进气流量对车用柴油机动力性及排放性能的影响

蒋玉魁 王金刚

（西安石油大学机械工程学院 陕西 西安 710000）

引言

车用柴油机在工作过程中，防爆元件会产生排气背压，在进气过程中，进气阻火器会对进气流量产生阻碍，使进气流量减少[1-3]。同时，由于进气阻火器格栅密集，在柴油机长时间运转后，会造成进气阻火器堵塞，降低车用柴油机的进气流量[4]。因此，在设计进气阻火器、确定更换阻火器频率时，需就进气流量对车用柴油机性能的影响有准确的认识[5]。黄粉莲等人[6]针对某型矿用防爆柴油机存在动力性差、排放高的问题，研究了进气流量变化对防爆柴油机性能的影响，得出了进气管和水夹套内气体的压力场和流线形状，优化了进气歧管的设计，有效燃油消耗率最高下降0.58%，CO排放最高下降23.46%，NOx排放下降0.15%，烟度下降17.26%[7-8]。本文通过改变车用柴油机的进气流量，在车用柴油机台架试验上，测量车用柴油机的动力性及排放性能，从而确定进气流量对车用柴油机性能的影响。

1 试验方法

1.1 改变进气流量

试验所用柴油机为雷沃FDE4100QFB型车用柴油机。柴油机的进气量一般是过量的，因此在本试验中，通过减小进气口截面的大小，定性改变进气量。减小进气口截面积的方法是将进气口设计成圆形截面，试验时，堵塞部分进气口，使进气口截面积减小为原来的1/4、1/8、1/16，从而改变车用柴油机的进气流量，对比不同进气流量下的车用柴油机动力性及排放性能。试验用柴油机原进气道内径为70mm，用3种挡板堵塞进气道后，进气口的形状及大小示意图如图1所示。

图1 进气管道堵塞示意图

1.2 车用柴油机性能测试方法

车用柴油机动力性能测试时，通过调油门开度，使柴油机处于油门全开状态，测量柴油机的输出转矩，作为车用柴油机动力性的衡量指标。即测量不同进气流量下，车用柴油机外特性下输出转矩的变化，从而对比不同进气流量下的车用柴油机动力性能。

在车用柴油机十一工况点下，测量柴油机排气歧管后尾气中污染物的含量，作为对比不同进气流量下车用柴油机排放性能的指标。车用柴油机的十一工况点是衡量车用柴油机排放性能的重要指标之一，本试验采用改变柴油机进气流量后测量柴油机十一工况点的排放量的方法。

发动机总进气量Q按照下式计算：

式中：Vst为发动机的总排量，L；n为发动机转速，r/min；ηv为发动机的容积效率，%；i为发动机冲程。

2 试验结果分析

在测量排放性能时，重点测量车用柴油机的NOx、CO、HC排放以及排放中烟度的变化。改变进气口截面积的大小，按车用柴油机十一工况点的要求，测量车用柴油机污染物的排放量，对比不同进气流量下车用柴油机的排放性能。

1）NOx排放随进气流量的变化。试验所得车用柴油机十一工况点下NOx体积分数随进气流量的变化曲线如图2所示。从图2可以看出，改变进气口截面积的大小，NOx体积分数随着进气流量的降低波动明显，这是由于NOx主要是在高温富氧的环境下生成的。在1/4进气口时，进气流量虽然降低，但燃烧室的温度略有增加，因此所产生的NOx虽有波动，但变化并不明显。在1/8进气口时，进气流量降低比较明显，燃烧室温度对NOx的产生影响不十分明显，NOx体积分数略有降低。在1/16进气口时，进气流量明显降低，直接影响柴油机燃烧过程中的氧气含量，从而影响柴油机的燃烧产物，使NOx体积分数得到明显的降低。

图2 NO x体积分数随进气流量大小变化曲线

2）CO排放随进气流量的变化。试验所得车用柴油机十一工况点下CO的体积分数随进气流量的变化曲线如图3所示。从图3可以看出，减小柴油机进气口截面积，CO排放有所增加，尤其是当柴油机负荷增加时，随着进气口截面积的减小，CO排放有明显的增加。在发动机低负荷状态下，随着进气口截面积的减小，CO排放虽有增加，但是变化并不明显。在柴油机大负荷状态下，1/16进气口时，CO排放增加十分明显。说明在大负荷状态下，进气流量的减少对柴油机CO排放有较为明显的影响。

3）HC排放随进气流量的变化。试验所得车用柴油机十一工况点下HC的体积分数随进气流量的变化曲线如图4所示。从图4可以看出，进气流量对HC排放的影响十分复杂。当进气口为原进气口的1/4和1/8大小时，HC排放较进气口全开时波动幅度更大，虽然个别工况下HC体积分数有所增加，但在大部分情况下，HC的排放量有所降低；当进气口大小为原进气口的1/16时，HC排放量总体上有所增加，但各个工况点波动十分剧烈。这是由于当进气流量减少时，会造成燃烧室中燃料过浓的情况，使一部分燃料不能得到充分燃烧，从而导致HC大量增加。

图3 CO体积分数随进气流量大小变化曲线

图4 HC体积分数随进气流量大小变化曲线

3 结论

本文通过改变车用柴油机进气口截面积的大小，改变进气流量。利用车用柴油机台架试验，测量不同进气流量对车用柴油机动力性及排放性能的影响。试验结果表明，进气流量对车用柴油机的动力性产生影响，进气流量越少，动力性越差；进气流量降低，使车用柴油机的输出转矩有所降低；进气流量对车用柴油机的排放有很大影响，进气流量减少，NOx排放明显降低，CO排放明显增加，HC排放出现波动。

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6 黄粉莲,纪威，周炜.涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真[J].农业工程学报，2013，29（3）：62-68

7 何星，王宪成，和穆，等.车辆发动机实车进气流量计算模型研究[J].中国工程机械学报，2013，11（5）：380-384

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