不同海拔下柴油机瞬态排放试验

雷 蕾，於永华，申立忠，万明定，黄粉莲，王正江

(1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500；2.昆明云内动力股份有限公司，云南 昆明 650200)

车辆实际运行过程中，发动机频繁经历加减速、负荷变化等瞬态过程[1].对于增压柴油机而言，由于增压器迟滞等原因，造成瞬态工况下柴油机空燃比和废气再循环(EGR)率偏离稳态优化值，导致柴油机瞬态排放与稳态工况差异较大[2-3].因此，柴油机瞬态性能和排放倍受国内外研究者的广泛关注.

Yum等[4]研究了柴油机负荷变化时的有效燃油消耗率和氮氧化合物(NOx)排放.Luján等[5]研究了定转速下发动机转矩从低负荷到高负荷、高负荷到低负荷和低负荷到中等负荷3种瞬态工况下低压EGR在进气歧管中的传递现象.许允等[6]研究了不同的加载率、起始负荷和加载持续时间对恒转速增转矩瞬态过程的影响，并定义了平均增量空燃比和空燃比平均减速度等瞬态加载过程评价参数.张众杰等[7]研究了不同海拔下恒转速增转矩和恒转矩增转速瞬态工况时可变截面涡轮增压系统(VGT)开度的调节特性，比较了不同VGT开度控制策略对柴油机瞬态特性的影响.为改善柴油机瞬态排放，Yokomura等[8]针对柴油机瞬态工况下碳烟排放过高的问题，提出基于过量空气系数的瞬态EGR控制策略.Alberer等[9]针对柴油机瞬态工况下NOx和颗粒物(PM)排放较高的问题，提出基于燃烧前后缸内氧浓度的瞬态控制策略.韩晓梅等[10]针对某重型柴油机提出了基于EGR阀预控制和瞬态需求空气量的EGR瞬态修正策略.然而，绝大部分关于柴油机瞬态排放的研究都是在平原环境下进行的.中国地形地势变化复杂，海拔1km以上的面积占全国总面积的58%，2km以上的面积占33%[11].对于不同海拔下柴油机瞬态排放试验，除在不同海拔下进行实地环境试验外，还可以通过模拟海拔进行试验.但是两种方法均存在设备要求较高、试验成本较高等问题，导致国内外不同海拔下柴油机瞬态排放的试验研究报道较少.

为满足中国第Ⅵ阶段排放标准对高原环境下机动车实际驾驶排放的控制要求[12]，高原环境下柴油机瞬态排放控制已成为柴油机优化控制的主要任务之一.柴油机在高原环境下的瞬态排放变化规律研究对于优化实际驾驶排放具有重要意义.为此，以满足国Ⅵ排放标准的高压共轨柴油机为研究对象，笔者利用大气压力模拟系统，在0、1.0、2.0和2.4km海拔下，研究了定转速增转矩瞬态模式下柴油机NOx、烟度、PM排放和颗粒数(PN)的变化规律，以期为高原环境下柴油机瞬态排放优化控制提供参考.

1 试验发动机及设备

试验发动机为一款直列4缸、配备可变喷嘴涡轮增压器(VNT)和高压冷却EGR系统的车用高压共轨柴油机，其基本参数如表1所示.台架设备包括交流电力测功机、空气流量计、AVL AMA i60气体排放分析仪、AVL 439烟度计、AVL 489颗粒计数器、AVL 478颗粒物采样系统、大气压力模拟系统、CAN总线通讯接口模块和INCA标定软件等.试验台架布置如图1所示.

图1 试验台架布局Fig.1 Layout of test bench

2 试验工况及空气系统控制

2.1 瞬态控制及数据采集

选择在转速为2000r/min下，采用定转速增转矩瞬态模式使柴油机从0%负荷对应油门开度增大至油门100%开度.图2为不同海拔下、油门100%开度响应时间分别设置为阶跃(时间为0s，实际响应时间为0.2s)、2.5s和5.0s的具体变化过程.瞬态试验时，发动机在0%负荷点运行2min后开始数据采样(采样频率为10Hz).当采样时间达到10s时，发动机按设置的油门100%开度响应时间执行瞬态过程.油门开度达到100%开度后，发动机保持在油门100%开度下运行，待各响应参数达到稳定值后瞬态过程结束，采样完成.

图2 油门100%开度响应过程Fig.2 Response process of 100% acceleration pedal

2.2 大气压力调节

试验当地海拔为2.0km，通过进气加压和排气背压阀模拟0km和1.0km海拔下柴油机的进/排气压力环境，通过进气节流和排气抽负压模拟2.4km海拔下柴油机进/排气压力环境.不同海拔下，柴油机进气温度和湿度分别设置为(25±2.5)℃和(50±5)%(相对湿度).

2.3 空气系统控制

因VNT开度和EGR阀控制方式(开环或闭环)以及闭环控制目标不同会造成瞬态过程中柴油机增压压力、进气量和EGR率不同，进而导致瞬态排放变化差异.试验用柴油机空气系统采用基于增压压力和进气量的闭环控制.ECU根据目标增压压力和目标进气量自动调节VNT开度和EGR阀开度.当瞬态过程目标增压压力和目标进气量增大时，VNT开度和EGR阀开度迅速减小，提高增压压力和进气量响应.

3 结果与分析

3.1 不同海拔下喷油策略及控制参数变化

不同海拔下，喷油策略(喷油次数及组合方式)和控制参数对柴油机性能和排放具有显著影响.试验用柴油机在试验转速下采用多次喷射喷油策略，且喷油次数、喷油正时等仅与循环喷油量、运行环境相关，而与油门100%开度响应时间无关，具体喷油策略及控制参数如图3所示.不同海拔下，0%负荷对应循环喷油量至15mg循环喷油量及50mg循环喷油量至油门100%开度对应循环喷油量两个阶段下采用“1次预喷＋主喷”的喷油策略，循环喷油量在15mg至50mg之间时采用“1次预喷＋主喷＋1次后喷”的喷油策略.随着海拔升高，预喷油量保持不变见图3a，预喷正时逐渐提前见图3b，轨压基本保持不变见图3c，后喷油量及后喷正时均保持不变见图3d及图3e.随着海拔升高，柴油机主喷正时逐渐提前见图3f.当海拔从0km升高至1.0km时，主喷正时平均提前0.76°CA；当海拔从1.0km升高至2.0km时，主喷正时平均提前0.76°CA；当海拔从2.0km升高至2.4km时，主喷正时平均提前1.51°CA.这主要是由于：随着海拔升高，柴油机最佳喷油正时需提前，以改善高原环境下动力性和经济性[13].

图3 不同海拔下喷油策略和控制参数的变化Fig.3 Change of fuel injection strategy and control parameters at different altitudes

3.2 不同海拔下增压压力、过量空气系数及EGR率变化

柴油机空气系统参数(增压压力、过量空气系数和EGR率等)响应对柴油机瞬态排放具有较大影响.瞬态增压压力响应将影响柴油机进气，造成瞬态过量空气系数和EGR率发生变化，进而直接影响柴油机NOx和PM排放.

图4为不同海拔下瞬态增压压力的变化规律.油门100%开度阶跃响应时，0、1.0、2.0和2.4km海拔下增压压力响应时间(指油门开度开始响应至增压压力首次达到最终稳定值的95%所经历的时间)分别为1.8、1.8、2.1和2.5s；油门100%开度2.5s响应时间分别为2.6、2.7、2.9和3.3s；油门100%开度5.0s响应时间分别为4.5、4.5、4.6和4.7s.在相同海拔下，油门100%开度响应时间越短，增压压力响应时间与油门100%开度响应时间之差越大，即增压压力响应延迟越大.这主要是由于：(1)发动机进气歧管具有一定容积，建立需求压力需要经历一定的时间[2]；(2)油门100%开度响应时间越短，喷油率越大，容易触发烟度限值(详见图5)，造成柴油机喷油量受到限制，导致涡轮获得的排气能量下降，影响了增压压力增大速率.在相同油门100%开度响应时间下，随着海拔升高，增压压力响应时间延长，增压压力响应延迟加剧.这主要是由于：随着海拔升高，大气压力降低，进气量减少，涡轮可获得的驱动能量减少，导致增压压力增大速率降低.虽然减小VNT开度能提高增压压力响应速率，但较小的VNT开度会导致柴油机排气背压升高，造成泵气损失增加，进而影响柴油机瞬态性能响应.因此，不同海拔下增压压力瞬态响应特性是综合增压压力和柴油机瞬态性能响应的结果.

图4 不同海拔下瞬态增压压力的变化Fig.4 Change of transient boost pressure at different altitudes

图5 不同海拔下瞬态过量空气系数的变化Fig.5 Change of transient excess air ratio at different altitudes

图5为不同海拔下瞬态过量空气系数的变化规律.在同一海拔下，随着油门100%开度响应时间缩短，瞬态过程过量空气系数逐渐减小.原因是：随着油门100%开度响应时间缩短，喷油速率增大.与喷油速率相比，由于增压压力响应延迟导致进气滞后，因而过量空气系数降低.不同海拔下，油门100%开度阶跃响应时，过量空气系数均达到一个相同的最小值后，再逐渐达到最终稳定值.主要原因是：油门开度增大的瞬态过程中，进气量滞后严重，喷油速率远大于进气量响应速率导致过量空气系数急剧降低，造成碳烟排放增大[14].为防止碳烟排放过大，通过烟度限值(最小过量空气系数)限制喷油量[10].因此，油门100%开度阶跃响应时，喷油速率过大触发了烟度限值，喷油速率下降以防止过量空气系数进一步降低.油门100%开度2.5s和5.0s响应时，随着海拔升高，过量空气系数逐渐降低.这主要是由于：随着海拔升高，大气压力降低，增压压力下降导致进气量响应延迟加剧，造成过量空气系数降低.

图6为不同海拔下EGR率的变化规律.不同海拔下，瞬态过程开始时，EGR率快速减小，随着油门开度响应时间缩短，整个瞬态过程EGR率减小.油门100%开度响应时间相同时，随着海拔升高，整个瞬态过程的EGR率减小.造成这种现象的主要原因在于：EGR阀的控制目标是进气量，当实际进气量低于目标进气量时，EGR阀开度减小甚至关闭以提高实际进气量.当实际进气量满足目标进气需求时，EGR阀开度增大，以防止NOx排放过高.瞬态过程开始时，喷油量快速增大；但增压压力响应延迟导致实际进气量低于目标需求进气量.因此，为保证进气量响应，EGR阀开度迅速减小，导致EGR率减小.同时，油门100%开度响应时间越短，喷油响应越快，目标进气需求也快速增大，因而整个瞬态过程EGR率也越小.同样地，相同油门100%开度响应时，随着海拔升高，进气响应延迟增大，为保证高原环境下柴油机进气响应，EGR阀开度减小导致整个瞬态过程EGR率降低.

图6 不同海拔下瞬态EGR率的变化Fig.6 Change of transient EGR rate at different altitudes

3.3 不同海拔下NOx、烟度和PN排放变化

图7为不同海拔下NOx体积分数变化.油门100%开度阶跃和2.5s响应时，不同海拔下NOx体积分数均未出现明显的排放峰值，而油门100%开度5.0s响应时，不同海拔下在瞬态过程开始后2.0s左右时出现一次较小的排放峰值.总体而言，不同海拔、转速一定的情况下，随着油门增加，负荷逐渐增大，NOx体积分数逐渐增大.这是因为随油门开度增大，柴油机喷油量逐渐增大，缸内燃烧放热量增加，缸内温度升高，促进了NOx的生成[15].油门100%开度响应时间相同时，综合对比增压压力、过量空气系数和EGR率达到稳定值前、后NOx体积分数变化发现，随着海拔升高，在增压压力、过量空气系数和EGR率尚未达到油门100%开度的稳定值时，NOx体积分数略微增大.而在增压压力、过量空气系数和EGR率均趋于稳定后，NOx体积分数逐渐减小(1.0km海拔除外).这主要是由于：在增压压力、过量空气系数和EGR率尚未达到稳定值时，随着海拔升高，柴油机主喷正时提前(图3c)和EGR率降低(图6).而主喷正时提前和EGR率降低均会导致NOx体积分数增大.随着瞬态过程的进行，在增压压力、过量空气系数和EGR率趋于稳定后，不同海拔下EGR率均为0.即使高原环境下主喷正时提前，但其过量空气系数降低，缸内氧浓度下降.因此，NOx体积分数降低.

图7 不同海拔下瞬态NOx体积分数的变化Fig.7 Change of transient NOx volume fraction at different altitude

不同海拔下柴油机进气量、EGR率及动力性等变化均会导致质量排放或体积排放出现差异，单纯从NOx体积分数并不能看出NOx排放变化的规律.因此，NOx排放随海拔的变化将通过WHTC循环排放进行对比.

图8和图9分别为不同海拔下烟度和PN排放变化规律.烟度与PN排放变化均出现明显峰值，不同海拔下，随着油门100%开度响应时间缩短，烟度和PN峰值逐渐增大.相同油门100%开度响应时间下，随着海拔升高，烟度和PN峰值逐渐增大.与0km海拔相比，油门100%开度阶跃响应时，1.0km海拔下的烟度和PN峰值分别增大了2.36%和14.48%，2.0km海拔下分别增大了6.39%和53.11%，2.4km海拔下分别增大了10.99%和63.33%.油门100%开度2.5s响应时，1.0km海拔下的烟度和PN峰值分别增大了45.18%和46.29%，2.0km海拔下分别增大了102.62%和130.70%，2.4km海拔下分别增大了116.86%和133.18%；油门100%开度5.0s响应时，1.0km海拔下的烟度和PN峰值分别增大了26.07%和97.06%，2.0km海拔下分别增大了55.87%和198.58%，2.4km海拔下分别增大了76.36%和247.62%.造成这种现象的主要原因是：随着油门100%开度响应时间缩短和海拔升高，过量空气系数下降，缸内氧浓度下降，燃料与空气混合不充分，预混燃烧的比例下降，大部分燃料集中于扩散燃烧阶段燃烧，过浓的可燃混合气导致燃料分子未能完全氧化燃烧，高温作用下裂解生成碳核，导致烟度与PN峰值增大.随着海拔升高，即使喷油正时提前，滞燃期延长，增加了燃料与空气的混合时间，但海拔升高引起的过量空气系数下降对燃料分子氧化速率的影响更显著.因而随着海拔升高，烟度和PN峰值均增大.

图8 不同海拔下瞬态不透光烟度的变化Fig.8 Change of transient opacity smoke at different altitudes

图9 不同海拔下瞬态PN排放的变化Fig.9 Change of transient PN at different altitudes

3.4 不同海拔下WHTC排放变化

柴油机污染物排放控制重点是NOx和PM，为综合评价不同海拔下柴油机瞬态NOx、PM和PN排放变化规律，根据《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第Ⅵ阶段)》[12]的测试要求及污染物计算方法，在0、1.0、2.0和2.4km海拔下对柴油机进行WHTC测试.并对WHTC实际循环功、NOx、PM和PN循环累积排放量进行了计算，结果如表2所示.

表2 WHTC循环计算结果Tab.2 Calculation results of WHTC

随海拔升高，柴油机WHTC循环功逐渐降低，热态NOx累积排放质量呈先增大后减小的趋势，PM累积排放质量逐渐增大，PN累积排放数量增大.

图10为不同海拔下NOx、PM和PN的WHTC循环排放变化.随着海拔升高，WHTC循环NOx、PM和PN排放逐渐增大.与0km海拔相比，1.0km海拔下NOx、PM和PN排放分别增大了7.17%、3.78%和21.49%，2.0km海拔下分别增大了12.69%、13.64%和48.86%，2.4km海拔下分别增大了16.90%、24.88%和58.70%.由排放计算可知，排放与污染物排放量及实际循环功密切相关.NOx排放在不同的瞬态阶段随海拔变化呈现不同的规律，但发动机功率随海拔升高而下降，导致NOx排放呈现出随海拔升高而增大的变化趋势.PM与PN排放随海拔升高而增大.因此，PM与PN排放均呈现随海拔升高而增大的变化趋势.

图10 不同海拔下WHTC排放Fig.10 Emissions of WHTC at different altitudes

4 结 论

(1) 由于油门100%开度响应时间缩短和海拔升高，增压压力响应延迟导致进气滞后严重；造成柴油机瞬态过量空气系数随油门100%开度响应时间和海拔升高逐渐降低；为保证进气量响应，改善发动机瞬态动力性与经济性，需减小甚至关闭EGR阀开度以保证实际进气量响应；随油门100%开度响应时间缩短及海拔升高，柴油机瞬态过程EGR率逐渐降低.

(2) 不同海拔下，随着油门增大、负荷增加，NOx体积分数逐渐增大；油门100%开度响应时间相同时，在增压压力、过量空气系数和EGR率尚未达到稳定之前，NOx体积分数随海拔升高而增大；而在增压压力、过量空气系数和EGR率均趋于稳定后，NOx体积分数随海拔升高而降低.

(3) 不同海拔下，柴油机瞬态烟度和PN排放均出现明显的排放峰值；随着油门100%开度响应时间缩短及海拔升高，烟度和PN峰值逐渐升高.

(4) WHTC测试结果表明：随着海拔升高，NOx、PM和PN循环排放均增大；与0km海拔相比，1.0km海拔下NOx、PM和PN排放分别增大了7.17%、3.78%和21.49%，2.0km海拔下分别增大了12.69%、13.64%和48.86%，2.4km海拔下分别增大了16.90%、24.88%和58.70%.