增大压缩比对国六柴油机性能的影响

陈香春，高慎勇，高莹，吕晓惠，张凌宏

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

柴油机的几何压缩比为气缸总容积与燃烧室容积之比；柴油机的实际压缩比反映了活塞由下止点运行到上止点的过程中缸内工质被压缩的程度[1]。压缩比影响柴油机气缸内气体的流动速度、油气混合的品质及压缩终点时缸内的压力和温度，进而影响柴油机气缸内的燃烧速率、平均有效压力和热效率，最终影响柴油机的整体性能[2-5]。

在工程应用中，增大压缩比可降低油耗,缩短滞燃期,降低燃烧噪声和NOx排放，改善冷起动能力，尤其是高原冷起动能力，加快暖机过程，解决冒白烟、熄火等问题。

增压柴油机的实际压缩比随着工况变化而变化，低负荷工况的实际压缩比小于几何压缩比，而高负荷工况的实际压缩比远大于几何压缩比[6]。低负荷工况，增压柴油机的实际压缩比低于几何压缩比，导致压缩终点的压力和温度下降，滞燃期延长，火焰传播速率降低，燃烧后移，热效率和平均有效压力降低，柴油机的动力性和经济性恶化。大负荷工况，实际压缩比随增压压力的提高而提高，缸内最高爆发压力和压力升高率迅速增大。针对高转速大负荷时缸内峰值压力过大的工况点，可利用米勒循环，采用进气门延迟关闭的方法灵活改变柴油机的有效压缩比[7-9]，从而降低缸内峰值压力，牺牲部分经济性，确保大负荷工况下柴油机工作稳定性。因此，增压柴油机的几何压缩比通常低于非增压柴油机的几何压缩比，以保证增压柴油机高负荷运行的可靠性。增大几何压缩比导致柴油机运行在高转速时的机械损失增多，有效热效率降低，燃油经济性变差，如果柴油机的使用工况多在高转速区域，几何压缩比不宜过大。

1 增大压缩比对国六柴油机经济性的影响

为提升某重型增压中冷柴油机的经济性，将压缩比分别从17.5增加到18.5、由18.5增加到20.0，进行相关试验，分析增大压缩比对柴油机燃油经济性和后处理系统性能的影响。柴油机主要技术参数见表1，台架试验仪器与仪表见表2。

表1 柴油机主要技术参数

表2 台架试验仪器与仪表

表2中，质量油耗仪的量程为0～25 kg/h，测量不确定度≤0.12%；涡轮后排气温度传感器为K型热电偶传感器，安装在涡轮增压器后120 mm处的排气管直管段上。K型热电偶传感器的量程为：-40～1000 ℃，-40～375 ℃时的测量允许误差为±1.5 ℃，375～1000 ℃时的测量允许误差为测量温度的±4‰。

以1400 N·m等扭矩工况点的燃油消耗率为例，定义各个转速点的燃油消耗率除以该压缩比对应的最低燃油消耗率为燃油消耗率无量纲值，得到压缩比对燃油消耗率的影响曲线。

压缩比对常用工况区燃油消耗率的影响曲线如图1所示，压缩比对外特性工况区燃油消耗率的影响曲线如图2所示。

图1 压缩比对常用工况区燃油消耗率的影响曲线 图2 压缩比对外特性工况区燃油消耗率的影响曲线

由图1、2可知，压缩比增大后，各转速下的燃油消耗率均有所下降，特别是常用工况区的燃油经济性改善明显。压缩比增大之后，滞燃期缩短，缸内燃烧速率加快，油气混合和燃烧更加充分，柴油机热效率提高，缸内放热量增加，有效功占比增大，从而降低燃油消耗率。

2 增大压缩比对国六柴油机排温的影响

柴油机的热量分布主要分3部分：有用功、冷却液带走的热量和排气带走的热量。相同工况点下，总热量一定，冷却液带走的热量变化较小，有效功的占比增大，排气带走的热量就会减小。常用工况区和外特性工况区压缩比对涡后排气温度的影响曲线如图3所示。

a)常用工况区 b) 外特性工况区图3 压缩比对涡后排气温度的影响

由图3可知，压缩比增大后，各转速下的涡轮后排气温度下降。根据工程经验，油耗提升0.5%，排气温度降低不低于0.5%，因为高压缩比导致壁面传热损失增多。压缩比由17.5增加到18.5过程中涡轮后排气温降见表3。

表3 压缩比对涡后排温的影响

3 增大压缩比对国六柴油机后处理系统的影响

采用选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)路线的国六柴油机后处理系统包括催化氧化装置(diesel oxidation catalyst，DOC)、颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)和SCR 3部分，排气温度是影响SCR反应效率和DPF再生的至关重要的因素。

SCR选用铜基催化剂。SCR前温度达到200 ℃，尿素起喷，SCR前温度达到250 ℃，进入铜基催化剂的高效反应区。国六排放标准[10]要求柴油机(130～560 kW)全球统一稳态试验循环(world harmonized steady-state cycle，WHSC)的NOx比排放小于0.4 g/(kW·h)，比国五标准的排放限值降低了80%，SCR的NOx转化效率大于97%。为保证SCR的反应效率，需要采用热管理手段提升排气温度，本文中所研究重型柴油机在WHSC和全球统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle，WHTC)测试中，SCR的转化效率在98%以上。

进气节流阀通过控制新鲜空气流量，降低空燃比，提高废气温度来保持催化剂所需的温度,是国六柴油机目前普遍采用的热管理手段。进气节流阀布置在中冷器后、进气歧管前的进气管路上，进气节流阀开度较小时，进气压力降低，甚至低于环境压力。进气歧管中的压力降低导致压缩行程结束时缸内压力也随之降低。柴油机需要一定的起燃条件才能在压缩行程结束时成功点燃缸内燃料，点火延迟过长将引起柴油机失火甚至熄火。点火延迟不仅与温度有关，而且与压缩行程结束时的压力有关。在环境温度为25 ℃、压缩压力低于2.5 MPa时，柴油机很难点火。本文中的重型柴油机在SCR 加热模式下，进气节流阀最小开度只有13%，此时的中冷后进气压力绝对值只有105 kPa。增大压缩比可以改善这种情况，在进气节流阀导致进气管压力低于环境压力的情况下，提供足够高的缸内压缩压力。

国六排放标准中规定：柴油机(130～560 kW)在WHSC和WHTC测试中颗粒物(particulate matter，PM)比排放小于0.01 g/(kW·h)，在WHSC测试中颗粒数(particle number，PN)排放小于8.0×1011，在WHTC测试中PN排放小于6.0×1011，DPF对PM的过滤效率可达95%，对PN的过滤效率可达99%，因此，后处理系统必须配备DPF[11]。本文中的重型柴油机，在WHSC中PM原排为 0.029 g/(kW·h)，在WHTC中PM原排为0.035 g/(kW·h)。柴油机运行过程中，颗粒物在DPF 中不断累积，为防止DPF堵塞，需要通过再生对DPF中的颗粒物进行清除。排气温度对DPF的再生至关重要，250～500 ℃时，在DOC内发生化学反应NO+O2→NO2、C + 2NO2→CO2+2NO，颗粒物中的碳被NO2氧化，即DPF发生被动再生，该过程不需要消耗额外的燃油[12-13]。NO2的转化效率随温度的变化曲线如图4所示。由图4可知，300 ℃以下，随着排气温度的降低，NO2的转化效率逐渐下降。温度降低及NO2生成量减少必然导致被动再生的强度减弱。

图4 NO2转化效率随温度变化曲线

增大压缩比使得缸内热效率提升，排气温度有所降低。提升压缩比后的排气温度可能不再能够支持被动再生，被动再生减弱导致积碳在DPF中不断累积。积碳累积到一定数量后会触发主动再生，需要往排气管中喷入燃油，燃油在DOC中氧化放热，将DPF之前的温度提升至600 ℃，发生化学反应C+O2→CO2，将积碳烧掉。提升压缩比，可降低柴油机本身的燃油消耗率，如果因排气温度的降低触发了主动再生或者增加了主动再生的频次，有可能会削弱提升压缩比带来的燃油消耗降低幅度。

4 结论

1)增大压缩比可以提高缸内压力和指示热效率，降低燃油消耗率，提升柴油机性能；但同时导致排气温度降低，影响DPF的被动再生效率，如果因此导致主动再生的触发，会削弱提升压缩比带来的燃油消耗降低幅度。

2)使用进气节流阀进行热管理时会降低缸内压缩终点时的压缩压力，增大压缩比可在进气节流阀导致进气管压力低于环境压力的情况下，提供足够高的缸内压缩压力。

3)压缩比过大时，高速大负荷缸内最高爆发压力迅速升高，燃烧过程粗暴，可利用米勒循环方法灵活改变有效压缩比，牺牲部分经济性，保证增压柴油机高负荷运行的可靠性。