进气节流对柴油机性能影响的试验研究*

姚广涛，赵国斌，邓成林，刘宏威

(军事交通学院军用车辆系，天津 300161)

2016085

进气节流对柴油机性能影响的试验研究*

姚广涛，赵国斌，邓成林，刘宏威

(军事交通学院军用车辆系，天津 300161)

针对柴油机排气SCR后处理装置在排气温度较低时性能不佳问题，在WP10柴油机进气系统上设置了进气节流阀，进行了进气节流对柴油机排气温度、排放和油耗等影响的试验研究。结果表明：进气节流可明显提高柴油机小负荷时的排气温度，随着节流度的加大，在一定范围内不会引起发动机油耗和PM与NOx排放的明显增加，但当节流度超过一定范围，影响会明显增加，且转速越高，影响的幅度越大。

进气节流；排气温度；SCR；发动机性能

前言

目前，降低柴油车污染物排放主要依靠两条技术路线：(1)优化燃烧过程，通过超高压喷射燃油降低颗粒物，用选择性催化还原(selective catalyst reduction, SCR)等后处理装置消减NOx；(2)采用废气再循环以降低NOx，由此带来的颗粒物增加则使用颗粒物过滤器(diesel particulate filter, DPF)进行捕集处理。

废气再循环技术通常会恶化燃烧过程，降低燃油经济性，进而带来成本增加[1-2]。相反，使用优化燃烧+SCR技术可改善燃烧过程，一定程度上提高了燃油经济性；另外，SCR技术对于燃油质量，主要是硫含量的要求不高，因此更适合我国的国情[3]。

然而，SCR系统低温性能不佳，只有在排气温度达300℃以上才能正常工作。而实际车辆排气温度，特别是公交车排气温度远低于此温度，从而使大量NOx未经处理直接排入大气，对大气造成了二次污染。随着排放法规逐步严格，这个问题引起了更加广泛的重视，尤其是随着新的全球稳态测试循环(world harmonized steady-state cycle, WHSC)和全球瞬态测试循环(world harmonized transient cycle, WHTC)[4]的采用，低温排放不合格的柴油机将面临审核不通过的命运，所以如何有效改善SCR系统低温性能成为必须解决的一大技术难题[5-6]。

柴油机属于富氧燃烧，特别是在低负荷时，适当减少进气量可以提高混合气浓度，减少过多进气的吸热，进而提高排气温度，改善柴油机低负荷SCR系统性能。但是，进气量的减少，必然会引起柴油机性能的变化。本文中通过台架试验方法，开展了进气节流对柴油机性能、排气温度和排放特性影响研究，为采用进气节流方式提高柴油机排气温度提供了技术指导。

1 试验装置与方法

试验系统如图1所示，测试台架采用AVL测试系统，如图2所示，包括柴油机测功和排放测量系统，具体组成与型号见表1。发动机为潍柴WP10型柴油机，在进气系统加装进气节流阀，发动机主要参数见表2。

进气节流措施主要应用于柴油机低负荷工况，一般来说发动机转矩不会高于500N·m，因此综合考虑各个工况，选择200和350N·m转矩下的800，900，1 200，1 500，1 800和2 100r·min-1转速共12个工况作为试验工况开展试验研究。定义进气节流度为节流阀关闭角度的百分比(全开为0，全关为100%)，分别选择0，50%，60%，70%和80%的节流度，测试进气节流阀的节流度对排气温度、油耗、NOx和PM排放的影响。

表1 台架测试系统

表2 WP10柴油机主要性能参数

2 试验结果与分析

2.1 进气节流对排气温度的影响

图3和图4分别为发动机转矩200和350N·m时不同转速工况下排气温度随节流度的变化。

由图可见：(1)进气节流措施提高排气温度的效果十分明显，使用进气节流后最高排气温度基本都能达到300℃以上，较小转速/负荷工况也能高于200℃；(2)如果以300℃排气温度为控温目标，针对不同的工况需要设置不同的节流度；(3)相同转矩下，转速越高排气温度提升越明显。比如在350N·m转矩工况下，当节流度为80%时，转速为800和900r·min-1工况排气温度分别提高57和78℃，提升率为23%和31%；而1 800和2 100r·min-1工况排气温度分别提高290和330℃，提升率为110%和125%。

这是因为在节流阀同样开度下，转速越高进气流量减小率越大。而在实际应用中，只需要排气温度达到300℃就能满足SCR的工作要求，因此对于高转速工况节流度要按要求减小。

相同转速(以800和1 500r·min-1为例)不同转矩工况下排气温度随节流度的变化如图5和图6所示。

由图可见，在中低转速下时，转矩越大，排气温度越高，但提升幅度与低转矩相差不大。在节流度达到80%时，800r·min-1和1 500r·min-1，转矩200N·m工况排气温度分别提高20%和64%，800和1 500r·min-1，转矩350N·m工况排气温度分别提高22%和67%。这是因为在中低转速低转矩条件下，在转速相同时，不同转矩进气流量相差不大，800r·min-1、200N·m工况原进气量为260kg/h，800r·min-1、350N·m工况原进气量为263kg/h；1 500r·min-1、200N·m工况原进气量为540kg/h，1 500r·min-1、350N·m工况原进气量为582kg/h。

在2 100r·min-1转速下两种转矩的排气温度变化幅度相差较为明显，如图7所示。

在节流度达到80%时，2 100r·min-1、200N·m工况排气温度提高101%，2 100r·min-1、350N·m工况排气温度提高125%。这是因为2 100r·min-1、200N·m工况原进气量为856kg/h，2 100r·min-1、350N·m工况原进气量为1 016kg/h，相差较大，因此排气温度提升幅度相差较明显。

从以上分析可以看到，对于不同转速、不同转矩的工况，因为进气流量的不同和节流阀自身的工作特性，同样节流度下对排气温度的提升效果是不同的。因此必须针对不同工况设置不同的节流度。表3列出80%节流度下所试验的12个工况排气温度提升率。

表3 80%节流度下各工况排气温度提升率 %

2.2 进气节流对油耗的影响

图8和图9分别为200和350N·m转矩下各转速油耗随节流度的变化曲线。

可以看出，在节流度达到70%之前各工况油耗变化很小，在节流度80%时高转速工况油耗有明显增加，尤其以2 100r·min-1转速下变化最为明显，但是从2.1节中可以看到，此时排气温度已远远超过SCR所需的工作温度，因此该工况下并不需要达到这么高的节流度。

以300℃排气温度为控制目标，分别确定12个工况所需达到的节流度。试验点接近300℃的取试验点的节流度；与300℃相差较大的点则在相邻的点用线性插值法确定节流度。结果如表4所示。

表4 各工况达到300℃排气温度所需节流度 %

对排气温度达到300℃时的油耗增加率按照相同方法处理，结果如表5所示。

可以看出，表4、表5中的工况分为3类：第1类是通过进气节流依然不能达到300℃排气温度的(表中标注Ⅰ)；第2类是能够达到300℃排气温度但油耗增加较大的(表中标注Ⅱ)；第3类工况是能够达到300℃排气温度且油耗增加较小的(表中未标注部分)。

2.3 进气节流对NOx排放的影响

图10和图11分别为200和350N·m转矩不同转速下NOx排放随节流度的变化情况。

可以看出，NOx排放随着节流度增加有增大的趋势。在节流度达到60%以后增幅明显加快，而且转速越高增幅越大，达到80%节流度时350N·m,2 100r·min-1转速工况的NOx甚至超过原来的2倍。但是与2.2节中的情况类似，在节流阀的实际使用中并不需要达到这么高的节流度。以300℃排气温度为控制目标，分别确定各工况需要达到的节流度，并计算该节流度下NOx排放的增加率，结果如表6所示。

表6 NOx排放增加率 %

可以看出，在350N·m转矩下，NOx排放平均增加率为10%左右，而在200N·m转矩下，各转速NOx排放平均增加了50%左右。因此应根据SCR的转化效率确定使用进气节流的范围，如果提高排气温度后SCR能够除去的NOx的量低于进气节流本身增加的NOx的量，则应停止使用进气节流。

2.4 进气节流对PM排放的影响

图12和图13分别为200和350N·m转矩下各转速工况的烟度随节流度的变化情况。

可以看出，在一定节流度内，烟度随节流度增幅不大，但节流度超过60%以后，烟度急剧增加。排气温度达到300℃时的节流度所对应的烟度增加率如表7所示。

可以看出，在350N·m转矩下，PM的平均增加率为10%左右，而在200N·m转矩下，各转速PM排放平均增加率为20%左右。因此，应根据SCR的转化率确定使用进气节流的范围，尽可能降低PM排放的增加量。

表7 烟度排放增加率 %

3 结论

(1) 柴油机采用进气节流措施提高排气温度的效果十分明显，使用进气节流后最高排气温度基本都能达到300℃以上，较小转速/负荷工况也能高于200℃。

(2) 柴油机在小负荷时，进气节流度达到70%之前各工况油耗变化很小，在节流度80%时高转速工况油耗有明显增加。

(3) 柴油机采用进气节流，在一定的节气门开度范围内，NOx和PM排放随着节流度增加变化不明显，在节流度达到60%以后增幅明显加快，而且转速越高增幅越大。

[1] 章健勇,李忠照,张开强,等.废气再循环对均质压燃发动机燃烧的影响[J].上海交通大学学报,2013,47(11):1752-1756.

[2] CHATTERJEE S, CONWAY R, VISWANATHAN S, et al. NOxand PM Control From Heavy Duty Diesel Engines Using a Combination of Low Pressure EGR and Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter[C]. SAE Paper 2003-01-0048.

[3] 张人选,张云龙,帅石金.重型柴油机SCR后处理系统在线故障诊断功能的开发[J].汽车工程,2012,24(2):174-178.

[4] 赵国斌,盖永田,耿帅,等.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报,2015,5(1):29-34.

[5] LOWELL D, KAMAKATÉ F. Urban Off-cycle NOxEmissions From Euro IV/V Trucks and Buses[J]. The International Council on Clean Transportation. White Paper 2012(18):1-43.

[6] CHATTERJEE S, WALKER A P, BLAKEMAN P G. Emission Control Options to Achieve Euro IV and Euro V on Heavy Duty Diesel Engines[C]. SAE Paper 2008-28-0021.

[7] BAYARSUREN B, ODBILEG N, MYAGMARJAV J, et al. Study on Some Factors Affecting to Diesel Engine PM Emissions[C]. Strategic Technology,2007. IFOST 2007. International Forum on. IEEE,2007:236-237.

An Experimental Study on the Effects of IntakeThrottling on Diesel Engine Performance

Yao Guangtao, Zhao Guobin, Deng Chenglin & Liu Hongwei

DepartmentofAutomotiveEngineering,MilitaryTransportationUniversity,Tianjin300161

In view of the poor performance of SCR type exhaust after-treatment device for diesel engine at lower exhaust temperature, an additional intake throttle is added on the intake system of diesel engine WP10, and an experimental study is conducted on the effects of intake throttling on the exhaust temperature, emission and fuel consumption of diesel engine. The results show that intake throttling can significantly increase the exhaust temperature at low load conditions. As throttling ratio increases within a certain range, the fuel consumption and PM and NOxemissions do not rise significantly. However, when throttling ratio exceeds certain range, the effect becomes apparent, and the higher the speed the more significant the influence.

intake throttling; exhaust temperature; SCR; engine performance

*国家863计划项目(2013AA065303)资助。

原稿收到日期为2015年1月21日，修改稿收到日期为2015年4月7日。