大气压力对小型农用柴油机怠速工况燃烧与排放的影响

王 俊，申立中，文奕钧，赵 杰

大气压力对小型农用柴油机怠速工况燃烧与排放的影响

王 俊1，申立中2，文奕钧3，赵 杰3

（1. 西南林业大学机械与交通学院，昆明 650224；2. 昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；3. 昆明云内动力股份有限公司，昆明 650200）

怠速是非道路用柴油机重要的运行工况之一。为了深入探究大气压力对小型农用柴油机怠速工况下燃烧与排放性能的影响，利用大气压力模拟装置，研究了满足非道路国III排放标准的小型农用柴油机在怠速工况下燃烧特性与排放性能随大气压力（80、90、100 kPa）的变化规律。试验结果表明：在怠速工况下，小型农用柴油机匹配的涡轮增压器不起作用，并且在高原地区涡轮增压系统不具备自补偿能力；最高缸内压力、压力升高率峰值以及放热率峰值均随着大气压力的升高而升高，大气压力每升高10 kPa，上述燃烧参数分别平均升高13.33%、37.24%以及6.76%；而最高缸内燃烧温度随着大气压力的升高而降低，大气压力每升高10 kPa，平均降低11.18%；大气压力对CO排放与HC排放影响较大，大气压力每升高10 kPa，CO排放与HC排放分别平均降低47.47%与55.77%；大气压力对NOx排放与烟度的影响相对较小，大气压力每升高10 kPa，NOx排放平均升高18.93%，而烟度平均降低11.90%。该研究可为高原地区小型农用柴油机怠速工况的排放控制提供参考依据。

大气压力；燃烧；排放；农用柴油机；怠速

0 引 言

近年来，中国农机化事业快速发展，农业机械产量稳居世界第一[1]。柴油机因具有热效率高、经济性好、比质量小等优点，95%以上的农业机械以其作为动力单元[2-3]。农业机械长期处于低速、大负荷的运行工况，并且使用环境复杂、种类较多，采用的排放控制技术也较为落后，其污染物排放量巨大。2018年，农业机械排放碳氢化合物（HC）2.59×105t，氮氧化物（NOx）1.66×106t，颗粒物（PM）1.89×105t；在非道路移动源排放构成中，农业机械的HC排放量、NOx排放量、PM排放量占比分别为40.0%、32.5%以及41.6%[4]。

怠速是内燃机和车辆的重要运行工况之一[5-7]。由于怠速工况不对外输出功率，喷油量较小，此时空燃比比较大，燃烧不完全，导致消耗大量的燃油，排放较高的有害气体[8-10]。在不同的汽车法规循环工况中，怠速时间占比9.60%～31.44%，特别是当汽车运行在城区时，怠速运行的时间更长，消耗的燃油更多[11]。怠速排放的一氧化碳（CO）和HC量通常占汽车法规循环工况总排放量的70%左右[12]。

针对怠速工况的排放问题，Khan等[13]的研究表明，与重型柴油卡车相比，重型汽油卡车的NOx与二氧化碳（CO2）的排放速率比值低，但是CO2的排放速率高，而NOx和PM排放速率低。Brodrick等[14]的研究显示，怠速过程中的污染物排放量与发动机的生产时间、转速以及附件负荷等条件有关。Rahman等[15]对某柴油机在不同怠速工况（转速1 000 r/min，10%负荷、转速1 200 r/min，12%负荷以及转速1 500 r/min，15%负荷）下燃用生物柴油的油耗与污染物排放性能的研究结果表明，与燃用纯柴油相比，在所有高怠速工况下，燃用生物柴油与柴油的混合燃料时，CO和HC排放降低，而NOx排放和燃油消耗量增加，并且随着生物柴油混合比例的增加，燃油消耗量进一步增大。Rahman等[16]的研究还发现，随着生物柴油-柴油混合比例的增加，柴油机怠速工况下的排气温度逐渐降低。Roy等[17]的研究结果显示，燃用纯菜籽油或者菜籽油-柴油的混合燃料时，CO和HC排放均低于纯柴油；而在纯柴油中添加体积5%的生物柴油或菜籽油时，NOx排放可以降低或保持与燃用纯柴油的水平。刘振明等[18]针对一台发电用高压共轨柴油机的怠速工况，以降低怠速工况的NOx排放、烟度以及油耗为优化目标，采用正交试验法对该柴油机的喷射参数进行了试验，分析了燃油喷射参数对怠速工况的经济性和排放性能的影响。

在高原地区，大气压力下降，进气量降低，怠速工况的运行性能将进一步恶化。Wang等[19]对一台满足欧III排放标准的重型柴油机怠速工况的燃烧与污染物排放进行实地测量的结果表明，随着海拔的升高，最高气缸压力降低，最高缸内燃烧温度和排气温度升高；在高海拔地区，着火延长期增长，而燃烧持续期缩短；HC、CO以及PM排放随着海拔的升高而升高，而NOx排放随着海拔的升高呈现先升高后逐渐降低的趋势。Yin等[20]利用可移动发动机测试台架和便携式排放测试，在不同海拔下对某轻型货车的怠速工况排放特性进行了实地测量，得出类似的结论。Pekula等[21]利用环境仓对5辆美国8级卡车在不同环境温度（0°F、65°F、90°F）、不同湿度以及不同发动机转速下怠速工况的排放特性的测量结果表明，随着环境温度和相对湿度的增加，怠速工况下的NOx排放随之增大；油耗和CO2排放在环境温度90°F时达到最大值；油耗和总的污染物排放量随着发动机转速的升高而升高。Storey等[22]进行的类似研究表明，8级卡车在怠速工况下PM的排放随着环境温度的升高而降低，随着怠速转速的升高呈现不成比例升高的现象；HC、CO以及NOx排放随着怠速转速的升高而升高。Mccormick等[23]在海拔1 609 m的地区对24辆重型柴油车辆以及4辆燃用天然气的重型车辆在怠速工况下的HC、CO、NOx以及PM排放测量结果表明，无论是柴油车辆还是天然气车辆，与驾驶工况相比，在怠速工况下的PM排放较低，而HC、CO以及NOx排放更高。上述研究主要局限于重型柴油机或者重型卡车在怠速工况下的燃烧和排放特性，而针对小型农用柴油机在高原地区或者不同海拔下的燃烧与排放特性的研究尚未见到相关报道。

中国海拔高度在1 000 m以上的土地面积约占全国总面积的58%，2 000 m以上的高原地区约占33%。大量以柴油机为动力装置的农业机械运行在这些区域[24-25]。随着国家对农机购置补贴力度的加大，在高原地区运行的农业机械数量还将进一步攀升[26]。在中国非道路移动机械柴油机的第三、四阶段排放法规中，对于在非恒定转速下工作的柴油机，八工况稳态试验循环中怠速工况的占比为15%；而对于额定净功率小于19 kW、在非恒定转速下工作的柴油机，六工况稳态试验循环中怠速工况的比重为5%。在第四阶段非道路瞬态试验循环（NRTC）中，怠速工况占比为4.52%[27]。对于农用柴油机，由于自身的用途和市场定位，从设计、开发、标定等方面均不同于车用柴油机，采用的排放控制技术也远不及车用柴油机，势必二者的燃烧与排放特性也不尽相同[28]。大气压力、大气温度以及大气湿度均会对柴油机性能产生一定的影响，但是大气压力对柴油机综合性能的影响最为显著[29-30]。因此，利用大气压力模拟装置，研究大气压力对小型农用柴油机怠速工况下进气参数、燃烧特性以及排放性能的影响，以了解此类机型在怠速工况下燃烧与排放性能随大气压力的变化规律，为高原地区小型农用柴油机怠速工况的排放控制提供参考依据。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验机型为一台满足非道路国III排放标准的小型农用直列四缸、四冲程、增压中冷柴油机，并且该机型配备高压共轨式燃油喷射系统，其基本参数如表1所示。试验中用到的设备主要包括中国杭州弈科机电公司的WE31N水涡流测功机、FCM瞬态油耗测量仪以及EIM0311D测控仪，上海同圆发动机测试设备有限公司的TOCEIL-LFE300进气流量计，英国德鲁克有限公司的PTX1400压力传送器，奥地利žAVL公司的GH13P预热塞式缸内压力传感器、AVL microIFEM电荷放大器、AVL 622燃烧分析仪、AVL SESAM i60 FTIR傅里叶变换红外光谱仪以及AVL 415S G002烟度计等。

表1 发动机基本参数

1.2 试验方法

试验地点的海拔高度约为2 000 m，大气压力约为80 kPa。因此，选取3个大气压力，即：80、90（对应的海拔约为1 000m）、100 kPa（对应的海拔约为0 m），开展大气压力对小型农用柴油机在怠速工况下燃烧与排放性能影响的研究工作。采用上海同圆发动机测试设备有限公司的ToCeiL-KT2400发动机进气空调以及调节排气背压阀模拟大气压力的变化。当大气压力为80 kPa时，不采用进气空气和排气背压阀对柴油机的进气压力和排气压力进行控制，进气压力和排气压力均在当地大气压力；当模拟的大气压力为90和100 kPa时，由进气空调的压力调节装置对进气进行加压，使得进气压力分别稳定在90和100 kPa，同时调节发动机的排气背压阀保持排气背压与进气压力一致。ToCeiL-KT2400发动机进气空调利用风机变频进行压力控制，并对目标压力进行反馈调节，其压力控制精度可以达到±0.1 kPa。另外，为了降低进排气压力波动对试验过程的影响，分别在进排气端安装相应的稳压装置。试验台架布置示意图如图1所示，部分试验台架实物如图2所示。试验过程中，未对柴油机做任何调整，也未对试验数据进行大气修正。

由于怠速工况波动较大，为了减小试验误差，对于燃烧数据的测量，在每个工况点采集50个循环，取其平均值进行研究分析。标准偏差是量度数据分散程度的统计标准，其值越小，代表数据偏离平均值越少，反之亦然。对于进气参数与排放数据的测量，在每个工况点记录3次，计算其平均值与标准偏差。

图1 台架布置示意图

1.试验用发动机 2.TOCEIL-LFE300进气流量计 3.WE31N水涡流测功机 4.涡轮增压器 5.AVL 415S G002烟度计 6.中冷器 7.AVL SESAM i60 FTIR傅里叶变换红外光谱仪

2 结果与分析

2.1 进气参数

表2为怠速工况下进气参数随大气压力的变化。由表2可知，增压压力几乎与大气压力相等。大气压力从80 kPa升高到90 kPa，增压压力升高了11.38%；大气压力从90 kPa升高到100 kPa，增压压力升高了11.67%；大气压力每升高10 kPa，增压压力平均升高11.53%。虽然该小型农用柴油机匹配有涡轮增压器，但在怠速工况下涡轮增压器并未起作用，并且在怠速工况下也未体现出涡轮增压系统在高原地区的自补偿能力。

进气量随着大气压力的升高而逐渐升高。大气压力从80 kPa升高到90 kPa，进气量升高了10.31%；大气压力从90 kPa升高到100 kPa，进气量升高了12.63%；大气压力每升高10 kPa，进气量平均升高11.47%。由于在怠速工况下涡轮增压系统并未起作用，因此，进气量的升高主要是由于大气压力的升高，海拔降低，空气密度增大所致。

喷油量随着大气压力的升高呈现逐渐降低的趋势。大气压力从80 kPa升高到90 kPa，喷油量降低了7.42%；大气压力从90 kPa升高到100 kPa，喷油量降低了0.75%；大气压力每升高10 kPa，喷油量平均降低了4.09%。在怠速工况下，柴油机不对外输出功率，其燃烧释放的能量只需克服自身内部摩擦阻力，其喷油量较小，此时空燃比较大，形成的可燃混合气质量较差。随着大气压力的升高，进入缸内的进气量增大，缸内氧含量升高，较小的喷油量即可在缸内形成一定数量的可燃混合气以维持怠速工况的稳定运转。

表2 怠速工况进气参数随大气压力的变化

2.2 燃烧特性

在不同大气压力下，怠速工况缸内压力随曲轴转角的变化如图3所示。

图3 不同大气压力下怠速工况缸内压力随曲轴转角的变化

从图3中可以看出，随着大气压力的升高，最高缸内压力逐渐升高，最高缸内压力对应的曲轴转角也随之提前。大气压力每升高10 kPa，最高缸内压力平均升高0.49 MPa，升幅为13.33%。随着大气压力的升高，进气量增大，缸内氧含量增多，燃烧过程逐步改善，最高缸内压力升高。进气量的增大使得缸内压缩终点时的压力和温度升高[31]，滞燃期缩短，燃烧始点提前，因而最高缸内压力对应的曲轴转角也相应提前。

图4为不同大气压力下，怠速工况压力升高率随曲轴转角的变化。由图可见，压力升高率峰值随着大气压力的升高而升高，其峰值对应的曲轴转角也逐渐提前。大气压力每升高10 kPa，压力升高率平均增加0.06 MPa/(°CA)，增幅37.24%。随着大气压力的升高，一方面，进气量增加，氧含量增多，使得预混燃烧阶段的可燃混合气数量增大；另一方面，进气量的增加使得滞燃期缩短，这又使得预混燃烧阶段的可燃混合气数量有所减小。分析认为：进气量的增加对可燃混合气数量的形成占据主导地位，这使得预混燃烧阶段的可燃混合气数量随着大气压力的升高而增多，开始燃烧之后的缸内压力上升相对较快，因而压力升高率峰值较高。滞燃期的缩短使得燃烧开始较早，其峰值出现的曲轴转角也随之提前。

图4 不同大气压力下怠速工况缸内压力升高率随曲轴转角的变化

在不同大气压力下，怠速工况放热率随曲轴转角的变化如图5所示。随着大气压力的升高，燃烧始点提前，放热率峰值升高，并且其对应的曲轴转角也相应提前。大气压力每升高10 kPa，放热率峰值平均升高0.90 J/(°CA)，升幅6.76%。随着大气压力的升高，进气量的增加使得缸内压力终点时的压力和温度升高，可燃混合气的形成速度加快，预混燃烧阶段的可燃混合气数量增多，预混燃烧阶段的放热量增大，放热率峰值升高。压缩终点时的缸内压力升高，燃料着火前的物理化学反应速率加快，燃烧始点也相应提前。

在怠速工况下，大气压力对缸内燃烧温度的影响如图6所示。在相同的曲轴转角下，缸内燃烧温度随着大气压力的升高而降低；随着大气压力的升高，最高缸内燃烧温度降低，其对应的曲轴转角呈现略微提前的趋势。大气压力每升高10 kPa，最高缸内燃烧温度平均降低112.25 K，降幅11.18 %。上述现象主要由2方面原因造成：1）大气压力的升高，进气量增大，缸内的氧含量增多，相对于高海拔地区（较低的大气压力），较小的喷油量即可维持怠速工况的正常运转，喷油量的减小使得缸内燃烧的平均温度降低[32]；2）随着大气压力的升高，滞燃期缩短，燃烧始点提前，较早的预混燃烧阶段放热量使得分子的布朗运动加强，同时缸内氧含量的增多加快了扩散燃烧速度，减轻了后燃现象，这也降低了缸内燃烧的平均温度。

图5 不同大气压力下怠速工况放热率随曲轴转角的变化

图6 不同大气压力下怠速工况缸内燃烧温度随曲轴转角的变化

2.3 排放特性

怠速工况下排放参数随大气压力的变化如表3所示。从表中可以看出，NOx排放随着大气压力的升高呈现逐渐升高的趋势。大气压力每升高10 kPa，NOx排放平均升高18.93%。NOx的生成一般由缸内的燃烧温度、氧含量以及高温持续时间决定。随着大气压力的升高，一方面，缸内燃烧温度降低（如图6所示）阻碍了NOx的生成；另一方面，缸内氧含量又随着大气压力的升高而增大，这又促进了NOx的生成。在怠速工况下，缸内燃烧温度相对较低，随着大气压力的升高，缸内燃烧温度的降低对NOx生成的抑制作用不明显，而缸内氧含量的增加对NOx的生成占据了主导地位，因而NOx排放随着大气压力的升高而增大。

表3 怠速工况排放参数随大气压力的变化

由表3可见，在怠速工况下，CO排放随着大气压力的升高而急剧降低。大气压力从80 kPa升高到90 kPa，CO排放降低了50.88%；大气压力从90 kPa升高到100 kPa，CO排放降低了44.06%。大气压力每升高10 kPa，CO排放平均降低47.47%。CO是不完成燃烧的产物，在怠速工况下，循环喷油量较小，燃烧室内存在较多的过稀混合气区域，随着大气压力的升高，缸内氧含量增加与压缩终点时的压力和温度升高均有助于减少过稀混合气区域，改善燃烧的着火条件，从而减少了CO的生成量。另外，随着大气压力的升高，缸内氧含量增加还有助于CO后期的氧化，虽然缸内燃烧温度随着大气压力的升高而降低，不利于CO的氧化，但是在怠速工况下，缸内燃烧温度相对较低，CO后期的氧化效果不明显。因而，最终CO排放呈现随大气压力升高而降低的趋势。

与CO排放类似，在怠速工况下，HC排放随着大气压力的升高也呈现快速下降的趋势。大气压力从80 kPa升高到90 kPa，HC排放降低了60.20%；大气压力从90 kPa升高到100 kPa，HC排放降低了49.34%。大气压力每升高10 kPa，HC排放平均降低55.77%。HC排放主要来自燃油喷注外缘存在的过稀混合区域。大气压力升高，进气量增加，压缩终点时的压力和温度升高，有利于减小过稀混合气不易着火与火焰激冷淬熄的现象，滞燃期缩短还降低了燃油与壁面碰撞的机率，氧含量的增加也有助于HC的氧化，这均使得HC的排放减少。

从表3中可以看出，在怠速工况下，烟度随着大气压力的升高而降低。大气压力每升高10 kPa，烟度平均降低11.90 %。大气压力升高，进气量增大，有利于形成高质量的可燃混合气，同时氧含量与压缩终点时压力和温度的升高加快了预混燃烧阶段可燃混合气的形成，使得预混燃烧阶段所涉及的燃油量占循环供油量的比例增加，而扩散燃烧阶段的比例降低，碳烟排放减少。

在非道路移动机械柴油机排放法规的稳态和瞬态测试循环中，怠速工况的占比较高；在农业机械的实际作业中，怠速也是典型运行工况之一。由表3可见，怠速工况的CO和HC排放较高，高原地区这两种污染物排放进一步加剧；与平原地区相比，高原地区怠速工况的烟度排放升幅较小，而NOx排放随着海拔的升高而降低。为使高原地区小型农用柴油机具有较低的污染物排放水平，需采用柴油机氧化催化转换器（DOC）降低怠速工况较高的CO和HC排放；在保证怠速平稳运行的前提下，可通过优化喷油参数在不恶化NOx排放的同时进一步降低烟度排放。

3 结 论

1）在怠速工况下，小型农用柴油机匹配的涡轮增压器不起作用，并且在高原地区涡轮增压系统不具备自补偿能力。

2）在怠速工况下，小型农用柴油机的最高缸内压力、压力升高率以及放热率峰值均随着大气压力的升高而升高，大气压力每升高10 kPa，上述燃烧参数分别平均升高13.33%、37.24%以及6.76%；而最高缸内燃烧温度随着大气压力的升高而降低，大气压力每升高10 kPa，平均降低11.18%。

3）大气压力对小型农用柴油机怠速工况下的CO排放与HC排放影响较大，随着大气压力的升高，CO排放与HC排放急剧下降，大气压力每升高10 kPa，分别平均降低47.47%和55.77%；而大气压力对NOx排放与烟度的影响相对较小，大气压力每升高10 kPa，NOx排放平均升高18.93%，烟度平均降低11.90%。

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Effects of atmospheric pressure on combustion and emission of a small agricultural diesel engine at idle condition

Wang Jun1, Shen Lizhong2, Wen Yijun3, Zhao Jie3

(1.,,650224,; 2.,,650500,; 3..,.,650200,)

Idle is one of the important operating conditions for non-road diesel engines. In China III, IV stage emission regulations from diesel engines for non-road mobile machinery, the proportion of idle condition in the eight-condition steady-state test cycle is 15% for the diesel engine operating at non-constant speed, and its ratio is 5% in the six-condition steady-state test cycle for the diesel engine with rated net power less than 19 kW and operating at unsteady speed. In China IV stage of non-road transient cycle (NRTC), the idle condition accounts for 4.52%. Due to the fact that the idle condition does not output power and also the fuel injection amount is small, the air-to-fuel ratio is relatively large and the combustion is incomplete at this time, which results in a large amount of fuel consumption and high emission of harmful gases. The land area with an altitude of more than 1 000 m in China is about 58% of the total area of the country, and proportion is about 33% for the plateau area with an altitude of more than 2 000 m. A large number of agricultural machinery powered by diesel engines operate at these areas. Compared with the sea level, atmospheric pressure will decline in plateau areas, the intake air mass flow rate decreases, and the operating performance at idle condition will further deteriorate. In order to investigate the effects of atmospheric pressure on combustion characteristics and emission performance of a small agricultural diesel engine at idle condition, the change law of combustion and emission performance of the small agricultural diesel engine, which meets the emission standard of China III non-road mobile machinery, was studied at different atmospheric pressures such as 80, 90, 100 kPa by using atmospheric pressure simulator. The experimental results demonstrated that the turbocharger matched with the small agricultural diesel engine did not work, and also the turbocharger system did not have self-compensation capability in plateau area at idle condition. Peak in-cylinder pressure, peak in-cylinder pressure rise rate, and peak heat release rate all go up with an increasing of atmospheric pressure; the average increase rate were 13.33%, 37.24% and 6.76%, respectively, with atmospheric pressure increased per 10 kPa. However, peak in-cylinder combustion temperature showed a decreased tendency with atmospheric pressure increased; the average decrease rate was 11.18% with atmospheric pressure increased per 10 kPa. Atmospheric pressure had a great influence on carbon monoxide (CO) emission and hydrocarbon (HC) emission. CO emission and HC emission declined sharply with an increasing of atmospheric pressure; the average decrease rate were 47.47% and 55.77%, respectively, with atmospheric pressure increased per 10 kPa. The variation range of nitrogen oxides (NOx) emission and smoke were relatively small with atmospheric pressure increased. With atmospheric pressure increased per 10 kPa, the average NOx emission increased 18.93%, while the average smoke reduced 11.90%. This research can provide a reference for the establishment of emission control strategy for a small agricultural diesel engine at idle condition in a plateau area.

atmospheric pressure; combustion; emission; agricultural diesel engine; idle

王 俊，申立中，文奕钧，等. 大气压力对小型农用柴油机怠速工况燃烧与排放的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(15)：73-79.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.009 http://www.tcsae.org

Wang Jun, Shen Lizhong, Wen Yijun, et al. Effects of atmospheric pressure on combustion and emission of a small agricultural diesel engine at idle condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 73-79. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.009 http://www.tcsae.org

2019-12-03

2020-06-18

云南省农业联合青年项目（2018FG001-096）；云南省教育厅科学研究基金项目（2018JS337）；西南林业大学校级科研专项项目（111912）

王俊，博士，讲师，主要从事内燃机增压技术研究。Email：zjwj1121@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.009

TK421

A

1002-6819(2020)-15-0073-07