进气节流对柴油机性能和排放影响的试验研究

吴滴，刘波，康见见，张超，刘冰

(重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122)

柴油机以优异的动力性和良好的经济性在现代交通、物流运输等领域广泛应用。柴油机作为动力机械给人们带来便利的同时，所造成的环境压力也日益引起人们的关注。为了汽车工业的可持续发展，以汽车为主要市场的国家制定了严格的排放法规。2018年7月3日，国家市场监督管理总局和生态环境部联合发布了GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》国家标准，明确表示到2023年，在我国生产、注册、销售、进口的所有商用车辆必须满足国六排放标准。

与GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》相比，国六法规中引入WHTC(World Harmonized Tranisient Cycle)工况法作为瞬态测试循环，取代了国五法规中的ETC循环[1]。其中WHTC循环包括冷态WHTC循环和热态WHTC循环。ETC和WHTC循环工况的时间均为1 800 s，但是WHTC循环相对于ETC循环转速更低，扭矩波动更为剧烈，更贴合车辆在实际道路中的运行状况[2-3]。

由以往的研究可知，ETC循环中增压器涡后出口的排气温度分布在300 ℃以上的概率为40%，250～300 ℃以上的概率为25%，而热态WHTC循环中增压器涡后排气温度分布在300 ℃的概率为5%，250～300 ℃的概率为25%，WHTC循环中的平均排气温度远低于ETC循环[2]。对于重型柴油机而言，氮氧化物(NOx)和颗粒物排放是排放控制的重中之重。选择性催化还原(SCR)技术能很大程度降低重型柴油机NOx排放，是柴油机满足法规排放的有效措施[4-6]。反应温度是影响SCR催化器反应效率的关键因素之一，在一定的温度范围内，反应温度越高，SCR的催化转化效率越高[7-10]。

为了使NOx满足WHTC排放循环的要求，在WHTC试验中需要尽早使排气温度到达SCR催化器的起燃温度。本研究在1台6缸柴油机上开展台架试验，研究了进气节流对发动机性能和排放的影响，为同类型柴油机利用进气节流措施提升排气温度提供依据。

1 试验装置与试验方案

1.1 试验设备

试验发动机为某公司生产的带进气节流装置(节气门)的电控高压共轨涡轮增压中冷柴油机，其主要技术参数见表1。测试台架采用HORIBA测试系统，包括电力测功机和排放测试系统，其中油耗仪和烟度计采用AVL设备，具体组成与型号见表2。

表1 发动机主要技术参数

表2 发动机台架测试系统

1.2 试验方案

由图1可以看出，WHTC循环大多数工况点分布在1 500 r/min以下，且发动机扭矩较小。此时后处理器入口温度相对较低，达不到后处理器催化剂所需要的起喷温度[11-12]。因此，试验选取700 r/min，900 r/min，1 100 r/min，1 300 r/min和1 500 r/min 5种转速下的低负荷工况点，在其他条件不变的情况下，通过改变节气门流通面积的大小(本研究用节气门的关度来表示进气节流程度，关度为节流阀闭角度的百分比，全开为0，全关为100%)，研究进气节流对柴油机性能和排放的影响。

图1 WHTC循环

2 试验结果与分析

2.1 进气节流对排气温度的影响

由图2和图3可见，转速恒定且节气门关度相同时，扭矩越大，过量空气系数越小，排气温度越高。当节气门关度小于50%时，进气节流措施对过量空气系数的影响较小，随着节气门关度的增加，排气温度略微升高；当节气门的关度超过50%时，随着节气门关度的进一步增加过量空气系数迅速减小，排气温度的提升效果非常明显。比如在节气门关度为50%时，扭矩为600 N·m，400 N·m，200 N·m和50 N·m与相同扭矩节气门开度为10%时相比，排气温度分别提升了16.1 ℃，1.6 ℃，10 ℃和5.1 ℃；当节气门关度为65%时，对应扭矩排气温度分别提升了154.8 ℃，85 ℃，66.1 ℃和44.2 ℃，提升率为49.6%，31.0%，34.5%和36.3%。当节气门关度超过70%时，过量空气系数接近1，部分工况点甚至到了1。此时由于进气量减少，混合气非常浓，燃烧已经十分不充分，燃烧循环变动加剧，扭矩波动较大。

图2 转速1 300 r/min，不同扭矩下节气门关度与过量空气系数的关系

图3 转速1 300 r/min，不同扭矩下节气门关度对排气温度的影响

由图4和图5可见，扭矩恒定且节气门关度相同时，转速越高，对应的过量空气系数越小，排气温度越高。与扭矩对过量空气系数的影响相比，转速对过量空气系数的影响相对较小。同恒转速的情况相似，恒扭矩时，节气门关度小于50%，进气节流措施对过量空气系数的影响较小，能略微提升排气温度；当节气门关度超过50%时，进气节流能显著影响过量空气系数，略微增加节气门开度，过量空气系数就会显著减小，同时排气温度会显著增加；当节气门开度超过70%以后，不同转速下的过量空气系数均已经接近1，由于后燃比较严重，排气温度会显著增加，但是此时燃烧已经显著恶化，在实际应用中，应使节气门关度不超过70%。

图4 扭矩200 N·m，不同转速下节气门关度与过量空气系数的关系

图5 扭矩200 N·m，不同转速下节气门关度对排气温度的影响

由以上分析可以知：1)进气节流措施在一定程度上能显著提高排气温度，当节气门关度达到一定程度后，排气温度基本都能达到300 ℃以上，较小转速/负荷工况也能达到250 ℃；2)当节气门的关度小于40%时，进气节流措施对排气温度的提升效果不是很明显；当节气门关度超过70%时，会使过量空气系数接近1，燃烧恶化；实际应用中节气门关度应在40%～65%之间；3)一般SCR后处理器的起喷温度在250～275 ℃之间，因此针对不同的工况需要设置不同的节气门关度。

2.2 进气节流对排放的影响

图6示出转速1 300 r/min时，不同扭矩工况下节气门关度对排放的影响。从图中可以看出，当节气门关度小于55%时，不透光烟度、NOx、CO、THC及排气中的氧含量受节气门的关度影响较小；当节气门的关度超过65%以后，随着节气门关度的增加，不透光烟度、CO及THC排放均会急剧上升。从图6b中可以看出NOx排放随着节气门关度的增加先上升后下降，当节气门关度超过70%时，NOx排放会急剧下降；在扭矩为50 N·m时，NOx增加最为明显。这是因为随着节气门关度的增加，进入发动机的空气流量逐渐减小，适当减小进气流量可以提高混合气的浓度，减少过多进气带走的热量，提高燃烧温度。从图6e中可以看出，此时混合气的氧含量并没有特别明显的变化，随着燃烧温度的提高，同时氧含量充足，NOx会随着燃烧温度的升高而增加。当节气门关度继续增加时，混合气中的氧含量逐渐减少，造成过浓区的烃裂解和不完全燃烧的概率增加，尾气中的颗粒、CO、THC就会上升，同时含氧量的减少抑制了NOx的生成，其排放量会减少。由图2可以看出，在低扭矩时的过量空气系数受节气门关度的影响更加明显，导致了NOx在低扭矩时随节气门关度的增加变化也更加明显。

图6 转速1 300 r/min，不同扭矩下节气门关度对排放的影响

图7示出扭矩200 N·m，不同转速下NOx、CO、THC及排气中的氧含量随节气门关度的变化情况。由图7a可以看出，随着节气门关度的增加NOx先增大，在节气门开度为55%～70%时，增幅明显加快；当节气门关度达到70%附近时NOx排放达到最大值；随着节气门开度的继续增加NOx排放迅速减小。图8示出扭矩200 N·m，不同转速下的NOx排放最大增加率。从图中可以看出，扭矩不变时，转速越高NOx排放增加率也越大。转速700 r/min时NOx排放的最大增加率只有22.0%，而在1 500 r/min时，NOx排放的最大增加率达到了61.8%。因此在利用进气节流提升排气温度的同时，需要考虑SCR的转化效率，要使NOx增加的幅度不超过SCR净化能力。如果NOx增加的幅度超过了提升排温后SCR转化效率提升的幅度，则应减小节气门的关度或者停止使用进气节流措施。

图7 扭矩200 N·m，不同转速工况下节气门关度对排放的影响

图8 扭矩200 N·m，不同转速下的NOx排放增加率

由图7b和图7c中可以看出，在不同转速下，随着节气门关度的增加，CO和THC具有相似的变化情况，都是随着节气门关度的增加而增大。节气门关度为0%～55%时，CO和THC增加幅度不是很明显；在55%～70%时，增幅比较明显；当节气门关度达到70%以后CO和THC都会急剧增加。从图4和图7d中可看出，节气门关度在70%附近时，过量空气系数接近1，排气中的氧含量也接近于8%或者低于8%，说明此时混合气比较浓，缸内燃烧不充分，导致了CO、THC的急剧增加。

2.3 进气节流对燃油消耗率的影响

由图9和图10中可以看出，当节气门的关度小于60%时，随着节气门关度的增加，平均燃油消耗率基本保持不变或者只有微小的增加，在扭矩200 N·m，转速1 300 r/min和1 500 r/min时，燃油消耗率出现了先轻微下降后上升的情况。但是当节气的关度超过60%以后，随着节气门关度的增加，燃油消耗率迅速上升。当节气门关度超过70%以后，恒转速和恒扭矩情况下燃油消耗率上升的速度都非常明显。从图9中可以观察到，恒转速时，当节气门的关度超过60%，扭矩越小，燃油消耗率受节气门关度的影响越大。

图9 转速1 300 r/min，不同扭矩下节气门关度对燃油消耗率的影响

图10 扭矩200 N·m，不同转速工况下节气门关度对燃油消耗率的影响

3 结论

a) 进气节流措施在一定程度上能显著提高排气温度，通过适当地控制节气门的关度能使大部分工况点排气温度达到300 ℃以上，较小转速/负荷工况点也可以达到250 ℃；

b) 当节气门关度小于40%时，排气温度提升效果不是很明显；当节气门关度超过70%时，会使过量空气系数接近1，燃烧恶化；实际应用中节气门关度应在40%～60%之间，且针对不同的工况需要设置不同的节气门关度；

c) 随着节气门关度的增加，NOx排放先增加后减小，在利用进气节流提升排气温度的同时，需要考虑SCR的转化效率，要使NOx增加的幅度不超过SCR净化能力提升的幅度；

d) 节气门关度在0%～55%时，CO、THC和不透光烟度增加幅度不是很明显；在55%～70%时，增幅比较明显；当节气门关度达到70%以后，CO,THC和不透光烟度都会急剧增加，因此在实际使用中要尽量避免节气门关度超过70%；

e) 节气门的关度小于60%时，燃油消耗率随着节气门关度的增加只有微小的增加，部分工况出现了先轻微下降后上升的情况，当节气的关度超过60%以后，随着节气门关度的增加，燃油消耗率会迅速上升，且对低扭矩工况点影响更加明显。