进气节流对车用柴油机性能影响的试验研究

王贵勇，邹诚华，姚国仲，申立中，黄粉莲

(昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500)

随着排放法规日趋严格，仅仅依靠机内净化技术已经很难满足排放标准。机内净化和发动机尾气后处理设备的结合使用，可以有效地使发动机排放污染物降低到标准以下，满足排放法规的要求[1]。目前，国内大部分满足国Ⅵ排放法规的轻型柴油车均采用“EGR+DOC+DPF+SCR”的排放技术路线[2-3]。颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是技术路线中用于解决柴油机炭烟排放的后处理设备[4-9]，具有90%以上的捕集效率。DPF捕集效率的高低很大程度取决于主动再生技术[10-12]。在柴油机大部分的运行工况下，排气温度一般为100～550 ℃，而DPF主动再生需求温度在550～600 ℃及以上，因此有必要采用发动机排气热管理技术来提高发动机排气温度。通过在进排气管安装节流阀、增压器匹配、控制燃油喷射策略、排气管保温和在DPF前增加DOC设备等方式[8, 13-17]，在不损失动力性，保证经济性的前提下，尽可能地提高发动机排气温度，保障DPF的高效捕集效率。

传统柴油机没有电子节气门，发动机进气充分，缸内燃烧总体呈现富氧状态。理论上，发动机过量空气系数在任何运行工况下都远大于1。因此，可以通过在进气管安装节流阀，利用进气节流来提高发动机的排气温度。根据文献[15, 17-22]报道，通过在进气管安装节流阀，可以明显提高发动机排气温度。这表明适当改变进入柴油机的空气量，可以有效提升发动机的排气温度。但是改变发动机进气量会影响缸内燃烧效果，从而影响发动机的动力、经济和排放性能。因此，有必要对车用发动机进气管安装节流阀对发动机造成的影响进行更加深入的研究。

本研究在某款高压共轨柴油机进气管加装电子节气门，研究不同进气流量对发动机性能和排放的影响，为基于DPF主动再生的排气热管理技术提供一定参考。

1 试验设备及试验方案

1.1 试验设备

试验发动机为直列4缸高压共轨柴油机，其主要技术参数见表1。试验台架设备见表2，试验台架整体布置形式见图1。

表1 发动机主要技术参数

表2 发动机测试设备

图1 试验台架整体布置

1.2 试验方案

发动机转速选择1 600 r/min和2 000 r/min，扭矩分别选择各转速下最大负荷的25%，50%和75%对应的扭矩。试验过程中保持转速和扭矩一定，通过调整电子节气门关度(0%为全开，100%为全关)改变发动机的进气流量，分别测试节气门关度为0%，20%，40%，60%和70% 5个关度下，进气节流对发动机过量空气系数、燃油消耗率、排气温度和排放特性的影响。发动机过量空气系数为实际进入气缸内的空气量与燃料理论燃烧所需空气量的比值，其计算公式如下：

λ=mair/(lDmD)。

(1)

式中：λ为过量空气系数；mair为进气质量流量；lD为柴油理论空燃比14.3；mD为柴油喷油量。

2 试验结果分析

2.1 节气门关度对过量空气系数的影响

图2和图3分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对过量空气系数的影响。从图2和图3可以看出，节气门关度相同时，负荷越大过量空气系数越小。传统柴油机没有节气门，属于质调节，发动机通过调整喷油器喷入气缸内柴油的多少来改变负荷的大小。相同转速及节气门关度下，进入气缸的空气流量一定，负荷越大，缸内喷入的柴油数量越多，则过量空气系数越小。从图3也可以看出，当节气门关度及负荷固定时，发动机转速越高，进气系统惯量越大，能进入气缸的空气越多，因此，发动机2 000 r/min时的过量空气系数大于1 600 r/min时的过量空气系数。

图2 1 600 r/min时节气门关度对过量空气系数的影响

图3 2 000 r/min时节气门关度对过量空气系数的影响

从图2和图3还可以看出，过量空气系数随着节气门关度的增加而减小，节气门关度越大，过量空气系数越小。1 600 r/min时，进气节流效果在50%负荷下最明显，当节气门关度在70%时，过量空气系数减小了14%；2 000 r/min时，进气节流效果在各负荷下相差不大，当节气门关度在70%时，过量空气系数均减小了11%以上。因为节气门关度直接影响柴油机进气流量，节气门关度越大，相同工况下进入气缸的空气量越少，而所喷柴油量并不随空气量的减少而减少，所以随着节气门关度的增加，过量空气系数减小。表3示出节气门关度为70%时，各个工况下过量空气系数的降低幅度。

表3 节气门关度70%时各工况过量空气系数降低幅度

2.2 节气门关度对燃油消耗率的影响

图4和图5分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对燃油消耗率的影响。

图4 1 600 r/min时节气门关度对燃油消耗率的影响

图5 2 000 r/min时节气门关度对燃油消耗率的影响

从图4和图5可以看出，节气门关度相同时，负荷越大燃油消耗率越小。传统柴油机没有节气门，理论上缸内过量空气系数在任何工况下都大于1。发动机低负荷时，喷油器喷入缸内的燃料较少，过多的空气导致局部混合气过稀，混合气因为太稀而不能正常燃烧，缸内燃烧效果差，燃油消耗率升高。从图5也可以看出，当节气门关度及负荷固定时，因为燃油消耗率与发动机机械效率和指示热效率的乘积成反比，指示热效率随转速的变化不大，而发动机机械效率随转速的增高而下降，所以发动机2 000 r/min时的燃油消耗率大于1 600 r/min时的燃油消耗率。

从图4和图5还可以看出，当节气门关度较小时，进气节流可以降低发动机燃油消耗率，改善发动机经济性。继续增加节气门关度，燃油消耗率同步增加，经济性开始变差。1 600 r/min时，节气门关度从0%增加到40%，各工况燃油消耗率均下降。在25%负荷、40%节气门关度时，燃油消耗率最大降低了4.5 g/(kW·h)。2 000 r/min时，节气门关度从0%增加到40%，各工况燃油消耗率均下降。在25%负荷、40%节气门关度时，燃油消耗率最大降低了3.0 g/(kW·h)。因为节气门关度直接影响发动机进气流量，节气门关度增大导致进气流量减少，柴油机在大部分工况下属于富氧燃烧。进气流量的减少使得局部过稀混合气减少，可燃混合气增多，所以此刻燃烧效果比节气门未关时要好，燃油消耗率有所下降。但是继续增大节气门关度时，进气节流损失增大，进气氧含量的减少使得缸内燃烧变差，燃油消耗率开始上升。表4示出节气门关度为40%时，各个工况下燃油消耗率的降低量。

表4 节气门关度40%时各工况燃油消耗率降低幅度

2.3 节气门关度对排气温度的影响

图6和图7分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对排气温度的影响。

图6 1 600 r/min时节气门关度对排气温度的影响

图7 2 000 r/min时节气门关度对排气温度的影响

从图6和图7可以看出，节气门关度相同时，负荷越大排气温度越高。由前文可知，负荷增大过量空气系数减少，缸内新鲜充量减小，换热能力降低。发动机在高负荷工况下，喷油器喷入缸内的燃料较多，可燃混合气充分燃烧，所以排气温度升高；发动机2 000 r/min，75%负荷时，因为缸内喷油次数增加，缸内空气量开始减少，所以排气温度远高于1 600 r/min，75%负荷时，且不需要调节进气门关度排气温度就能超过550 ℃，达到DPF主动再生需要的再生温度；在1 600 r/min，75%负荷时，节气门关度为70%时排气温度也能超过550 ℃，达到DPF主动再生需要的再生温度。

从图6和图7还可以看出，发动机排气温度随着节气门关度的增加而升高。节气门关度在0%～40%时，排气温度升高幅度较缓，此时发动机过量空气系数仍然较高，缸内依旧存在过量的空气，换热效果较强。随着节气门关度的继续增大，进气节流效果加强，排气温度开始大幅上升。当节气门关度增加到70%，发动机在1 600 r/min时，25%负荷下排气温度增加了7%，50%负荷下增加了7.5%，75%负荷下增加了6%且排温达到了DPF主动再生所需要的再生温度。当节气门增加到70%，发动机在2 000 r/min时，25%负荷下排气温度增加了10%，50%负荷下增加了8%，75%负荷下增加了7%。可以看出，2 000 r/min下进气节流效果更好。主要原因是进气冲程吸入发动机的新鲜空气不仅使燃油混合更加充分，也起到了换热作用。随着节气门关度的增加，相同工况下进入气缸的进气流量减少，换热效果变差，所以排气温度会随着节气门关度的增加而增加。表5示出节气门关度为40%时，各个工况下排气温度的增加幅度。

表5 节气门关度40%时各工况排气温度增加幅度

2.4 节气门关度对排放的影响

图8和图9分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对CO排放量的影响。

图8 1 600 r/min时节气门关度对CO排放的影响

图9 2 000 r/min时节气门关度对CO排放的影响

从图8和图9可以看出，节气门关度相同时，CO排放量随负荷的增大而减少。节气门关度和负荷相同时，CO排放量随转速的增大而减少。CO是工质燃烧过程中的一种中间产物，如果燃烧过程中氧气含量足够，燃烧温度也足够高并且有充分的反应时间，CO最终会氧化成CO2排出气缸。发动机在低负荷工况下空燃比大，氧气浓度足够，但是从前文可知，负荷越低排气温度越低，排气温度也是反映缸内燃烧的一个重要参数，排气温度低表明在当前工况下缸内燃烧的最高温度低，而这就打破了CO氧化成CO2的高温条件，综上所述，CO的排放表现为随负荷的增加而减少。

从图8和图9还可以看出，CO排放量随节气门关度的增加而增大。节气门关度在0%～40%时，CO排放量增加很少，可以忽略不计。继续增大节气门关度，CO排放开始增加。2 000 r/min时进气节流效果对CO排放的影响比1 600 r/min时更显著。因为节气门关度增大导致进气流量减少，进入缸内的氧气浓度也相应减少，大量的CO不足以氧化成CO2，所以导致CO排放量增加。表6示出节气门关度为40%时，各个工况下CO排放量的增加幅度。

表6 节气门关度40%时各工况CO排放量增加幅度

图10和图11分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对THC排放量的影响。从图10和图11可以看出，节气门关度相同时，负荷越大THC排放量越少。在相同节气门关度和负荷下，THC排放量随转速的增大而减少。THC本质上是喷入气缸的燃料未充分燃烧或没有燃烧而直接从排气管排出的一种碳氢化合物，THC排放量的多少主要取决于缸内的温度及氧气浓度，负荷及转速越高，缸内燃烧效果越好，温度越高，燃料燃烧更加充分，THC排放量减少。

从图10和图11还可以看出，节气门关度对THC排放量的影响较大，THC排放随节气门关度的增加先减少后增加。节气门关度在从0%增加到60%，THC排放量逐渐减少。当节气门关度增加到60%，1 600 r/min时，25%负荷下THC排放最大降低了9.2%，50%负荷下最大降低了13.5%，75%负荷下最大降低了12.6%；当节气门关度增加到60%，2 000 r/min时，25%负荷下THC排放最大降低了11%，50%负荷下最大降低了11.5%，75%负荷下最大降低了16%。继续增大节气门关度，由于进入燃烧室的氧气过少导致浓混合气增加，THC排放呈现上升的趋势，但是都低于节气门关度为0%时的THC排放量。表7示出节气门关度为60%时，各个工况下THC排放量的降低幅度。

图10 1 600 r/min时节气门关度对THC排放的影响

图11 2 000 r/min时节气门关度对THC排放的影响

表7 节气门关度60%时各工况THC排放量降低幅度

图12和图13分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对NOx排放量的影响。

图12 1 600 r/min时节气门关度对NOx排放的影响

图13 2 000 r/min时节气门关度对NOx排放的影响

从图12和图13可以看出，节气门关度相同时，NOx排放量随着负荷的增加而增加。NOx的主要生成条件是“高温富氧”，因为柴油机没有节气门，所以在大部分工况下柴油机都属于富氧燃烧，在相同转速下随着喷油量的增加柴油机扭矩逐渐增大，缸内燃烧更加充分，最高温度增加，导致NOx大幅度增加。

从图12和图13还可以看出，加入电子节气门后，NOx排放量随着节气门关度的增加先减少后增加。随着节气门关度的逐渐增大，虽然缸内温度因为进气流量的减少有所增加，但是进气流量减少的同时缸内氧浓度也下降，综合影响下NOx呈现下降趋势。发动机在1 600 r/min时，节气门关度由0%增加到40%，NOx排放量呈下降趋势，继续增大节气门关度，因为缸内燃烧温度的上升及氧气浓度的降低导致NOx排放上升；发动机在2 000 r/min时，NOx排放量在节气门关度0%～40%之间降低，继续增大节气门关度至70%，NOx排放上升。表8示出节气门关度为40%时，各个工况下NOx排放量的降低幅度。

表8 节气门关度40%时各工况NOx排放量降低幅度

图14和图15分别示出发动机在1 600 r/min和2 000 r/min时，节气门关度对烟度的影响。

图14 1 600 r/min时节气门关度对烟度的影响

图15 2 000 r/min时节气门关度对烟度的影响

从图14和图15可以看出，节气门关度相同时，负荷越大烟度越高。发动机转速一定时，负荷越大，缸内燃油量越多，局部过浓混合气比例增加，导致烟度升高。从图14和图15也可以看出，转速越高烟度越高。由前文可知，2 000 r/min，75%负荷下过量空气系数远大于1 600 r/min，75%负荷下过量空气系数，理论上烟度应该降低。但是转速越高循环燃烧时间相应越少，大量燃烧过程中生成的炭烟没有足够的反应时间而被排出气缸，导致烟度增加。

从图14和图15还可以看出，烟度随着节气门关度的增加而增大。节气门关度从0%增加到40%时，烟度增加较少。当节气门关度增加到40%，1 600 r/min时，25%负荷烟度增加了18.8%，50%负荷烟度增加了5.8%，75%负荷烟度增加了3.7%；2 000 r/min时，25%负荷烟度增加了15.3%，50%负荷烟度增加了5.5%，75%负荷烟度增加了5.8%。继续增大节气门关度，进气节流效果不断加强，进入缸内的空气减少，使得过浓混合气量增加，从而加大炭烟的排放。表9示出节气门关度为40%时，各个工况下烟度的增加幅度。

表9 节气门关度40%时各工况烟度增加幅度

通过对节气门进气节流效果的试验和分析，综合考虑发动机经济性和排放性能，发现电子节气门关度为40%时，发动机能够在有效燃油消耗率降低、THC和NOx排放降低、CO和烟度轻微上升的基础上最大程度提高发动机的排气温度。表10示出节气门关度为40%时，发动机各工况下性能对比。

表10 节气门关度40%时与原机性能对比

3 结论

a)节气门进气节流显著影响发动机进气量和排气温度;发动机过量空气系数随节气门关度的增大而减少，70%关度时，各工况过量空气系数均降低11%以上；发动机排气温度随节气门关度的增大而升高，40%关度时，各工况排气温度增加幅度可达2%，70%关度时，各工况排气温度增加幅度可达7%以上;

b)燃油消耗率随节气门关度的增加先减小后增大;节气门关度在0%～40%时，略微减少进气量使缸内燃烧效果更好，燃油消耗率有所下降;继续增大节气门关度，燃油消耗率上升;

c)CO排放和烟度在节气门关度为0%～40%之间有小幅度的上升，各工况下CO排放量增加不超过3%;发动机低负荷下不宜采取进气节流措施，会造成烟度的大幅上升，增幅超过16%;中高负荷下进气节流对烟度的影响较小，40%节气门关度时，增幅不超过6%；

d)THC和NOx排放在节气门关度为0%～40%之间呈现下降趋势;节气门关度为40%时，发动机各工况下THC排放均降低7%以上，NOx降低1%左右；

e)适度进气节流可以在降低燃油经济性和保证排放不恶化的情况下提高发动机排气温度;通过耦合燃油后喷策略等排气热管理技术，可以更快地达到DPF主动再生所需温度，保障DPF的捕集效率，优化发动机排放性能，降低油耗、提高经济性。