增壓汽油機(jī)高原性能與排放仿真計(jì)算

李 磊，郝利君，付秉正，李紫帝 Li Lei，Hao Lijun，F(xiàn)u Bingzheng，Li Zidi

?

增壓汽油機(jī)高原性能與排放仿真計(jì)算

李 磊1，郝利君2，付秉正2，李紫帝2Li Lei1，Hao Lijun2，F(xiàn)u Bingzheng2，Li Zidi2

（1. 北京理工大學(xué) 汽車(chē)動(dòng)力性與排放測(cè)試國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

利用GT-power軟件建立某1.4 T增壓汽油機(jī)模型，模擬在不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的變化情況，全負(fù)荷下HC，CO，NO比排放的變化情況。結(jié)果顯示：在低速時(shí)，隨海拔上升，汽油機(jī)的平均有效壓力下降較大，最大達(dá)到42%；燃油消耗率在800～1 800 r/min下降比較明顯，最高達(dá)10%；全負(fù)荷下CO比排放隨海拔的上升整體呈下降趨勢(shì)；全負(fù)荷下HC比排放隨海拔的升高而升高；NO比排放在全負(fù)荷時(shí)隨海拔上升呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

增壓汽油機(jī)；高海拔；經(jīng)濟(jì)性；動(dòng)力性；排放

0 引 言

在高原地區(qū)，由于海拔高度的變化會(huì)導(dǎo)致大氣壓力以及大氣溫度發(fā)生變化，這會(huì)對(duì)受進(jìn)氣能力限制的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性產(chǎn)生影響；因此，深入研究發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與海拔高度之間的關(guān)系十分重要。

同時(shí)，海拔環(huán)境下汽車(chē)性能的變化規(guī)律作為排放法規(guī)細(xì)化的一個(gè)方向，正逐步得到重視和關(guān)注，美國(guó)已經(jīng)在汽車(chē)排放法規(guī)中加入了海拔環(huán)境下的試驗(yàn)內(nèi)容，我國(guó)海拔1 000 m以上地區(qū)占陸地面積的60%，更應(yīng)該對(duì)其加以重視[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高海拔的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的研究主要以柴油機(jī)為主，主要關(guān)注柴油機(jī)的高原動(dòng)力性能[2-5]，近年來(lái)進(jìn)行了高原排放的模擬試驗(yàn)，隨著海拔升高，柴油機(jī)的CO，HC，PM排放都明顯增加[6]。關(guān)于汽油機(jī)的高原研究是以整車(chē)海拔試驗(yàn)倉(cāng)的模擬試驗(yàn)為主，在NEDC循環(huán)下，隨著海拔的升高，最大輸出功率和輸出扭矩下降，有效燃油消耗率減小，CO，HC，NO比排放隨海拔的升高而變化[7]5。

利用GT-power軟件，建立某1.4 T增壓汽油機(jī)模型，模擬計(jì)算穩(wěn)態(tài)工況不同轉(zhuǎn)速下增壓汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性隨海拔的變化情況，同時(shí)分析HC，CO，NO在全負(fù)荷和50%負(fù)荷下隨海拔的變化情況。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立與校核

建立某1.4 T增壓汽油機(jī)模型，基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型基本參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值 型式直列4缸 壓比 9.5 缸徑/mm 73.8 行程/mm 80.2 排量/L 1.4 標(biāo)定扭矩/Nm 103 功率/kW 210 轉(zhuǎn)速/（r/min） 5 000

為了計(jì)算排放，仿真過(guò)程沒(méi)有采用韋伯模型，而是采用湍流燃燒模型，在此模型中，假設(shè)火焰前鋒面是以火花塞為中心的球面，將燃燒室分為未燃區(qū)和已燃區(qū)2個(gè)部分[8-9]，主要參數(shù)有點(diǎn)火提前角、火花塞位置、火焰核心擴(kuò)散參數(shù)以及湍流系數(shù)，燃燒參數(shù)主要通過(guò)前期試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出，為了提高計(jì)算的精確程度，將缸內(nèi)的各個(gè)溫度區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，把燃燒室頂部、活塞和氣缸壁分別分成3個(gè)不同溫度區(qū)域，建立仿真模型，如圖1所示。

圖2和圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，仿真計(jì)算的燃油消耗率和平均有效壓力與臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)際數(shù)值的對(duì)比，臺(tái)架試驗(yàn)的條件為海拔100 m，25℃。外特性的平均有效壓力計(jì)算誤差在4%以內(nèi)，燃油消耗率計(jì)算誤差除個(gè)別點(diǎn)在7%，其余點(diǎn)都在4%以內(nèi)，吻合較好。

2 汽油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性隨海拔的變化

隨著海拔的升高，大氣壓力、空氣密度和大氣溫度都會(huì)發(fā)生一定的變化，這些參數(shù)之間存在著特定的關(guān)系。海拔每升高1 000 m，大氣溫度下降6℃，大氣壓力與海拔間的關(guān)系為[7]2

式中，為海拔，m；P為大氣壓力，100 kPa。

仿真共選擇5個(gè)不同的海拔，見(jiàn)表2。

表2 不同海拔下的壓力和溫度

壓力/100 kPa溫度/℃海拔/m 125 100 0.920 988 0.8141 949 0.7 83 012 0.6 04 200

在完成模型的建立和標(biāo)定后，調(diào)整環(huán)境壓力和溫度，模擬計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性隨海拔的變化情況。這款發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器是由負(fù)壓控制旁通閥開(kāi)度，低速時(shí)旁通閥是關(guān)閉狀態(tài)，高速高負(fù)荷時(shí)旁通閥打開(kāi)。模擬高原下的工作狀況，需要控制增壓壓力幅度不超過(guò)100 kPa，同時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速不超過(guò)200 000 r/min。

全負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力的變化情況如圖4所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 800 r/min以下時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力影響較大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的平均有效壓力下降了42%。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～4 000 r/min時(shí)，高原工況的平均有效壓力下降較慢，幅度在12%～21%，這主要是由于高速下進(jìn)氣量的相對(duì)損失量較小，所以其平均有效壓力損失較小。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000～6 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力會(huì)大幅下降，在6 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的平均有效壓力下降了43%，這主要是由于增壓器轉(zhuǎn)速的限值，即增壓比的限值，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力不足，進(jìn)而扭矩下降。

全負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率變化情況如圖5所示，燃油消耗率最優(yōu)轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r/min，達(dá)到2 000 r/min以上時(shí)，由于混合氣濃度增加，導(dǎo)致燃油消耗率急速上升。

低速時(shí)，燃油消耗率隨海拔升高而上升，在800 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了10%。在2 000～4 000 r/min時(shí)，燃油消耗率隨海拔變化不大，變化率在2%以內(nèi)，這主要是由于增壓器的作用使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)運(yùn)行工況差別不大。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在5 000～6 000 r/min時(shí)，燃油消耗率隨海拔升高而上升，在6 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了8.5%。

75%負(fù)荷和50%負(fù)荷下燃油消耗率隨海拔的變化情況如圖6和圖7所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)75%負(fù)荷，800 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了7.3%；在發(fā)動(dòng)機(jī)75%負(fù)荷，6 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了15.7%。在發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷，800 r/min時(shí)，海拔 4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了9.4%；在發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷，6 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m比100 m處的燃油消耗率上升了14.3%。對(duì)于中等負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下海拔高度對(duì)燃油消耗率的影響較大；同時(shí)，中等負(fù)荷下最優(yōu)燃油消耗率的轉(zhuǎn)速有所擴(kuò)大，對(duì)于75%和50%負(fù)荷，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為1 400～3 000 r/min。

3 汽油機(jī)排放隨海拔的變化

3.1 模型設(shè)置

CO的生成主要是由于燃料燃燒不充分；HC的生成機(jī)理比較復(fù)雜，主要與壁面淬熄，狹隙效應(yīng)，潤(rùn)滑油膜的吸附和解吸以及燃燒室中沉積物有關(guān)。仿真中主要考慮壁面淬熄和狹隙效應(yīng)的影響。

NO主要有NO和NO2，依據(jù)Zeldovich機(jī)理，仿真模型中主要考慮NO。

汽車(chē)尾氣凈化反應(yīng)十分復(fù)雜，多達(dá)上百種，為簡(jiǎn)化模型，仿真采用了一種比較常見(jiàn)的四反應(yīng)模型[10-11]。

3.2 排放結(jié)果分析

全負(fù)荷下CO比排放隨海拔的變化如圖8所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在800～1 800 r/min時(shí)，隨著海拔的上升，CO比排放呈下降趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，海拔4 200 m時(shí)CO比排放下降了48%，這主要是由于在空燃比不變的情況下，進(jìn)氣壓力下降導(dǎo)致噴油量減少，從而使CO排放減少。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～6 000 r/min時(shí)，CO的排放量急速上升，其隨海拔的變化并不明顯，這是由于在高速高負(fù)荷下，混合氣濃度增加導(dǎo)致三元催化器的效率急速下降。隨海拔變化的三元催化器效率如圖9所示。

全負(fù)荷下HC比排放隨海拔的變化如圖10所示。HC比排放在各轉(zhuǎn)速下隨海拔的變化規(guī)律基本相同，都會(huì)隨著海拔的升高而增加，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，海拔4 200 m的HC比排放比100 m處增加了6%，由于THC主要來(lái)源于未燃燒的燃油以及不完全燃燒產(chǎn)物，海拔的變化主要影響缸內(nèi)燃燒過(guò)程中氧含量多少，隨著海拔升高，進(jìn)氣量和氧含量減少，使得缸內(nèi)的不完全燃燒和火焰淬熄增加，促使THC生成。

全負(fù)荷下NO比排放隨海拔的變化如圖11所示。隨海拔高度的升高，NO比排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在海拔1 949 m時(shí)比排放量達(dá)到最大，而海拔4 200 m的NO比排放則較 1 949 m處有所降低。在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，海拔1 949 m處的NO比排放比100 m處增加8.5%，而海拔4 200 m又比1 949 m處的NO比排放下降13.8%。

一般來(lái)說(shuō)，NO的生成取決于反應(yīng)溫度、O2濃度和反應(yīng)時(shí)間。一方面，隨著海拔的升高，在高原下由于進(jìn)氣量不足會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分從而導(dǎo)致燃燒溫度下降，這會(huì)阻礙NO的生成；另一方面，在較高海拔下，反應(yīng)物在高溫下的反應(yīng)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，這會(huì)有助于NO的生成；因此，在兩方面共同作用下，NO比排放會(huì)出現(xiàn)如圖11所示的情形。

4　結(jié) 論

（1）隨著海拔的上升，增壓汽油機(jī)動(dòng)力性在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)下降明顯，在中等轉(zhuǎn)速時(shí)下降幅度不大。

（2）燃油消耗率隨著海拔的上升而增加，對(duì)于中等負(fù)荷，在高轉(zhuǎn)速下，海拔高度對(duì)燃油消耗率的影響較大。

（3）隨著海拔的上升，全負(fù)荷下HC比排放呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，CO比排放呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但在高轉(zhuǎn)速下基本沒(méi)有變化，NO比排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

[1]劉瑞林，劉宏威，秦德. 渦輪增壓柴油機(jī)高海拔（低氣壓）性能試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003（3）：213-216.

[2]Benjumea P, Agudelo J, Agudelo A. Effect of Altitude and Palm Oil Biodiesel Fuelling on the Performance and Combustion Characteristics of a HSDI Diesel Engine[J]. Fuel, 2009, 88(4): 725-731.

[3]Donald J. Chernich, Paul E. Jacobs, John D. Kowalski. A Comparison of Heavy-duty Diesel Truck Engine Smoke Opacities at High Altitude and at Sea Level [C]. SAE Technical Paper 911671, 1991.

[4]Deng X.Economics Costs of Motor Vehicle Emissions in China: A Case Study[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment, 2006, 11(3): 216-226.

[5]Carson R T, Jeon Y. The Relationship Between Air Pollution Emissions and Income: U.S.Date[J]. Environment and Development Economics, 1997, 2(4): 433-450.

[6]申立中，沈穎剛，畢玉華，等. 不同海拔高度下自然吸氣和增壓柴油機(jī)的燃燒過(guò)程[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20（1）：49-52.

[7]倪紅，趙偉，劉樂(lè)，等. 不同海拔對(duì)汽油車(chē)排放與油耗影響的研究[J]. 汽車(chē)工程，2014（10）：1205-1209.

[8]李岳林，張志沛，張雨，等. 汽油機(jī)燃燒過(guò)程模擬分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2000（1）：57-62.

[9]陶海萍，周大森. 小型汽油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（3）：288-292.

[10]Kwon H J, Baik J H, Yong T K, et al. Detailed Reaction Kinetics over Commercial Three-way Catalysts[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62 (18-20): 5042-5047.

[11]康紅艷. 三元催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)機(jī)理研究及數(shù)值模擬[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005.

2016-10-13

1002-4581（2017）02-0001-05

U464.171：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.001

國(guó)家自然科學(xué)基金（51576016）。