邊界條件對(duì)車用柴油機(jī)油耗、排放的影響研究

劉寶利 于全順 郭勇 劉麟 王濤

摘 要：以某車用柴油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其特征工況進(jìn)行自定義，通過調(diào)節(jié)額定工況邊界條件，基于正交試驗(yàn)理論，對(duì)邊界條件進(jìn)行劃分，并對(duì)不同工況下油耗、原機(jī)排放進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)表明，在各自定義工況下，進(jìn)氣負(fù)壓、中冷后溫度、排氣背壓的增加，均會(huì)引起比油耗的增加;進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓增加引起NOx比排放減少，中冷后溫度增加引起NOx比排放增加。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣負(fù)壓;中冷后溫度;排氣背壓;邊界條件

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-132-04

Research on the Influence of Boundary Conditions on Fuel Consumption and

Emissions of vehicle Diesel Engines

Liu Baoli1， Yu Quanshun1， Guo Yong1， Liu Lin1， Wang Tao2

（ 1.China Automotive Technology Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300;

2.Beijing Motor Vehicle Emission Management Center， Beijing 100176 ）

Abstract： This article takes a vehicle diesel engine as the research object， customizes its characteristic working conditions， adjusts the boundary conditions of rated working conditions， divides the boundary conditions based on the orthogonal test theory， and analyzes the fuel consumption and original engine emissions under different working conditions. taking the test. Tests have shown that， under each custom operating condition， the increase in intake negative pressure， the intake air temperature after intercooler， and the exhaust back pressure will cause an increase in specific fuel consumption; the increase in intake negative pressure and exhaust back pressure will cause a reduction in specific NOx emissions， the increase in the intake air temperature after intercooler causes an increase in specific NOx emissions.

Keywords： Intake negative pressure; Intake air temperature after intercooler; Exhaust back pressure; Boundary condition

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-132-04

引言

車用柴油機(jī)及其零部件大都在某一固定條件完成設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用過程中，隨著環(huán)境條件的變化，必然對(duì)其油耗、排放造成影響[1]。

進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓、中冷后進(jìn)氣溫度是車用柴油機(jī)配套整車應(yīng)用的重要邊界條件，進(jìn)氣負(fù)壓與空氣濾清器設(shè)計(jì)及使用過程有關(guān)，排氣背壓與后處理器壓差設(shè)計(jì)有關(guān)，中冷后進(jìn)氣溫度與整車中冷器配套設(shè)計(jì)有關(guān)。

本文以某滿足國V排放標(biāo)準(zhǔn)的車用柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室調(diào)整進(jìn)氣負(fù)壓、中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓變化，研究邊界條件變化對(duì)車用柴油機(jī)油耗、排放的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方案

試驗(yàn)采用某6缸國Ⅴ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)如表2，采用進(jìn)氣空調(diào)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，采用進(jìn)氣蝶閥對(duì)進(jìn)氣阻力進(jìn)行控制，采用排氣蝶閥對(duì)排氣阻力進(jìn)行控制，通過中冷器冷卻水開度對(duì)中冷后進(jìn)氣溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)用燃油為國五0號(hào)柴油。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工況設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性及自定義工況點(diǎn)如圖1所示。本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)4個(gè)典型工況進(jìn)行研究，分別為：工況點(diǎn)1，轉(zhuǎn)速2300r/min，扭矩80%;工況點(diǎn)2，轉(zhuǎn)速1700r/min，扭矩100%;工況點(diǎn)3，轉(zhuǎn)速1300r/min，扭矩100%;工況點(diǎn)4，轉(zhuǎn)速1300r/min，扭矩50%。其中工況1為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工況點(diǎn)，工況2為最大扭矩下的最高轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況點(diǎn)，工況3為常用轉(zhuǎn)速下的全負(fù)荷工況點(diǎn)，工況4為常用轉(zhuǎn)速下的50%工況點(diǎn)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察進(jìn)氣阻力、排氣阻力、中冷器后溫度三個(gè)邊界條件因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能、排放、安全參數(shù)的影響，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將額定工況（工況1）進(jìn)氣負(fù)壓劃分為4kPa、7kPa、10kPa三個(gè)水平，排氣背壓劃分為10kPa、16kPa、22kPa三個(gè)水平，中冷后進(jìn)氣溫度劃分40℃、50℃、60℃三個(gè)水平，采用如表3所示的L9（3^4）正交表[2]依次對(duì)圖1所示自定義工況安排正交試驗(yàn)。

1.2.3 自定義工況下邊界條件實(shí)測(cè)值

圖2、圖3、圖4分別為自定義工況下進(jìn)氣負(fù)壓、中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓實(shí)測(cè)值，可以看出工況1基本遵循表3的目標(biāo)值，工況2、工況3、工況4在各試驗(yàn)次序下呈遞減趨勢(shì)，即各工況實(shí)際的因素水平并不一致。這是因?yàn)?，為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，試驗(yàn)過程中，進(jìn)氣負(fù)壓、中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓在工況1設(shè)定好，并固定相關(guān)閥門，其他工況不改變相應(yīng)閥門設(shè)置，對(duì)應(yīng)的邊界條件隨發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況發(fā)生變化。圖2、圖3、圖4也可視為各工況下的實(shí)際因素水平變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣負(fù)壓對(duì)油耗、排放的影響

如圖5、圖6所示，隨著進(jìn)氣負(fù)壓的增加，各自定義工況比油耗均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，NOx比排放均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。這是因?yàn)檫M(jìn)氣負(fù)壓增加導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，進(jìn)而影響缸內(nèi)燃燒的空燃比，從而引起燃燒不充分。此外，進(jìn)氣負(fù)壓的增加還會(huì)導(dǎo)致燃燒滯燃期延長(zhǎng)，推遲燃燒始點(diǎn)，最高燃燒溫度降低[3]。

此外，額定工況進(jìn)氣負(fù)壓調(diào)整對(duì)各自定義工況的影響程度不同，工況1為額定工況，受進(jìn)氣負(fù)壓變化的影響最大，工況2、工況3、工況4因各自工況下的實(shí)際進(jìn)氣負(fù)壓變化范圍收窄（圖2），受到的影響相對(duì)減弱，后續(xù)中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓對(duì)各定義工況的影響機(jī)制類似，不再贅述。

2.2 中冷后進(jìn)氣溫度對(duì)油耗、排放的影響

如圖7、圖8所示，隨著額定工況中冷后進(jìn)氣溫度的增加，各自定義工況比油耗均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，NOx比排放也均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。

中冷后進(jìn)氣溫度增降低了進(jìn)氣的密度，導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)燃燒有所惡化，從而引起比油耗增加，理論上，NOx比排放應(yīng)當(dāng)有所改善。但是，中冷后進(jìn)氣溫度影響缸內(nèi)進(jìn)氣溫度，有研究表明，缸內(nèi)進(jìn)氣溫度越高，缸內(nèi)最高燃燒平均溫度隨之升高，化學(xué)滯燃期縮短[4，5]，對(duì)NOx的生成產(chǎn)生有利條件，在抵消進(jìn)氣密度下降引起的NOx生成的不利條件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加了NOx排放[4]。

2.3 排氣背壓對(duì)油耗、排放的影響

如圖9、圖10所示，隨著額定工況排氣背壓的增加，各自定義工況比油耗、NOx比排放均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

排氣背壓升高，導(dǎo)致排氣阻力增加，增壓器渦輪膨脹比和壓縮機(jī)的增壓比降低，排氣管內(nèi)壓力升高，進(jìn)氣管內(nèi)壓力降低，引起進(jìn)、排氣門疊開期間廢氣倒灌[6]，缸內(nèi)殘余廢氣增加，氣缸內(nèi)燃燒惡化，導(dǎo)致油耗增加，同時(shí)缸內(nèi)參與廢氣增加還會(huì)引起缸內(nèi)燃燒溫度降低，對(duì)NOx的生成產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

（1）邊界條件變化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)型的影響：進(jìn)氣負(fù)壓、中冷后進(jìn)氣溫度、排氣背壓的增加均會(huì)引起比油耗的增加，主要是因?yàn)楦變?nèi)實(shí)際新鮮空氣進(jìn)氣量減少，燃燒惡化導(dǎo)致的。

（2）邊界條件變化對(duì)NOx排放的影響：隨著進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓的增加，NOx比排放有所降低，主要是因?yàn)楦變?nèi)實(shí)際新鮮空氣進(jìn)氣量的減少為NOx生成產(chǎn)生不利條件，中冷后進(jìn)氣溫度增加，雖然也會(huì)通過降低進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣密度，導(dǎo)致實(shí)際新鮮空氣進(jìn)氣量的減少，但中冷后進(jìn)氣溫度的增加，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度的升高，滯燃期縮短，為NOx生成產(chǎn)生有利條件，綜合影響大于實(shí)際新鮮空氣量減少帶來的不利條件，從而引起最終NOx生成的增加。

（3）由于實(shí)際邊界條件隨工況變化，標(biāo)定工況邊界條件的變化對(duì)不同工況的油耗、排放有不同程度的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] Mallikarjuna Bennur，Derek Hogland，Edward Abboud et al.Rudnick? ? Multi-Disciplinary Robust Optimization for Performances of Noise & Vibration And Impact Hardness & Memory Shake [J]. SAE 2009- 01-0341， 2009.

[2] 郝拉娣，于化東.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表的使用分析[J].編輯學(xué)報(bào)，2005， 17（5）：334-335.

[3] 黃開勝，張堯，劉剛，等.進(jìn)氣壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2017， 38（2）：73-78.

[4] 王兆文，伍尚，黃勝，等.環(huán)境濕度對(duì)柴油機(jī)NO_x及Soot排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018， 36（4）：322-331.

[5] 李昊.重型柴油機(jī)CVS測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試條件對(duì)排放測(cè)量的影響[D].山東：山東大學(xué).2018.

[6] 黃偉，趙同賓，李靜芬，等.高排氣背壓柴油機(jī)配氣相位優(yōu)化仿真及試驗(yàn)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù). 2016，38（1）：127-133.