海拔對增壓中冷柴油機綜合性能的影響

于躍，雷基林，鄧晰文，唐成章，申立中

(昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

我國國土大多處于高海拔地區，800 m以上區域占我國陸地總面積的64%。在高海拔地區，氣壓低，空氣中含氧量少，導致發動機動力性、經濟性、排放特性明顯惡化[1]。為了降低汽車尾氣對環境的污染，國家環保部門出臺了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，其中規定了汽車污染排放物限值必須滿足隨著海拔變化的要求，并且對排放限值要求更加苛刻[2]。屆時，高海拔地區車用發動機排放能否滿足國六標準將面臨嚴峻挑戰。因此，對高海拔條件下柴油機動力性、經濟性、排放特性進行深入研究，不僅有助于改善高原環境下車用柴油機綜合性能，也符合國家節能減排、推進生態文明建設的基本國策，具有深刻的現實意義。

國內外在海拔對發動機動力性、經濟性影響規律方面研究較多，對影響機理的分析也比較透徹[3-12]。相比之下，高海拔對柴油機多種排放污染物生成量的影響規律研究較少，且研究結果并不完全一致，尤其NOx排放規律存在明顯差異[3,6,11-14]。

渦輪增壓是高原環境下柴油機動力恢復最直接有效的技術。通過進氣增壓可以在一定程度上彌補由于海拔升高、大氣壓力下降導致的進氣量不足，能顯著改善高原地區柴油機的動力性和經濟性，并降低排放。

基于此，以一款增壓中冷柴油機為試驗對象，采用大氣模擬綜合測控系統對不同海拔下的柴油機綜合性能進行模擬試驗，分析了海拔與柴油機動力性、經濟性和排放特性的關系，定量分析了在不同轉速、不同負荷下，海拔變化對柴油機動力性、經濟性影響的程度。所得試驗結果可以為同類型柴油機性能研究和開發提供數據參考，為進一步改善高原環境下柴油機工作性能提供理論依據。

1 試驗測試系統及試驗方案設計

1.1 試驗測試系統

試驗采用大氣模擬綜合測控系統，主要包括水渦流測功機、油耗儀、進排氣壓力模擬系統、進氣流量計、排氣分析儀等(見圖1)。主要測試設備特性參數見表1。

表1 主要測試設備特性參數

圖1 大氣模擬綜合測控系統裝置

1.2 試驗機型

本次試驗以小缸徑乘用車發動機為研究對象，該發動機采用電控高壓共軌、缸內直噴技術，其詳細參數見表2。

表2 發動機主要技術參數

1.3 試驗方案

試驗采用大氣模擬綜合測控系統模擬不同海拔下的大氣壓力，當模擬大氣壓力高于當地大氣壓力時，通過進氣加壓、增加排氣背壓來實現。本次柴油機高原性能模擬試驗選擇80 kPa，90 kPa，100 kPa共3個大氣壓力，對應海拔分別為1 900 m，900 m，100 m。此外，測試環境的空氣濕度在40%～60%，大氣溫度在20～28 ℃。試驗工況點如下：

1) 外特性工況點：柴油機轉速范圍為1 000～4 000 r/min，分別選取1 000 r/min，1 400 r/min，1 800 r/min，2 200 r/min，2 600 r/min，3 000 r/min，3 300 r/min，3 600 r/min，4 000 r/min。其中1 000 r/min是發動機怠速工況點。

2) 負荷工況點：選取5個工況點，分別是25%，50%，75%，90%，100%負荷。

2 試驗結果及分析

2.1 動力性

圖2和圖3分別示出不同海拔下的柴油機功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力外特性曲線和負荷特性曲線。如圖2所示，隨著海拔升高，大氣壓力逐漸下降，發動機功率、扭矩呈下降趨勢。海拔從100 m上升到1 900 m，柴油機標定功率下降6.3%；當轉速為1 000 r/min，海拔從100 m上升到1 900 m時，外特性工況點對應的最高扭矩下降23.6%；轉速為2 200 r/min時，柴油機外特性工況點對應的最高扭矩下降3.8%。海拔越高，柴油機保持較高動力輸出的轉速范圍越窄，而且，在低轉速時海拔對動力性的影響程度比在高轉速時更大。

這主要是因為：1)高海拔地區空氣稀薄，造成氣缸內空燃比下降，引起混合氣燃燒惡化，導致動力性下降。2)隨著海拔升高，排溫會明顯升高[10]，為了防止渦輪增壓器和發動機熱負荷過高，需通過減小循環噴油量來降低排溫，導致動力性明顯下降[11]。3)隨著海拔升高，大氣壓力下降，排氣背壓降低，增壓比隨之增大。當柴油機在低轉速區域運行時，排氣能量低，渦輪增壓器做功能力下降，增壓比隨海拔的升高增加較小，無法彌補大氣壓力下降造成的進氣量不足，導致動力性下降迅速；隨著轉速上升，增壓比隨海拔的升高增加較快，使渦輪增壓器做功能力迅速提高，對由于海拔上升導致的進氣量下降起到了補償作用[10]。當發動機在高轉速區域運行時，為防止渦輪增壓器超速、超溫，增壓器放氣閥自動開啟、循環噴油量下降，進而導致隨著海拔上升，動力性明顯下降。

圖2 3種海拔下功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力的外特性曲線

圖3 3種海拔下功率、扭矩、進氣量、中冷后壓力的負荷特性曲線

2.2 經濟性

圖4和圖5分別示出3種海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率外特性曲線和負荷特性曲線。如圖4所示，有效燃油消耗率在低轉速區受海拔的影響程度比在高轉速區大。在轉速為1 000 r/min和2 200 r/min時的外特性工況點，柴油機在海拔1 900 m時對應的有效燃油消耗率比在海拔100 m時分別高9.2%和2.1%。隨著海拔的升高，有效燃油消耗率最小值向高轉速區域偏移，且經濟轉速范圍不斷縮小。

圖4 3種海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率的外特性曲線

圖5 3種海拔下燃油消耗量、有效燃油消耗率的負荷特性曲線

主要原因是：在低轉速時，排氣能量低，渦輪增壓器做功能力不足，增壓比隨海拔的升高增加較小；隨著負荷的增加，噴油量增大，但進氣流量變化不大[3]。以上原因造成缸內燃燒惡化，導致有效燃油消耗率迅速升高。隨著轉速增加，海拔越高，增壓比增長越快，進氣量增加，改善了經濟性[15]。

2.3 排放特性

圖6和圖7分別示出3種海拔下NOx，CO，HC、炭煙的外特性曲線和負荷特性曲線。如圖6所示，隨著轉速升高，不同海拔下各排放物變化規律基本一致：煙度先減小后增大，HC、CO逐漸減小并趨于穩定，NOx先增大后減小。NOx，CO，煙度在1 000～2 200 r/min時受海拔的影響程度比在2 200～4 000 r/min時大。海拔越高，CO，HC，炭煙的排放量越高，發動機保持較低CO，HC，煙度的轉速區域越小，并且最小值向高轉速區域偏移。在轉速為1 000 r/min時的外特性工況點，海拔1 900 m時CO和炭煙的排放濃度分別是海拔100 m時的4.55倍和4.06倍。

如圖7所示，相比于中高轉速工況點，在1 000 r/min時，隨著負荷變化，NOx，CO，HC，炭煙受海拔影響程度最顯著。此外，在標定功率轉速和最大轉扭轉速下，不同海拔下NOx排放隨著負荷的增加而升高。昆明理工大學申立中等[3]在對不同海拔下增壓中冷柴油機性能和排放的研究中以及西南林業大學何超等[16]在高壓共軌柴油機燃燒與NO2排放特性研究中也得到相似的結果，而北京理工大學余林嘯等[12]對重型柴油機在不同海拔地區的燃燒與排放特性研究中所得結果則有所不同。

圖6 3種海拔下NOx、CO、HC、炭煙的外特性曲線

圖7 3種海拔下NOx、CO、HC、炭煙的負荷特性曲線

2.3.1NOx排放

如圖6所示，隨著海拔升高，NOx排放降低。在低轉速時，海拔對NOx排放影響顯著。海拔越高，NOx排放量降幅越小，從900 m到1 900 m NOx排放降幅最大為14.8%，而從100 m到900 mNOx排放降幅最大為19.1%。相比之下，在中高轉速時，NOx排放受海拔的影響較小。這主要是因為，柴油機NOx的反應特點是高溫、富氧[17]，隨著海拔升高，大氣壓力下降，進氣量減小，缸內氧含量下降，滯燃期延長，燃燒始點推遲，預混合燃燒比例增加，這將造成燃燒溫度增加，從而促進NOx的生成；同時，高海拔條件下缸內氧含量降低又阻礙了NOx的生成。這兩方面的原因導致了NOx排放在中高轉速時受海拔的影響較小[12]。如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，NOx排放量越低。這主要是因為，在低轉速、小負荷工況下，循環噴油量小，缸內燃燒溫度低，抑制了NOx的生成；大負荷工況下，循環噴油量增大，缸內燃燒溫度升高，促進了NOx的生成，但海拔升高引起的缸內溫度變化對氣缸內整體溫度影響不顯著，未能進一步促進NOx的生成，導致不同海拔下NOx濃度出現明顯差異。

2.3.2煙度

如圖7所示，1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，煙度越高，煙度增幅越大。在50%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，煙度分別增加31.3%和54.8%；在100%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，煙度分別增加1.19倍和3.06倍。一方面，海拔升高導致燃燒溫度升高，高溫會提高燃料裂解的反應速率，從而促進炭煙顆粒的生成[12]。另一方面，高海拔下大氣壓力較低以及低轉速下增壓器做功能力不足造成進氣量降低，氣缸內含氧量下降，從而抑制了炭煙顆粒的氧化。

2.3.3HC排放

如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的減小，海拔越高，HC濃度增長幅度越大。在25%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，HC值分別增加11.9%和141.8%；在50%負荷時，海拔從100 m分別升高到900 m和1 900 m，HC值分別增加16.7%和50.1%。柴油機在低速、小負荷工況下，較低的缸內溫度以及壁面激冷等因素造成HC排放較高，高海拔下大氣壓力低、空氣密度小，導致缸內過量空氣系數下降、混合氣不均勻，進一步加劇了壁面激冷效應。隨著負荷的增加，缸內溫度逐漸升高，燃燒環境得到改善，HC逐漸降低，此時，海拔對HC的影響程度不斷減弱。中高轉速時，渦輪增壓器工作能力較高，對進氣量進行有效補償，導致相同負荷時，海拔對HC濃度影響不顯著。

2.3.4CO排放

如圖7所示，在1 000 r/min時，隨著負荷的增加，海拔越高，CO排放增長幅度越大。在50%負荷時，海拔從100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分別增加1.99倍和2.66倍；在100%負荷時，海拔從100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分別增加1.71倍和3.55倍。這是因為，隨著負荷增加，循環噴油量增大，較高海拔下的大氣壓力和空氣密度較低，導致過量空氣系數下降，造成燃燒室中局部缺氧區域增加，缸內燃燒惡化，從而使CO排放大幅上升[18]。在中高轉速時，由于渦輪增壓器工作效率較高，對進氣量補償較充分，因此海拔對CO排放的影響減弱。

3 結論

a) 柴油機功率和全負荷扭矩隨著海拔的上升而下降，有效燃油消耗率隨著海拔的上升而增加；在低轉速時，海拔對功率、全負荷扭矩、有效燃油消耗率的影響程度比在高轉速時大；外特性工況下，柴油機獲得理想動力輸出、保持經濟運行的轉速范圍隨著海拔的升高逐漸縮小，并且向高轉速區域偏移；

b) 海拔對增壓中冷柴油機的排放也有顯著影響：外特性工況下，在低轉速時，海拔越高，NOx、炭煙、CO排放變化幅度越大；在低轉速時，隨著負荷的增加，海拔對NOx、CO、炭煙的影響程度逐漸增大，對HC的影響程度逐漸減小；在中高速時，隨著負荷的增加，海拔對NOx、HC、炭煙、CO的影響不顯著。