不同海拔下国六柴油机性能试验研究*

2022-12-27肖仁鑫梁大平陈贵升

汽车工程 2022年12期

肖仁鑫，梁大平，陈贵升，刘爽

（1.昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.中汽研汽车检验中心（常州）有限公司，常州 213100）

前言

我国幅员辽阔，由东向西海拔呈逐渐上升，地形、气候复杂，2 000 m以上的高原地区约占国土面积的33%［1］。柴油机因其良好的动力性和经济性被广泛应用于高原运输，但其较高的污染物排放也严重影响人们的生活方式和生产活动［2］。柴油机在高原环境运行时，大气压力降低导致进入气缸内的空气量减小，压缩终点气缸内混合气压力和温度降低，喷入缸内的燃油不能及时着火，造成燃烧滞后，等容度下降，燃烧放热率质心后移，致使柴油机功率下降，燃油消耗率上升，排放性能恶化［3-4］。为满足严苛的国六排放法规［5］，DPF成为国六柴油机后处理系统的必备部件。但对于DPF在高原地区的应用缺乏经验，DPF的再生时机标定和再生过程控制难度等问题较难解决［6］。

国内外学者对高原环境下柴油机性能的研究主要集中在国五及以下柴油机的功率恢复、燃烧过程优化、污染物排放特性、代用燃料及空气系统优化控制等方面［7-14］，对高原环境下国六柴油机性能变化及DPF的碳烟沉积、再生特性研究较少。文献［15］中基于GT-Power建立柴油机耦合DPF的一维仿真模型，研究了DPF在不同海拔下对增压柴油机动力性、经济性和排放特性的影响，同时研究了不同海拔下DPF的工作特性。文献［16］中研究了不同海拔下DPF加载规律及再生特性。文献［6］中分析了国六柴油机DPF在工程应用中的关键问题，包括DPF高原适应性问题，指出高原高寒地区DPF捕集再生难度大。但针对不同海拔下加装DPF的国六柴油机性能变化，以及极限高原环境柴油机运行在极端工况下DPF堵塞可能性的研究则鲜见报道。

本文中利用柴油机高原环境模拟试验台架，研究不同海拔对国六柴油机全负荷和40%负荷的动力性、经济性、排放特性的影响，并模拟4000 m海拔进行DPF堵塞试验，探讨极限高原环境下柴油机持续运行在低转速大负荷工况DPF堵塞的可能性，以期为整车企业高原标定及高原法规制定提供参考。

1 国六柴油机高原性能试验

1.1 试验方案

进气的压力、温度、湿度3个参数对柴油机的性能都有影响。其中，大气压力随海拔变化最迅速，对柴油机输出性能最敏感［17］。海拔高度变化的明显特征是大气压力的变化，高原环境模拟试验台架利用此原理实现高原环境模拟，如图1所示。柴油机高原性能试验和DPF堵塞试验均在高原环境模拟试验台架上进行。

图1 高原环境模拟试验台架示意图

试验选取101、90、79、70、61 kPa（分别对应0、1 000、2 000、3 000、4 000 m海拔高度）5个大气压力，开展国六柴油机不同海拔高度下的全负荷和40%负荷性能试验。主要考查发动机在不同海拔不同转速下全负荷工况和等转矩工况的输出特性，研究海拔变化对国六柴油机性能的影响。为了兼顾轻型机和重型机的特点，同时也是高原运输动力的组成部分，选取一台6.2 L的增压中冷柴油机作为研究对象，发动机的基本参数见表1，DPF主要参数见表2。

表1 发动机主要参数

表2 DPF主要参数

1.2 不同海拔下全负荷特性

1.2.1 动力性

图2和图3是不同海拔下发动机全负荷工况下的进气流量、空燃比变化规律。图2中，同一转速工况，进气流量随着海拔的上升而下降，低转速和高转速工况下降明显，900 r/min降幅最大。与0海拔相比，柴油机在1 000、4 000 m海拔下进气流量最大降幅分别为6.6%、49.9%。由于平原环境下大气压力高，大气中氧含量高，进气充足，缸内燃烧过程较好，排气能量较高，给涡轮增压器提供充足的废气能量，使得增压效果较好。因此，1 000 m海拔下的进气流量降幅较小。随着海拔的上升，大气压力减小，进气流量下降，导致缸内混合气空燃比（图3）迅速减小，缸内燃烧恶化，排气能量降低，发动机在低转速工况涡轮增压器的增压能力不足表现更加突出。同时在高转速工况受压气机转速的限制，增压器的效率降低。此外，对于加装DPF的国六柴油机，较大的排气背压也使得增压器效率降低。高原环境下压气机出口温度升高进一步导致进气充量减小，空燃比随之减小。

图2 不同海拔下全负荷工况进气流量变化

图3 不同海拔下全负荷工况空燃比变化

图4是不同海拔下发动机全负荷工况输出的转矩。同一转速工况，发动机输出转矩随着海拔的上升而明显下降。低转速和高转速工况下降明显，900 r/min降幅最大，与0海拔相比，4 000 m海拔下转矩最大降幅为51.9%。随着海拔的上升，大气温度、压力均降低，进入缸内的新鲜充量减少，缸内工质膨胀做功能力降低，输出转矩减小，导致柴油机的动力性下降，因此，整机效率降低。低转速工况，进气流量较小，致使空燃比减小，缸内燃烧效果较差，排气能量低，使得增压能力不足，进气充量较小。高转速工况，受压气机转速和涡后温度的限制，发动机进气效率下降，进气量不足，导致输出转矩减小。

图4 不同海拔下全负荷工况输出转矩

1.2.2 经济性

图5是不同海拔下全负荷工况有效热效率的变化。同一转速工况，有效热效率随着海拔的上升而下降，中低转速下降明显，900 r/min降幅最大。与0海拔相比，4 000 m海拔下有效热效率最大降幅为14.8%。这是因为低转速、高海拔下，较小的空燃比使得缸内混合气燃烧滞后且燃烧不充分，放热率质心后移，因此有效热效率迅速下降。有效燃油消耗率的变化趋势与之相反（图6）。同一转速工况，有效燃油消耗率随着海拔的上升而增加。中低转速工况增加明显，900 r/min增幅最大。与0海拔相比，4 000 m海拔下有效燃油消耗率最大增幅为17.4%。随着海拔的上升，“油多气少”的问题更加突出，缸内燃烧恶化，有效热效率降低，使得油耗增加，整机经济性下降。

图5 不同海拔下全负荷工况有效热效率变化

图6 不同海拔下全负荷工况有效燃油消耗率变化

1.2.3 排放特性

图7是不同海拔下发动机全负荷工况涡前温度的变化规律。涡前温度能够间接反映缸内燃烧状况和增压器的状态。同一转速工况在2 000 m海拔及以下，涡前温度随着海拔的上升而增加，当海拔上升至4 000 m时，仅有发动机最大转矩转速（1 200～1 700 r/min）工况的涡前温度随着海拔的上升而增加。这是因为随着海拔升高，进气充量减小，混合气浓度增加，空燃比下降，此时空燃比对排气温度的影响占主导地位。但高海拔条件下（3 000和4 000 m）低转速和高转速工况的涡前温度随着海拔的升高反而下降。这是因为高海拔环境下，大气压力低，进气流量降低；国六柴油机为了降低DPF再生频次而限制原始排气中的烟度，调整了喷油量，缸内工质总放热量减小，导致排气温度降低。3 000 m海拔下1 900 r/min的涡前排气温度最高，达到945.2 K。高温有利于CO、HC的氧化和DPF的被动再生过程，但是会使SCR系统的效率降低，不利于高原地区的NOx排放控制。

图7 不同海拔下全负荷工况涡前温度变化

图8是不同海拔下发动机全负荷工况排气压力（后处理入口）的变化规律。排气压力随着海拔的升高呈下降趋势，高原地区环境的大气压力小，有利于发动机排气。当发动机后处理系统结构一定，排气压力主要取决于排气流量，同时与排气温度和DPF的碳载量有关。4 000 m海拔下，900～1 100和1 900～2 100 r/min的进气流量下降较快，使得排气压力下降明显。加装DPF的柴油机，排气系统的阻力增加，使得整个转速的排气压力和排气温度升高，影响增压器效率［15］，进一步影响进气充量，导致发动机的动力性、经济性下降，尤其对低转速工况的影响较大。

图8 不同海拔下全负荷工况排气压力变化

图9是不同海拔下发动机全负荷工况NOx排放的变化。NOx排放随着海拔的上升呈增大的趋势，中低转速的NOx排放相对较高，整个转速范围内的NOx排放低于170×10-6。这是由于国六柴油机配备高效的SCR系统，能够将大部分NOx催化还原。NOx的生成主要取决于燃烧过程中的O2浓度、燃烧温度和反应时间［18］，SCR出口的NOx排放还受排气温度、尿素喷射策略、SCR转化效率的影响。

图9 不同海拔下全负荷工况NOx排放

图10是不同海拔下发动机全负荷工况排气中O2浓度（后处理出口）的变化规律。排气中O2浓度随着海拔的上升而减小，中低转速工况下降明显。4 000 m海拔900 r/min排气中O2浓度仅为0.8%，降幅达到73.7%。由图3可知，排气中O2浓度随海拔的变化情况与空燃比的表现相一致。DOC中CO、HC的氧化和DPF中碳烟的氧化都需要排气中的O2，排气中O2含量降低，会使DOC出口温度降低，从而达不到DPF再生温度，不利于DPF再生过程的进行。此外，高海拔条件下柴油机原始颗粒物排放增加，DPF的碳烟沉积速度较快，一旦再生不及时存在堵塞的风险。

图10 不同海拔下全负荷工况排气中O2浓度变化

1.3 不同海拔下部分负荷特性

1.3.1 经济性

为了考查发动机在不同海拔不同转速下等转矩输出特性，将发动机输出转矩设定为400 N·m，即40%负荷，输出转矩与功率如图11所示。图12是不同海拔下发动机40%负荷工况进气流量的变化规律。同一转速工况，进气流量随着海拔的上升而下降；同一海拔下，进气流量随着转速的增加而降幅差异较小。900 r/min降幅最大，与0海拔相比，4 000 m海拔下进气流量最大降幅为35.0%，远低于全负荷工况的最大降幅。图13是不同海拔下发动机40%负荷工况空燃比的变化。同一转速工况，空燃比随着海拔的上升而下降，40%负荷工况的平均空燃比远高于全负荷工况。同一海拔下，空燃比随着转速的增加而降幅减小。900 r/min降幅最大，与0海拔相比，4 000 m海拔下空燃比最大降幅为42.1%。部分负荷工况的空燃比梯度较大，整个转速范围内空燃比整体较大，对进气流量的依赖度减小，大部分转速的进气量是充足的。

图11 40%负荷工况输出转矩与功率

图12 不同海拔下40%负荷工况进气流量变化

图13 不同海拔下40%负荷工况空燃比变化

图14是不同海拔下发动机40%负荷工况有效热效率的变化。同一转速工况，有效热效率随着海拔的上升而下降。中低转速工况下降明显，且转速越小降幅越大；高转速工况变化较小。900 r/min的降幅最大，与0海拔相比，4 000 m海拔下有效热效率最大降幅为10.6%。这是因为中低转速工况的空燃比对海拔的变化十分敏感，空燃比随着海拔的上升而迅速降低，缸内燃烧效果逐渐变差，此时空燃比对有效热效率的影响占主导地位。而高转速工况的空燃比整体较大，海拔的变化对其影响较小，但高转速工况的机械摩擦等损失较大，致使有效热效率整体较低。有效燃油消耗率（图15）与有效热效率的趋势相反，有效热效率降低，则有效燃油消耗率增加。显然，部分负荷中低转速工况的油耗对海拔的变化较为敏感。

图14 不同海拔下40%负荷工况有效热效率变化

图15 不同海拔下40%负荷工况有效燃油消耗率变化

1.3.2 排放特性

图16是不同海拔下发动机40%负荷工况排气温度的变化。同一转速工况，排气温度随着海拔的上升而增加，中低转速工况的增幅较大。900 r/min的增幅最大。与0海拔相比，4 000 m海拔下涡前、涡后排气温度最大增幅分别为21.1%、19.8%。随着海拔的上升，大气压力逐渐减小，进气流量减小，不同海拔下为了输出相同的转矩，不得不增加循环供油量，提高缸内混合气浓度，致使缸内燃烧温度增加，导致排气温度升高。

图16 不同海拔下40%负荷工况排气温度变化

图17是不同海拔下40%负荷工况排气压力的变化。排气压力随着海拔的上升而下降，中低转速下降较为明显。相比全负荷工况，部分负荷工况的进气流量和排气温度均减小，排气压力也随之减小。

图17 不同海拔下40%负荷工况排气压力变化

图18是不同海拔下发动机40%负荷工况NOx排放的变化。4 000 m海拔范围内，NOx排放低于40×10-6，整个转速范围内排放较小，与海拔的变化没有明显的关系。由图16（b）涡后排气温度可知，不同海拔下的涡后排气温度在590～800 K之间；考虑排气进入SCR之前会存在温降，进入SCR系统后恰好提供了适宜的温度，此时SCR系统工作在高效区，使得NOx转化效率较高。同时，该负荷下排气流量相对较小，空速也较小，排气在催化剂表面停留的时间变长，有助于NOx的催化还原。

图18 不同海拔下40%负荷工况NOx排放

图19是不同海拔下发动机40%负荷工况排气中O2浓度的变化。同一转速工况，排气中O2浓度随着海拔的上升而下降。同一海拔下，排气中O2浓度随着转速的升高而降幅减小。900 r/min降幅最大，与0海拔相比，4 000 m海拔下排气中O2浓度最大降幅为65.7%。随着海拔的上升，排气中O2浓度的下降速率加快。这是因为同一海拔下，空燃比随着转速的升高而升高，低转速的空燃比较小，随着海拔的上升空燃比再次减小，缸内混合气燃烧会消耗大部分O2。而DOC和DPF工作时也需要O2，使得排气中的O2浓度进一步下降。当发动机运行在4 000 m海拔以上地区，排气中O2浓度会再次降低，加之排气温度偏低，部分负荷工况下DPF的被动再生仍然面临巨大的挑战。

图19 不同海拔下40%负荷工况排气中O2浓度变化

2 DPF堵塞试验

2.1 试验方案

部分高原公路路况较差，经常出现雨雪等极端天气，“陷车”的情况时有发生。当车辆起步时，由于车速小而需求转矩大，发动机运行在低转速大负荷工况，为了“脱困”，发动机长时间运行在这种工况下。由于空燃比较小，缸内燃烧生成大量碳烟，加之排气中O2浓度较小，DPF再生困难，严重时可能造成堵塞。为此，探讨极端情形下DPF堵塞的可能性十分必要。

利用高原环境模拟试验台架在4 000 m海拔开展DPF堵塞试验。试验前将烟度控制系数由1调整为1.2，发动机喷油提前角、轨压等其他参数不变，以表示发动机高原标定“粗糙”或实地高原验证不足的情况。试验模拟柴油车在高海拔地区“陷车”并长时间“脱困”的过程，发动机持续运转在低转速大负荷工况，选取1 000 r/min作为试验转速，转速保持不变，负荷依次增加（32%、60%、70%），实时记录排气压力、排气温度（涡后）、排气中O2浓度。一旦排气压力大于80 kPa，停止试验。

2.2 试验结果与讨论

DPF堵塞试验过程如图20所示，整个试验过程持续时间约630 s。前211 s发动机运行在第1个工况（1 000 r/min，32%负荷），空燃比为20.9，发动机工作稳定，转矩输出平稳，排气中O2浓度较大，但排气温度和排气压力有所下降。这是因为发动机在高转速工况热机并进行了DPF被动再生，以此排除DPF先前沉积的碳烟对试验的影响，使得第1个工况起始时刻排气温度较高，随着时间推移，排气温度逐渐下降，排气压力随之减小。

图20 DPF堵塞过程排气参数

211 s以后，发动机运行在第2个工况（1 000 r/min，60%负荷），由图4可知，烟度控制系数调整前该转速的最大转矩为574.9 N·m，若不调整烟度控制系数达不到60%负荷。此时空燃比为15.2，缸内混合气较浓，燃烧温度较高，排气温度呈非线性趋势迅速上升，排气压力逐渐升高，说明此时DPF中碳烟的沉积速率大于氧化速率。排气中O2浓度急剧下降，O2浓度曲线波动表征缸内燃烧不稳定，也使得该工况的转矩输出不平稳。排气中O2浓度较低不利于碳烟的氧化，会使DPF再生速率降低。

412 s以后，发动机运转在第3个工况（1 000 r/min，70%负荷），但发动机已经达不到70%负荷。此时空燃比波动较大，约为14.9，已经接近理论空燃比，排气温度继续升高，排气压力上升速率加快；排气中O2浓度进一步下降，直到气体分析仪的前置过滤器被堵死而测得的O2浓度为0。此时ECU中烟度控制功能界入，ECU根据估算的空燃比实时修正喷油量，导致发动机转矩波动较大。根据曹明柱等［19］的研究，过量空气系数为1.05时，排气中的烟度超过4 FSN，转速越小烟度越大；烟度超过3.5 FSN，排气中就有可见烟。由此可知，排气中有大量碳烟，DPF捕集的颗粒物迅速沉积。而排气中O2浓度下降至1%，此时DPF再生更加困难。

在508 s附近发动机转矩突然下降，在617 s处发动机停机（自动停机）。而排气压力短暂下降后极速上升，峰值达到了48.1 kPa，由于发动机停机后管路泄压使得排气压力下降。国六DPF目数多、孔径小，再生效率和频次要求高。随着发动机负荷的增加，排放的颗粒物明显增加，一旦碳烟的沉积速率大于氧化速率，碳烟滤饼层不断变厚，导致DPF压降增加，且排气压力和温度随之增加，使得增压器效率降低。同时，进气充量再次下降，缸内燃烧更加恶化，排放的颗粒物进一步增加，排气中O2浓度进一步减小，DPF再生速率进一步降低，形成恶性循环。当排气压力极速上升时，表明碳烟沉积达到了DPF堵塞的临界点。

DPF堵塞后，尝试在4 000 m海拔下起动发动机进行再生。经过多次拖动起动了发动机，起动十分困难。起动之后在怠速工况（即负荷为0）运行了接近60 s，排气压力不断升高。将发动机调整至1 000 r/min、25%负荷工况，尝试让DPF被动再生，但排气压力增长十分迅速，最大排气压力已经达到80.9 kPa，为了保护发动机，立即停止运转，再次起动过程的排气压力变化如图21所示。试验后将DPF的载体从后处理系统中拆下，DPF入口沉积了超过2 mm厚的积碳，DPF堵塞十分严重。