高鑫磊 張?jiān)狼?李 昂

（1-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 北京 100176 2-北京市機(jī)動(dòng)車排放管理中心）

引言

為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，各柴油機(jī)廠家不約而同地采用渦輪增壓技術(shù)來(lái)滿足汽車廠商對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的需求。進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)的變化很大程度上會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和排放等指標(biāo)。本次試驗(yàn)針對(duì)廠家一款柴油機(jī)，考察其進(jìn)氣負(fù)壓和中冷壓差的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能及排放影響，為廠家調(diào)整優(yōu)化數(shù)據(jù)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及樣機(jī)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備有AVL-PUMA全自動(dòng)控制系統(tǒng)、AVL電力測(cè)功機(jī)、AVL735油耗儀、AVL-AMA i60多組分氣體分析儀、T-06AMFM1200A型空氣流量計(jì)、CONSYSAIR-1600進(jìn)氣空調(diào)、ConsysBoost C-1400以及AVL415濾紙式煙度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 進(jìn)氣負(fù)壓

試驗(yàn)進(jìn)氣負(fù)壓如表2所示。

表2 試驗(yàn)進(jìn)氣負(fù)壓

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管真空度（又稱負(fù)壓，進(jìn)氣阻力）是進(jìn)氣管內(nèi)氣壓與大氣壓力差的絕對(duì)值，是發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸交替進(jìn)氣時(shí)對(duì)進(jìn)氣管形成的負(fù)壓值總和[1]。

本次試驗(yàn)進(jìn)氣阻力的測(cè)量是在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門前加裝一個(gè)節(jié)流閥模擬空濾，測(cè)出在不同工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣阻力。依據(jù)上表所列4種進(jìn)氣負(fù)壓，通過(guò)外特性試驗(yàn)查看發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的相應(yīng)變化，如圖1～4所示。

圖1 不同負(fù)壓下的功率

從圖1和圖2中看出，隨著進(jìn)氣負(fù)壓的增加，功率轉(zhuǎn)矩分別降低0.1%、0.3%、0.4%。原因是進(jìn)氣節(jié)流造成發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程中克服進(jìn)氣道阻力的泵氣功增加，導(dǎo)致機(jī)械損失加大[2]。

從圖3中看出，隨著轉(zhuǎn)速升高，修正系數(shù)相應(yīng)加大。柴油機(jī)修正系數(shù)公式中大氣因子

圖2 不同負(fù)壓下的轉(zhuǎn)矩

圖3 不同負(fù)壓下的修正系數(shù)

圖4 不同負(fù)壓下的油耗率

式中：PS表示大氣干壓，等于總氣壓減去水蒸氣分壓。在PUMA系統(tǒng)中是以絕對(duì)壓力作為基準(zhǔn)壓力，實(shí)際測(cè)量得到的壓力屬于相對(duì)壓力也就是我們所說(shuō)的表壓，依據(jù)進(jìn)氣壓力等于絕對(duì)壓力減去相對(duì)壓力（絕對(duì)值）。進(jìn)氣負(fù)壓加大PS就會(huì)相應(yīng)變小，因此大氣因子變大就產(chǎn)生修正系數(shù)增加的原因。

從圖4中看出，油耗率隨著進(jìn)氣阻力的增加沒(méi)有明顯變化。

2.2 中冷壓差

中冷壓差如表3所示。

表3 中冷壓差

柴油機(jī)能夠得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，與柴油機(jī)自身技術(shù)的發(fā)展是密切相關(guān)的，人們對(duì)柴油機(jī)的要求是：更高的功率密度、更高的熱效率及更低的排放。而在這個(gè)過(guò)程中，增壓中冷技術(shù)扮演著重要角色。增壓中冷技術(shù)既是強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)的最有效手段，也對(duì)降低內(nèi)燃機(jī)的污染、振動(dòng)、噪聲和提高經(jīng)濟(jì)性有積極的影響。

依據(jù)上表所列4種中冷壓差，通過(guò)外特性試驗(yàn)查看發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能相應(yīng)變化，如圖5～8所示。

圖5 不同中冷壓差下的空氣量

圖6 不同中冷壓差下的功率

圖7 不同中冷壓差下的轉(zhuǎn)矩

從圖5中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量隨著中冷壓差的加大分別下降1%、2%、10%。在圖6和圖7中，功率轉(zhuǎn)矩隨著中冷壓差的加大分別下降0.4%、0.8%、3.3%。

這是因?yàn)殡S著中冷壓差的加大使得中冷后的壓力明顯變小，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣歧管內(nèi)的氣體壓力變小，從而引起進(jìn)入氣缸的空氣量減少，噴入的柴油中未充分燃燒的比例增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩和功率下降。

圖8 不同中冷壓差下的油耗率

從圖8中可以看出，隨著中冷壓差的增加油耗率相應(yīng)地增加。由于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴油壓力較低，此時(shí)燃油的霧化并不好，節(jié)流使新鮮空氣不斷減少，不利于混合氣的形成，導(dǎo)致燃燒惡化[3]。高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再進(jìn)一步加大節(jié)流，進(jìn)氣氧含量的減少將導(dǎo)致燃燒惡化，使油耗上升。

2.3 13工況

通過(guò)進(jìn)氣負(fù)壓和中冷壓差組合，如表4所示。通過(guò)手動(dòng)十三工況測(cè)試，查看排放污染物相應(yīng)變化，如圖9～12所示。

表4 進(jìn)氣負(fù)壓和中冷壓差組合kPa

2.3.1 氮氧化物

從圖9中可以看出，在中冷壓差不變情況下同原機(jī)相比，進(jìn)氣負(fù)壓升高在C100工況點(diǎn)下氮氧化物排放結(jié)果上升32%，其余工況點(diǎn)排放結(jié)果均低于原機(jī)。中冷壓差加大、進(jìn)氣負(fù)壓由小到大，在C100工況點(diǎn)下均會(huì)造成氮氧化物排放結(jié)果上升。

圖9 氮氧排放值

氮氧化物的生成主要取決于氧濃度、溫度和燃燒持續(xù)時(shí)間。雖然采用增壓技術(shù)可以縮短燃燒滯燃期，有利于NOx的降低[4]，但是加大中冷壓差造成了進(jìn)氣量降低，使得峰值燃燒溫度升高進(jìn)而促進(jìn)了NOx的生成，因此造成排放結(jié)果相應(yīng)增加。

2.3.2 碳?xì)浠衔?/p>

從圖10中可以看出，在中冷壓差不變情況下同原機(jī)相比，進(jìn)氣負(fù)壓由小到大碳?xì)渑欧沤Y(jié)果平均降低55%、50%。中冷壓差加大、進(jìn)氣負(fù)壓由小到大排放結(jié)果平均降低64%、74%。

圖10 碳?xì)渑欧胖?/p>

HC排放主要是由于缸內(nèi)混合氣過(guò)濃、過(guò)稀或局部混合不均勻引起燃燒不完全而導(dǎo)致的，造成燃燒不完全的因素主要有混合氣的質(zhì)量及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件。在不調(diào)整噴油提前角情況下，加大中冷壓差及進(jìn)氣負(fù)壓使得排氣溫度升高了10%，從而提高氣缸燃燒溫度，因此達(dá)到了降低HC的目的。

2.3.3 一氧化碳

從圖11中可以看出，在中冷壓差不變情況下同原機(jī)相比，進(jìn)氣負(fù)壓由小到大一氧化碳排放結(jié)果平均降低135%、138%。中冷壓差加大、進(jìn)氣負(fù)壓由小到大排放結(jié)果平均降低138%、148%。

圖11 一氧化碳排放值

柴油機(jī)排放的CO主要源于燃料的不充分燃燒以及CO2在高燃燒溫度條件下分解形成。一般工況下，生成的CO與缸內(nèi)的氧氣相接觸后，若缸內(nèi)溫度較高，可再次氧化產(chǎn)生CO2。進(jìn)氣負(fù)壓升高使進(jìn)氣量減少，造成此時(shí)的空燃比下降，減少了參加燃燒的富余空氣量，使燃燒溫度提高，因而提高了燃燒效率[5]。

2.3.4 煙度

從圖12中可以看出，同原機(jī)相比，進(jìn)氣負(fù)壓加大時(shí)煙度排放結(jié)果平均上升1.2%。中冷壓差加大、進(jìn)氣負(fù)壓由小到大時(shí)煙度排放結(jié)果平均上升14%和29%，在C100工況點(diǎn)下排放結(jié)果分別上升100%、180%。

圖12 煙度排放值

由于柴油機(jī)混合氣成分不均勻，盡管總體是富氧燃燒，但局部缺氧還是會(huì)導(dǎo)致碳煙的生成。造成在C100工況點(diǎn)下排放結(jié)果上升是由于進(jìn)氣阻力及中冷壓差加大造成該工況點(diǎn)下進(jìn)氣量降低，空燃比減少、高溫缺氧區(qū)域增加。此外負(fù)荷增大，擴(kuò)散燃燒階段燃燒的燃料量多。噴油量的增加使過(guò)量空氣系數(shù)減小，排氣中氧的濃度降低，碳煙的氧化速率減小，因此排出的碳煙增多。

3 結(jié)論

1）進(jìn)氣負(fù)壓加大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、耗油率變化不大，修正系數(shù)隨進(jìn)氣負(fù)壓增加而變大。

2）中冷壓差加大，發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，油耗率相應(yīng)增加。

3）在十三工況C100點(diǎn)時(shí)，加大進(jìn)氣負(fù)壓、增加中冷壓差均會(huì)造成NOx和煙度FSN排放上升。

4）十三工況時(shí)，改變進(jìn)氣負(fù)壓的大小、增加中冷壓差均會(huì)造成CO和HC排放下降。