發動機轉速在5 000～6 000 r/min時，燃油消耗率隨海拔升高而上升，在6 000 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了8.5%。

75%負荷和50%負荷下燃油消耗率隨海拔的變化情況如圖6和圖7所示，在發動機75%負荷，800 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了7.3%；在發動機75%負荷，6 000 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了15.7%。在發動機50%負荷，800 r/min時，海拔 4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了9.4%；在發動機50%負荷，6 000 r/min時，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了14.3%。對于中等負荷，發動機在高轉速下海拔高度對燃油消耗率的影響較大；同時，中等負荷下最優燃油消耗率的轉速有所擴大，對于75%和50%負荷，最優轉速為1 400～3 000 r/min。

3 汽油機排放隨海拔的變化

3.1 模型設置

CO的生成主要是由于燃料燃燒不充分；HC的生成機理比較復雜，主要與壁面淬熄，狹隙效應，潤滑油膜的吸附和解吸以及燃燒室中沉積物有關。仿真中主要考慮壁面淬熄和狹隙效應的影響。

NO主要有NO和NO2，依據Zeldovich機理，仿真模型中主要考慮NO。

汽車尾氣凈化反應十分復雜，多達上百種，為簡化模型，仿真采用了一種比較常見的四反應模型[10-11]。

3.2 排放結果分析

全負荷下CO比排放隨海拔的變化如圖8所示。

發動機轉速在800～1 800 r/min時，隨著海拔的上升，CO比排放呈下降趨勢，在轉速為800 r/min時，海拔4 200 m時CO比排放下降了48%，這主要是由于在空燃比不變的情況下，進氣壓力下降導致噴油量減少，從而使CO排放減少。發動機轉速在2 000～6 000 r/min時，CO的排放量急速上升，其隨海拔的變化并不明顯，這是由于在高速高負荷下，混合氣濃度增加導致三元催化器的效率急速下降。隨海拔變化的三元催化器效率如圖9所示。

全負荷下HC比排放隨海拔的變化如圖10所示。HC比排放在各轉速下隨海拔的變化規律基本相同，都會隨著海拔的升高而增加，在發動機轉速為1 000 r/min時，海拔4 200 m的HC比排放比100 m處增加了6%，由于THC主要來源于未燃燒的燃油以及不完全燃燒產物，海拔的變化主要影響缸內燃燒過程中氧含量多少，隨著海拔升高，進氣量和氧含量減少，使得缸內的不完全燃燒和火焰淬熄增加，促使THC生成。

全負荷下NO比排放隨海拔的變化如圖11所示。隨海拔高度的升高，NO比排放呈現先增加后減小的趨勢，在海拔1 949 m時比排放量達到最大，而海拔4 200 m的NO比排放則較 1 949 m處有所降低。在轉速為1 000 r/min時，海拔1 949 m處的NO比排放比100 m處增加8.5%，而海拔4 200 m又比1 949 m處的NO比排放下降13.8%。

一般來說，NO的生成取決于反應溫度、O2濃度和反應時間。一方面，隨著海拔的升高，在高原下由于進氣量不足會導致燃燒不充分從而導致燃燒溫度下降，這會阻礙NO的生成；另一方面，在較高海拔下，反應物在高溫下的反應時間相對延長，這會有助于NO的生成；因此，在兩方面共同作用下，NO比排放會出現如圖11所示的情形。

4　結 論

（1）隨著海拔的上升，增壓汽油機動力性在低轉速和高轉速時下降明顯，在中等轉速時下降幅度不大。

（2）燃油消耗率隨著海拔的上升而增加，對于中等負荷，在高轉速下，海拔高度對燃油消耗率的影響較大。

（3）隨著海拔的上升，全負荷下HC比排放呈現增加趨勢，CO比排放呈現減小趨勢，但在高轉速下基本沒有變化，NO比排放呈現先增加后減小的趨勢。

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2016-10-13

1002-4581（2017）02-0001-05

U464.171：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.001

國家自然科學基金（51576016）。