進氣節(jié)流對柴油機性能和排放影響的試驗研究

吳滴，劉波，康見見，張超，劉冰

(重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122)

柴油機以優(yōu)異的動力性和良好的經(jīng)濟性在現(xiàn)代交通、物流運輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用。柴油機作為動力機械給人們帶來便利的同時，所造成的環(huán)境壓力也日益引起人們的關(guān)注。為了汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以汽車為主要市場的國家制定了嚴格的排放法規(guī)。2018年7月3日，國家市場監(jiān)督管理總局和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布了GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》國家標準，明確表示到2023年，在我國生產(chǎn)、注冊、銷售、進口的所有商用車輛必須滿足國六排放標準。

與GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》相比，國六法規(guī)中引入WHTC(World Harmonized Tranisient Cycle)工況法作為瞬態(tài)測試循環(huán)，取代了國五法規(guī)中的ETC循環(huán)[1]。其中WHTC循環(huán)包括冷態(tài)WHTC循環(huán)和熱態(tài)WHTC循環(huán)。ETC和WHTC循環(huán)工況的時間均為1 800 s，但是WHTC循環(huán)相對于ETC循環(huán)轉(zhuǎn)速更低，扭矩波動更為劇烈，更貼合車輛在實際道路中的運行狀況[2-3]。

由以往的研究可知，ETC循環(huán)中增壓器渦后出口的排氣溫度分布在300 ℃以上的概率為40%，250～300 ℃以上的概率為25%，而熱態(tài)WHTC循環(huán)中增壓器渦后排氣溫度分布在300 ℃的概率為5%，250～300 ℃的概率為25%，WHTC循環(huán)中的平均排氣溫度遠低于ETC循環(huán)[2]。對于重型柴油機而言，氮氧化物(NOx)和顆粒物排放是排放控制的重中之重。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)能很大程度降低重型柴油機NOx排放，是柴油機滿足法規(guī)排放的有效措施[4-6]。反應(yīng)溫度是影響SCR催化器反應(yīng)效率的關(guān)鍵因素之一，在一定的溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度越高，SCR的催化轉(zhuǎn)化效率越高[7-10]。

為了使NOx滿足WHTC排放循環(huán)的要求，在WHTC試驗中需要盡早使排氣溫度到達SCR催化器的起燃溫度。本研究在1臺6缸柴油機上開展臺架試驗，研究了進氣節(jié)流對發(fā)動機性能和排放的影響，為同類型柴油機利用進氣節(jié)流措施提升排氣溫度提供依據(jù)。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

試驗發(fā)動機為某公司生產(chǎn)的帶進氣節(jié)流裝置(節(jié)氣門)的電控高壓共軌渦輪增壓中冷柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。測試臺架采用HORIBA測試系統(tǒng)，包括電力測功機和排放測試系統(tǒng)，其中油耗儀和煙度計采用AVL設(shè)備，具體組成與型號見表2。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

表2 發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)

1.2 試驗方案

由圖1可以看出，WHTC循環(huán)大多數(shù)工況點分布在1 500 r/min以下，且發(fā)動機扭矩較小。此時后處理器入口溫度相對較低，達不到后處理器催化劑所需要的起噴溫度[11-12]。因此，試驗選取700 r/min，900 r/min，1 100 r/min，1 300 r/min和1 500 r/min 5種轉(zhuǎn)速下的低負荷工況點，在其他條件不變的情況下，通過改變節(jié)氣門流通面積的大小(本研究用節(jié)氣門的關(guān)度來表示進氣節(jié)流程度，關(guān)度為節(jié)流閥閉角度的百分比，全開為0，全關(guān)為100%)，研究進氣節(jié)流對柴油機性能和排放的影響。

圖1 WHTC循環(huán)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 進氣節(jié)流對排氣溫度的影響

由圖2和圖3可見，轉(zhuǎn)速恒定且節(jié)氣門關(guān)度相同時，扭矩越大，過量空氣系數(shù)越小，排氣溫度越高。當節(jié)氣門關(guān)度小于50%時，進氣節(jié)流措施對過量空氣系數(shù)的影響較小，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，排氣溫度略微升高；當節(jié)氣門的關(guān)度超過50%時，隨著節(jié)氣門關(guān)度的進一步增加過量空氣系數(shù)迅速減小，排氣溫度的提升效果非常明顯。比如在節(jié)氣門關(guān)度為50%時，扭矩為600 N·m，400 N·m，200 N·m和50 N·m與相同扭矩節(jié)氣門開度為10%時相比，排氣溫度分別提升了16.1 ℃，1.6 ℃，10 ℃和5.1 ℃；當節(jié)氣門關(guān)度為65%時，對應(yīng)扭矩排氣溫度分別提升了154.8 ℃，85 ℃，66.1 ℃和44.2 ℃，提升率為49.6%，31.0%，34.5%和36.3%。當節(jié)氣門關(guān)度超過70%時，過量空氣系數(shù)接近1，部分工況點甚至到了1。此時由于進氣量減少，混合氣非常濃，燃燒已經(jīng)十分不充分，燃燒循環(huán)變動加劇，扭矩波動較大。

圖2 轉(zhuǎn)速1 300 r/min，不同扭矩下節(jié)氣門關(guān)度與過量空氣系數(shù)的關(guān)系

圖3 轉(zhuǎn)速1 300 r/min，不同扭矩下節(jié)氣門關(guān)度對排氣溫度的影響

由圖4和圖5可見，扭矩恒定且節(jié)氣門關(guān)度相同時，轉(zhuǎn)速越高，對應(yīng)的過量空氣系數(shù)越小，排氣溫度越高。與扭矩對過量空氣系數(shù)的影響相比，轉(zhuǎn)速對過量空氣系數(shù)的影響相對較小。同恒轉(zhuǎn)速的情況相似，恒扭矩時，節(jié)氣門關(guān)度小于50%，進氣節(jié)流措施對過量空氣系數(shù)的影響較小，能略微提升排氣溫度；當節(jié)氣門關(guān)度超過50%時，進氣節(jié)流能顯著影響過量空氣系數(shù)，略微增加節(jié)氣門開度，過量空氣系數(shù)就會顯著減小，同時排氣溫度會顯著增加；當節(jié)氣門開度超過70%以后，不同轉(zhuǎn)速下的過量空氣系數(shù)均已經(jīng)接近1，由于后燃比較嚴重，排氣溫度會顯著增加，但是此時燃燒已經(jīng)顯著惡化，在實際應(yīng)用中，應(yīng)使節(jié)氣門關(guān)度不超過70%。

圖4 扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速下節(jié)氣門關(guān)度與過量空氣系數(shù)的關(guān)系

圖5 扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速下節(jié)氣門關(guān)度對排氣溫度的影響

由以上分析可以知：1)進氣節(jié)流措施在一定程度上能顯著提高排氣溫度，當節(jié)氣門關(guān)度達到一定程度后，排氣溫度基本都能達到300 ℃以上，較小轉(zhuǎn)速/負荷工況也能達到250 ℃；2)當節(jié)氣門的關(guān)度小于40%時，進氣節(jié)流措施對排氣溫度的提升效果不是很明顯；當節(jié)氣門關(guān)度超過70%時，會使過量空氣系數(shù)接近1，燃燒惡化；實際應(yīng)用中節(jié)氣門關(guān)度應(yīng)在40%～65%之間；3)一般SCR后處理器的起噴溫度在250～275 ℃之間，因此針對不同的工況需要設(shè)置不同的節(jié)氣門關(guān)度。

2.2 進氣節(jié)流對排放的影響

圖6示出轉(zhuǎn)速1 300 r/min時，不同扭矩工況下節(jié)氣門關(guān)度對排放的影響。從圖中可以看出，當節(jié)氣門關(guān)度小于55%時，不透光煙度、NOx、CO、THC及排氣中的氧含量受節(jié)氣門的關(guān)度影響較小；當節(jié)氣門的關(guān)度超過65%以后，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，不透光煙度、CO及THC排放均會急劇上升。從圖6b中可以看出NOx排放隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加先上升后下降，當節(jié)氣門關(guān)度超過70%時，NOx排放會急劇下降；在扭矩為50 N·m時，NOx增加最為明顯。這是因為隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，進入發(fā)動機的空氣流量逐漸減小，適當減小進氣流量可以提高混合氣的濃度，減少過多進氣帶走的熱量，提高燃燒溫度。從圖6e中可以看出，此時混合氣的氧含量并沒有特別明顯的變化，隨著燃燒溫度的提高，同時氧含量充足，NOx會隨著燃燒溫度的升高而增加。當節(jié)氣門關(guān)度繼續(xù)增加時，混合氣中的氧含量逐漸減少，造成過濃區(qū)的烴裂解和不完全燃燒的概率增加，尾氣中的顆粒、CO、THC就會上升，同時含氧量的減少抑制了NOx的生成，其排放量會減少。由圖2可以看出，在低扭矩時的過量空氣系數(shù)受節(jié)氣門關(guān)度的影響更加明顯，導(dǎo)致了NOx在低扭矩時隨節(jié)氣門關(guān)度的增加變化也更加明顯。

圖6 轉(zhuǎn)速1 300 r/min，不同扭矩下節(jié)氣門關(guān)度對排放的影響

圖7示出扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速下NOx、CO、THC及排氣中的氧含量隨節(jié)氣門關(guān)度的變化情況。由圖7a可以看出，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加NOx先增大，在節(jié)氣門開度為55%～70%時，增幅明顯加快；當節(jié)氣門關(guān)度達到70%附近時NOx排放達到最大值；隨著節(jié)氣門開度的繼續(xù)增加NOx排放迅速減小。圖8示出扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速下的NOx排放最大增加率。從圖中可以看出，扭矩不變時，轉(zhuǎn)速越高NOx排放增加率也越大。轉(zhuǎn)速700 r/min時NOx排放的最大增加率只有22.0%，而在1 500 r/min時，NOx排放的最大增加率達到了61.8%。因此在利用進氣節(jié)流提升排氣溫度的同時，需要考慮SCR的轉(zhuǎn)化效率，要使NOx增加的幅度不超過SCR凈化能力。如果NOx增加的幅度超過了提升排溫后SCR轉(zhuǎn)化效率提升的幅度，則應(yīng)減小節(jié)氣門的關(guān)度或者停止使用進氣節(jié)流措施。

圖7 扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速工況下節(jié)氣門關(guān)度對排放的影響

圖8 扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速下的NOx排放增加率

由圖7b和圖7c中可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，CO和THC具有相似的變化情況，都是隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加而增大。節(jié)氣門關(guān)度為0%～55%時，CO和THC增加幅度不是很明顯；在55%～70%時，增幅比較明顯；當節(jié)氣門關(guān)度達到70%以后CO和THC都會急劇增加。從圖4和圖7d中可看出，節(jié)氣門關(guān)度在70%附近時，過量空氣系數(shù)接近1，排氣中的氧含量也接近于8%或者低于8%，說明此時混合氣比較濃，缸內(nèi)燃燒不充分，導(dǎo)致了CO、THC的急劇增加。

2.3 進氣節(jié)流對燃油消耗率的影響

由圖9和圖10中可以看出，當節(jié)氣門的關(guān)度小于60%時，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，平均燃油消耗率基本保持不變或者只有微小的增加，在扭矩200 N·m，轉(zhuǎn)速1 300 r/min和1 500 r/min時，燃油消耗率出現(xiàn)了先輕微下降后上升的情況。但是當節(jié)氣的關(guān)度超過60%以后，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，燃油消耗率迅速上升。當節(jié)氣門關(guān)度超過70%以后，恒轉(zhuǎn)速和恒扭矩情況下燃油消耗率上升的速度都非常明顯。從圖9中可以觀察到，恒轉(zhuǎn)速時，當節(jié)氣門的關(guān)度超過60%，扭矩越小，燃油消耗率受節(jié)氣門關(guān)度的影響越大。

圖9 轉(zhuǎn)速1 300 r/min，不同扭矩下節(jié)氣門關(guān)度對燃油消耗率的影響

圖10 扭矩200 N·m，不同轉(zhuǎn)速工況下節(jié)氣門關(guān)度對燃油消耗率的影響

3 結(jié)論

a) 進氣節(jié)流措施在一定程度上能顯著提高排氣溫度，通過適當?shù)乜刂乒?jié)氣門的關(guān)度能使大部分工況點排氣溫度達到300 ℃以上，較小轉(zhuǎn)速/負荷工況點也可以達到250 ℃；

b) 當節(jié)氣門關(guān)度小于40%時，排氣溫度提升效果不是很明顯；當節(jié)氣門關(guān)度超過70%時，會使過量空氣系數(shù)接近1，燃燒惡化；實際應(yīng)用中節(jié)氣門關(guān)度應(yīng)在40%～60%之間，且針對不同的工況需要設(shè)置不同的節(jié)氣門關(guān)度；

c) 隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，NOx排放先增加后減小，在利用進氣節(jié)流提升排氣溫度的同時，需要考慮SCR的轉(zhuǎn)化效率，要使NOx增加的幅度不超過SCR凈化能力提升的幅度；

d) 節(jié)氣門關(guān)度在0%～55%時，CO、THC和不透光煙度增加幅度不是很明顯；在55%～70%時，增幅比較明顯；當節(jié)氣門關(guān)度達到70%以后，CO,THC和不透光煙度都會急劇增加，因此在實際使用中要盡量避免節(jié)氣門關(guān)度超過70%；

e) 節(jié)氣門的關(guān)度小于60%時，燃油消耗率隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加只有微小的增加，部分工況出現(xiàn)了先輕微下降后上升的情況，當節(jié)氣的關(guān)度超過60%以后，隨著節(jié)氣門關(guān)度的增加，燃油消耗率會迅速上升，且對低扭矩工況點影響更加明顯。