高原环境下进排气节流对柴油机性能的影响

王金豪，毕玉华，申立中，聂学选，万明定，王正江

（昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

0 概述

随着排放法规的日益严格，柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）技术被广泛运用于柴油机后处理中［1］。虽然DPF 和SCR 可有效降低柴油机的污染物排放，但运用过程中低温性能差一直是需要解决的问题。在柴油机中低负荷工况排气温度过低，无法满足DPF 再生的要求［2］，且会导致SCR 喷射的尿素结晶、无法充分水解及NOx转化效率过低等问题［3-7］。故在柴油机低排温工况点提高排气温度具有重要意义。提高排气温度比较传统的方式有缸内柴油后喷、排气管内柴油机催化氧化器（diesel oxidation catalyst，DOC）前喷射燃油等。缸内柴油后喷需要依赖于高压共轨技术，实现多次喷射并合理控制后喷油量，若后喷油量控制不得当，可能伴随着燃油经济性恶化、HC 和CO 排放显著升高等问题。排气管内DOC 前喷射燃油提高排气温度需要额外增加喷油装置，另外除了需要考虑DOC本身特性的影响，还要考虑此系统的多个因素的影响，如喷油器的燃油喷雾特性、喷油压力和温度、喷油时刻、喷油量、燃油特性、喷油器的位置和喷油方位等。文献［8-14］中研究发现，在柴油机低负荷工况下，采用进排气节流的排气热管理方法可以有效提高柴油机排气温度，满足DPF 再生的温度要求，提高SCR 的转化效率。进排气节流仅需在柴油机的进气端和排气端装上电磁阀，控制电磁阀的开度即可有效控制排气温度。相比于传统的缸内柴油后喷、排气管内DOC 前喷射来提高排温的方案，进排气节流方案具有系统构造简单、技术要求低、成本低的优势。但进排气节流提高柴油机排气温度的同时，也会对柴油机的性能产生一定影响，研究进排气节流对柴油机性能的影响对制定柴油机排气热管理控制策略具有重要意义。

国内外学者对进排气节流对柴油机性能的影响展开了大量研究。文献［13］中研究了进气节流对柴油机性能的影响，结果表明进气节流阀开度减小则过量空气系数降低，比油耗增加，排气温度升高，碳烟、NOx及CO 排放明显恶化，HC 排放得到改善。文献［14］中研究了排气节流和进气节流对柴油机性能和排放的影响，结果表明：增加排气节流后，低速时发动机性能和排放特性变化较小，中高速时发动机排气温度明显升高，油耗增加，CO、全碳氢、颗粒物排放增加，NOx比排放明显降低；增加进气节流后，油耗略微增加，CO 比排放略微升高，全碳氢、颗粒物明显降低，在低转速下排温明显升高。文献［15］中研究了进气节流对柴油机排气温度、比油耗、排放的影响，结果表明与进气节流阀不工作时相比，在进气节流阀开度约15%～20% 时排气温度提高140 ℃左右，NOx排放降低，PM 排放和燃油消耗率均增大。文献［16］中试验研究了进排气节流对柴油机性能及DPF 再生的影响，结果表明进气和排气节流都会降低进气质量流量，从而增加燃料消耗，导致排气温度升高，但排气节流比进气节流更有助于DPF 在高温下进行再生。目前针对进排气节流对柴油机性能影响的研究大多都基于平原环境，对高原环境下进排气节流对柴油机性能影响的研究相对缺乏。

中国地形复杂，海拔1 000 m 以上的陆地面积占比达58%，海拔2 000 m 以上的陆地面积占比为33%［17-18］。与平原相比，高原环境有大气压力低、空气稀薄、氧含量低、环境温度较低等特点［19］，会对柴油机的工作过程产生影响。另外，排放法规针对柴油机高原环境下的排放的要求也区别于平原［20］。基于以上背景，在高原环境下通过柴油机台架试验研究了中低速、低负荷工况下进排气节流对柴油机进气量、缸内压力、燃烧放热率、缸内燃烧温度、排气温度、排放、油耗的影响，该研究为高原环境下柴油机排气热管理的控制策略的制定提供了有效的指导。

1 试验装置与试验方案

1.1 试验装置

试验用发动机是一台增压中冷直列4 缸柴油机，具体参数如表1 所示。台架试验所用主要仪器设备如表2 所示。图1 为发动机台架布置示意图，图中T 表示温度传感器，p1、p2 表示压力传感器。图2 为发动机试验台架的实物图。

图2 发动机试验台架

表1 试验柴油机基本参数

表2 试验所用主要仪器设备

图1 试验台架布置示意图

1.2 试验方案

在目前排放法规所采用的世界统一瞬态循环（world harmonized transient cycle，WHTC）中，柴油机运行的工况点多为低速低负荷工况。图3 为WHTC 测试转速转矩曲线，图4 为WHTC 测试排气温度曲线。从图3、图4 可以看出，对于试验所用柴油机，在整个WHTC 测试中，转速主要集中在1 400 r/min～2 200 r/min 之间，转矩主要集中在0～200 N·m 之间，排气温度主要集中于150 ℃～250 ℃之间。在此温度区间，DPF 难以实现再生，柴油机后处理SCR 的转化效率较低，提高排气温度对DPF 再生和提高SCR 的转化效率具有重要意义。由于在中等负荷和高负荷工况下排气温度相对较高，而低负荷工况排气温度较低，后处理的工作条件更为苛刻，因此重点针对低负荷工况进行研究。为研究高原环境下低速低负荷工况的排气热管理，台架试验基于昆明当地海拔2 000 m 的高原环 境，选择1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min的50 N·m 这3 个工况点进行研究。

图3 WHTC 测试转速、转矩曲线

图4 WHTC 测试排气温度曲线

试验在中冷后安装进气节流阀，通过控制进气节流阀的开度达到相应的进气压降。原始的进气压力定义为p1，以5 kPa 为梯度研究进气压降0～25 kPa时对柴油机性能的影响。在涡轮后端安装排气背压阀，通过控制排气背压的开度达到相应的排气背压。原始的排气背压定义为p2，以5 kPa 为梯度研究排气背压增加0～25 kPa 时对柴油机性能（进气量、燃烧、排气温度、排放、油耗）的影响。

2 试验结果及分析

2.1 进排气节流对进气流量的影响

图5 为不同转速下进气节流对柴油机进气流量的影响。从图5 中可看出，随着进气压力逐渐降低，3个工况的进气量均呈线性降低；进气压力降低25 kPa，在1 400 r/min 时进气流量由87 kg/h 降低至64 kg/h，降低了23 kg/h，降低率为26%；在1 800 r/min 时进气流量由117 kg/h 降低至88 kg/h，降低了29 kg/h，降低率为25%；在2 200 r/min 时进气流量由161 kg/h 降低至127 kg/h，降低了34 kg/h，降低率为21%。由此可见，随着进气压力降低，柴油机进气流量逐渐减小，且转速越高，进气节流对进气流量的影响越大。采用进气节流后进气流量降低，这是因为进气节流后进气阻力增大，空气流入气缸受阻，从而导致进气量下降。

图5 不同转速下进气节流对进气流量的影响

图6 为不同转速下排气节流对柴油机进气流量的影响。从图6 中可看出，随着排气背压逐渐升高，3 个工况的进气量均呈线性降低。排气背压升高25 kPa，在1 400 r/min 时进气流量由87 kg/h 降低至80 kg/h，降低了7 kg/h，降低率为8%；在1 800 r/min 时进气流量由117 kg/h 降低至104 kg/h，降低了13 kg/h，降低率为11%；在2 200 r/min 时进气流量由161 kg/h降低至139 kg/h，降低了22 kg/h，降低率为14%。由此可见，随着排气背压升高，进气流量逐渐减小，且从进气流量的减小量来看，转速越高，排气节流对进气流量的影响就越大。排气节流导致进气流量下降，这是因为排气节流之后排气背压增加，一方面导致排气阻力增加，残留于气缸内的废气相对增多，另外一方面，排气阻力增加使废气涡轮增压的效果降低，进气量减少，两方面的共同作用导致进气量减少。

图6 不同转速下排气节流对进气流量的影响

2.2 进排气节流对燃烧的影响

2.2.1 进排气节流对缸内燃烧压力的影响

燃烧作为柴油机工作的核心，对柴油机性能影响很大。借助示功图和燃烧放热率图可以具体分析柴油机的燃烧过程。在柴油机转矩为50 N·m、转速为1 800 r/min 工况下，进排气节流对缸内压力的影响如图7、图8 所示。图中p1表示原始进气压力，p2表示原始排气背压，p1-10 表示进气压力降低10 kPa，p2+10 表示排气背压升高10 kPa，依此类推。

图7 进气节流对缸压的影响

图8 排气节流对缸压的影响

从图7 可以看出，原始最大缸内压力为7.0 MPa，随着进气压力降低，缸内压力下降，通过进气节流使进气压力依次降低10 kPa、20 kPa，最大缸内压力分别降低0.5 MPa、0.9 MPa。从图8 可以看出，随着排气背压增大，最大缸内压力也下降，通过排气节流使排气背压依次增加10 kPa、20 kPa，最大缸内压力分别降低0.3 MPa、0.5 MPa。可见，进排气节流均会使最大缸内压力降低，且节流程度越大，最大缸内压力下降越多。缸内压力下降的原因主要是进气压力下降。对比进气节流和排气节流对缸压的影响，在进气压力降低和排气背压升高数值相同的情况下，进气节流对缸内压力的影响较大。

2.2.2 进排气节流对放热率的影响

在柴油机转矩为50 N·m、转速为1 800 r/min工况下，进排气节流对燃烧放热率的影响如图9、图10 所示。从图9 可以看出，随着进气压力降低，最大燃烧放热率增大，原始最大燃烧放热率为38.7 J/（°），通过进气节流使进气压力依次降低10 kPa、20 kPa后，最大燃烧放热率分别升高1.2 J/（°）、1.7 J/（°）。从图10 可以看出，随着排气背压升高，最大燃烧放热率增大，通过排气节流使排气背压依次升高10 kPa、20 kPa后，最大燃烧放热率分别升高2.0 J/（°）、2.7 J/（°）。可见，进排气节流均会影响最高燃烧放热率，随着进排气节流程度的增大，最高燃烧放热率逐渐升高。燃烧放热率上升主要是由于进气量下降，燃烧恶化缸内热负荷上升。

图9 进气节流对燃烧放热率的影响

图10 排气节流对燃烧放热率的影响

2.2.3 进排气节流对缸内燃烧温度的影响

柴油机转矩为50 N·m、转速为1 800 r/min 工况下，进排气节流对缸内燃烧温度的影响如图11、图12所示。从图11 可以看出，随着进气压力降低，缸内燃烧温度上升，原始最高缸内燃烧温度为1 572.41 K，进气压力降低10 kPa、20 kPa 后最高燃烧温度分别增加至1 673.03 K、1 770.89 K。从图12 可以看出，随着排气背压升高，最高燃烧温度也同样增大，排气背压升高10 kPa、20 kPa 后，最高燃烧温度分别升高至1 628.97 K、1 683.82 K。可见进排气节流均会影响最高燃烧温度，但在降低或增加相同压力时，排气节流的温度提升效果不如进气节流。

我们则用手中画笔用心记之，以最详细的记录成丘壑于胸中，因此我们可以做到得心应手，提笔落墨之际即可写出其山水物象的笔墨特征。

图11 进气节流对缸内燃烧温度的影响

图12 排气节流对缸内燃烧温度的影响

2.3 进排气节流对排气温度的影响

图13 为不同转速下进气节流对柴油机排气温度的影响。从图13 中可看出：随着进气压力逐渐降低，3 个工况的排气温度均呈线性上升；进气压力降低25 kPa，在1 400 r/min 时排气温度从233 ℃升至308 ℃，排气温度升高了75 ℃，提升了32%；在1 800 r/min 时排气温度从236 ℃升至296 ℃，排气温度升高了60 ℃，提升了25%；在2 200 r/min 时排气温度从238 ℃升至290 ℃，排气温度升高了52 ℃，提升了22%。可见，进气节流可有效提升排气温度，但随着转速的增加，进气节流提升排气温度的效果逐渐变差。进气节流可以有效提高排气温度是因为进气节流后进入燃烧室的空气减少，燃烧不充分，为了保证柴油机转速和转矩不变，供油系统会增加喷油量以保证燃油燃烧放出的热量与未采用节流时放出的热量相同，在燃烧放出的热量不变的前提下进气量减少，燃烧后废气的温度升高，进而排气温度升高。

图13 不同转速下进气节流对排气温度的影响

图14 为不同转速下排气节流对柴油机排气温度的影响。从图14 中可看出，随着排气背压逐渐升高，3 个工况的排气温度均呈线性上升。排气背压升高25 kPa，在1 400 r/min 时排气温度从233 ℃升至268 ℃，排气温度升高了35 ℃，提升了15%；在1 800 r/min 时排气温度从236 ℃升至286 ℃，排气温度升高了50 ℃，提升了21%；在2 200 r/min 时排气温度从238 ℃升至300 ℃，排气温度升高了62 ℃，提升了26%。排气节流使排气温度升高是因为排气节流后柴油机进气量减少，在燃烧放出的热量不变的前提下燃烧后废气的温度升高，进而排气温度升高。从排气温度上升的幅度可以看出，转速越高，采用排气节流提升排气温度的效果越好。

图14 不同转速下排气节流对排气温度的影响

2.4 进排气节流对排放的影响

2.4.1 进排气节流对NOx排放的影响

进排气节流对柴油机排放的影响主要体现在对NOx排放和烟度的影响上。不同转速下进气节流和排气节流对NOx排放的影响分别如图15、图16所示。

图15 不同转速下进气节流对NOx排放的影响

图16 不同转速下排气节流对NOx排放的影响

从图15 可以看出，随着进气压力逐渐降低，3 个工况的NOx排放均呈线性增加，但随着转速增大，增加的幅度逐渐减小。进气压力降低25 kPa，在1 400 r/min 时NOx排放由633×10-6增加至793×10-6，增加了160×10-6，增加率为25%；在1 800 r/min时NOx排放由590×10-6增加至730×10-6，增加了140×10-6，增加率为24%；在2 200 r/min 时NOx排放由528×10-6增加至642×10-6，增加了114×10-6，增加率为22%。高温富氧是NOx生成的有利条件，温度和氧浓度都会影响NOx的生成。此时，NOx的生成由燃烧温度主导，进气节流后NOx排放增加是因为进气节流使得进气量减少，空燃比减小，导致最高燃烧温度升高，高温环境使NOx的生成量增加。随着转速的增大，进气节流对燃烧温度的影响逐渐减小，进气节流引起的NOx排放增加量也减小。

从图16 可以看出，随着排气背压逐渐升高，3 个工况的NOx排放均呈线性增加，且随着转速增大，增加的幅度在逐渐增大。排气背压升高25 kPa，在1 400 r/min时NOx排放由633×10-6增加至700×10-6，增加了67×10-6，增加率为11%；在1 800 r/min 时NOx排放由590×10-6增加至692×10-6，增加了102×10-6，增加率为17%；在2 200 r/min 时NOx排放由528×10-6增加至672×10-6，增加了144×10-6，增加率为27%。在1 400 r/min 时排气节流对NOx排放影响相对较小。在试验的3 个工况下燃烧温度是主导NOx生成的因素，排气节流导致柴油机燃烧温度升高，且随着转速的增大，排气节流对燃烧温度的影响逐渐增大，排气节流引起的NOx排放增加量也增大。

2.4.2 进排气节流对烟度的影响

图17 为不同转速下进气节流对碳烟排放的影响。从图17 中可看出，在不同的转速下，采用进气节流后，随着进气压力的降低，碳烟排放均逐渐增加。进气压力降低25 kPa，在1 400 r/min 时烟度由0.087 FSN 增加至0.166 FSN，增加了0.079 FSN，增加率为91%；在1 800 r/min 时烟度由0.078 FSN增加至0.140 FSN，增加了0.062 FSN，增加率为79%；在2 200 r/min 时烟度由0.072 FSN 增加至0.124 FSN，增加了0.052 FSN，增加率为72%。可看出，转速越低，进气节流导致的烟度增幅越大。碳烟生成的有利环境是高温缺氧，采用进气节流会导致碳烟排放增加，这是因为进气节流后进气量减少，导致在柴油燃烧的过程中缸内形成了高温缺氧的环境，使碳烟生成的机率增加。

图17 不同转速下进气节流对碳烟排放的影响

图18 为不同转速下排气节流对碳烟排放的影响。从图18 中可看出，随着排气背压的升高，3 个转速下的碳烟排放均增加。排气背压升高25 kPa，在1 400 r/min时烟度由0.087 FSN 增加至0.124 FSN，增加了0.037 FSN，增加率为43%；在1 800 r/min 时烟度由0.078 FSN 增加至0.111 FSN，增加了0.033 FSN，增加率为42%；在2 200 r/min 时烟度由0.072 FSN 增加至0.094 FSN，增加了0.022 FSN，增加率为31%。采用排气节流会导致碳烟排放增加，这是因为排气节流导致进气量减少，燃料燃烧时在气缸内形成了高温缺氧的环境，导致碳烟生成增加。

图18 不同转速下排气节流对碳烟排放的影响

2.5 进排气节流对油耗的影响

不同转速下采用进气节流和排气节流对油耗的影响分别如图19、图20 所示。进气压降从0 增加到25 kPa 时，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min下的比油耗分别增加了4.4 g/（kW·h）、5.5 g/（kW·h）、7.4 g/（kW·h）；进气压降平均每增加5 kPa，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 下的比油耗分别平均增加0.88 g/（kW·h）、1.10 g/（kW·h）、1.48 g/（kW·h）。排 气背压增加量从0 增加到25 kPa 时，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 下的比油耗分别增加了9.4 g/（kW·h）、10.9 g/（kW·h）、13.3 g/（kW·h）；排气背压平均每增加5 kPa，1 400 r/min、1 800r/min、2 200 r/min 下的比油耗分别平均增加1.88 g/（kW·h）、2.18 g/（kW·h）、2.66 g/（kW·h）。由此可见，采用进气节流和排气节流后，在不同的转速下，随着进气压力的降低或排气背压的升高，油耗均增加，且转速越高，油耗增加越大。这是因为采用进气节流或排气节流都会导致柴油机进气减少，燃料燃烧不充分，在此情况下要保持柴油机的转速和转矩不变，就需要更多的燃料，因此基于发动机转速和转矩的目标值，供油系统会相应增加喷油量。对比图19、图20 可以看出，在进气压降和排气背压增加量相同的情况下，排气节流对油耗的影响比进气节流对油耗的影响大。

图19 不同转速下进气节流对油耗的影响

图20 不同转速下排气节流对油耗的影响

3 结论

（1）在高原环境下，进气节流、排气节流均会导致柴油机进气量减少，最高缸内压力降低，最大燃烧放热率增加，缸内燃烧温度升高。进气节流对燃烧的影响程度略大于排气节流。

（2）在高原环境下，进气节流和排气节流均可有效提升柴油机低负荷工况的排气温度。在转矩为50 N·m，转速为1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工况下，进气压力降低25 kPa，排气温度分别提升了75 ℃、60 ℃、52 ℃；排气背压升高25 kPa，排气温度分别提升了35 ℃、50 ℃、62 ℃。随着转速的增加，进气节流对排气温度的影响逐渐减小，而排气节流对排气温度的影响逐渐增大。

（3）在高原环境下，进排气节流均会导致NOx排放和碳烟排放的增加。在转矩为50 N·m，转速为1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工况下，进气压力降低25 kPa，NOx排放分别增加160×10-6、140×10-6、114×10-6，排气烟度分别增加0.079 FSN、0.062 FSN、0.052 FSN；排气背压升高25 kPa，NOx排放分别增加67×10-6、102×10-6、144×10-6，烟度分别增加0.037 FSN、0.033 FSN、0.022 FSN。随着转速的增加，进气节流对NOx排放的影响逐渐减小，而排气节流对NOx排放的影响逐渐增大。进气节流对烟度的影响要比排气节流大。

（4）在高原环境下，进排气节流会导致柴油机比油耗增加，燃油经济性变差。在转矩为50N·m，转速为1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工况下，进气压力降低25 kPa，比油耗分别增加4.4 g/（kW·h）、5.5 g/（kW·h）、7.4 g/（kW·h）；排气背压升高25 kPa，比油耗分别增加9.4 g/（kW·h）、10.9 g/（kW·h）、13.3 g/（kW·h）。在进气压降和排气背压增加量数值相同的情况下，排气节流对油耗的影响比进气节流大。