高原環(huán)境下進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能的影響

王金豪，畢玉華，申立中，聶學(xué)選，萬明定，王正江

（昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

0 概述

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)被廣泛運(yùn)用于柴油機(jī)后處理中［1］。雖然DPF 和SCR 可有效降低柴油機(jī)的污染物排放，但運(yùn)用過程中低溫性能差一直是需要解決的問題。在柴油機(jī)中低負(fù)荷工況排氣溫度過低，無法滿足DPF 再生的要求［2］，且會(huì)導(dǎo)致SCR 噴射的尿素結(jié)晶、無法充分水解及NOx轉(zhuǎn)化效率過低等問題［3-7］。故在柴油機(jī)低排溫工況點(diǎn)提高排氣溫度具有重要意義。提高排氣溫度比較傳統(tǒng)的方式有缸內(nèi)柴油后噴、排氣管內(nèi)柴油機(jī)催化氧化器（diesel oxidation catalyst，DOC）前噴射燃油等。缸內(nèi)柴油后噴需要依賴于高壓共軌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多次噴射并合理控制后噴油量，若后噴油量控制不得當(dāng)，可能伴隨著燃油經(jīng)濟(jì)性惡化、HC 和CO 排放顯著升高等問題。排氣管內(nèi)DOC 前噴射燃油提高排氣溫度需要額外增加噴油裝置，另外除了需要考慮DOC本身特性的影響，還要考慮此系統(tǒng)的多個(gè)因素的影響，如噴油器的燃油噴霧特性、噴油壓力和溫度、噴油時(shí)刻、噴油量、燃油特性、噴油器的位置和噴油方位等。文獻(xiàn)［8-14］中研究發(fā)現(xiàn)，在柴油機(jī)低負(fù)荷工況下，采用進(jìn)排氣節(jié)流的排氣熱管理方法可以有效提高柴油機(jī)排氣溫度，滿足DPF 再生的溫度要求，提高SCR 的轉(zhuǎn)化效率。進(jìn)排氣節(jié)流僅需在柴油機(jī)的進(jìn)氣端和排氣端裝上電磁閥，控制電磁閥的開度即可有效控制排氣溫度。相比于傳統(tǒng)的缸內(nèi)柴油后噴、排氣管內(nèi)DOC 前噴射來提高排溫的方案，進(jìn)排氣節(jié)流方案具有系統(tǒng)構(gòu)造簡單、技術(shù)要求低、成本低的優(yōu)勢(shì)。但進(jìn)排氣節(jié)流提高柴油機(jī)排氣溫度的同時(shí)，也會(huì)對(duì)柴油機(jī)的性能產(chǎn)生一定影響，研究進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能的影響對(duì)制定柴油機(jī)排氣熱管理控制策略具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能的影響展開了大量研究。文獻(xiàn)［13］中研究了進(jìn)氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果表明進(jìn)氣節(jié)流閥開度減小則過量空氣系數(shù)降低，比油耗增加，排氣溫度升高，碳煙、NOx及CO 排放明顯惡化，HC 排放得到改善。文獻(xiàn)［14］中研究了排氣節(jié)流和進(jìn)氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響，結(jié)果表明：增加排氣節(jié)流后，低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性變化較小，中高速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度明顯升高，油耗增加，CO、全碳?xì)洹㈩w粒物排放增加，NOx比排放明顯降低；增加進(jìn)氣節(jié)流后，油耗略微增加，CO 比排放略微升高，全碳?xì)洹㈩w粒物明顯降低，在低轉(zhuǎn)速下排溫明顯升高。文獻(xiàn)［15］中研究了進(jìn)氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)排氣溫度、比油耗、排放的影響，結(jié)果表明與進(jìn)氣節(jié)流閥不工作時(shí)相比，在進(jìn)氣節(jié)流閥開度約15%～20% 時(shí)排氣溫度提高140 ℃左右，NOx排放降低，PM 排放和燃油消耗率均增大。文獻(xiàn)［16］中試驗(yàn)研究了進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能及DPF 再生的影響，結(jié)果表明進(jìn)氣和排氣節(jié)流都會(huì)降低進(jìn)氣質(zhì)量流量，從而增加燃料消耗，導(dǎo)致排氣溫度升高，但排氣節(jié)流比進(jìn)氣節(jié)流更有助于DPF 在高溫下進(jìn)行再生。目前針對(duì)進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究大多都基于平原環(huán)境，對(duì)高原環(huán)境下進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)性能影響的研究相對(duì)缺乏。

中國地形復(fù)雜，海拔1 000 m 以上的陸地面積占比達(dá)58%，海拔2 000 m 以上的陸地面積占比為33%［17-18］。與平原相比，高原環(huán)境有大氣壓力低、空氣稀薄、氧含量低、環(huán)境溫度較低等特點(diǎn)［19］，會(huì)對(duì)柴油機(jī)的工作過程產(chǎn)生影響。另外，排放法規(guī)針對(duì)柴油機(jī)高原環(huán)境下的排放的要求也區(qū)別于平原［20］?；谝陨媳尘?，在高原環(huán)境下通過柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究了中低速、低負(fù)荷工況下進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣量、缸內(nèi)壓力、燃燒放熱率、缸內(nèi)燃燒溫度、排氣溫度、排放、油耗的影響，該研究為高原環(huán)境下柴油機(jī)排氣熱管理的控制策略的制定提供了有效的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)增壓中冷直列4 缸柴油機(jī)，具體參數(shù)如表1 所示。臺(tái)架試驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備如表2 所示。圖1 為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意圖，圖中T 表示溫度傳感器，p1、p2 表示壓力傳感器。圖2 為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)物圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)基本參數(shù)

表2 試驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

在目前排放法規(guī)所采用的世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（world harmonized transient cycle，WHTC）中，柴油機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)多為低速低負(fù)荷工況。圖3 為WHTC 測(cè)試轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，圖4 為WHTC 測(cè)試排氣溫度曲線。從圖3、圖4 可以看出，對(duì)于試驗(yàn)所用柴油機(jī)，在整個(gè)WHTC 測(cè)試中，轉(zhuǎn)速主要集中在1 400 r/min～2 200 r/min 之間，轉(zhuǎn)矩主要集中在0～200 N·m 之間，排氣溫度主要集中于150 ℃～250 ℃之間。在此溫度區(qū)間，DPF 難以實(shí)現(xiàn)再生，柴油機(jī)后處理SCR 的轉(zhuǎn)化效率較低，提高排氣溫度對(duì)DPF 再生和提高SCR 的轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。由于在中等負(fù)荷和高負(fù)荷工況下排氣溫度相對(duì)較高，而低負(fù)荷工況排氣溫度較低，后處理的工作條件更為苛刻，因此重點(diǎn)針對(duì)低負(fù)荷工況進(jìn)行研究。為研究高原環(huán)境下低速低負(fù)荷工況的排氣熱管理，臺(tái)架試驗(yàn)基于昆明當(dāng)?shù)睾０? 000 m 的高原環(huán) 境，選擇1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min的50 N·m 這3 個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行研究。

圖3 WHTC 測(cè)試轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 WHTC 測(cè)試排氣溫度曲線

試驗(yàn)在中冷后安裝進(jìn)氣節(jié)流閥，通過控制進(jìn)氣節(jié)流閥的開度達(dá)到相應(yīng)的進(jìn)氣壓降。原始的進(jìn)氣壓力定義為p1，以5 kPa 為梯度研究進(jìn)氣壓降0～25 kPa時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能的影響。在渦輪后端安裝排氣背壓閥，通過控制排氣背壓的開度達(dá)到相應(yīng)的排氣背壓。原始的排氣背壓定義為p2，以5 kPa 為梯度研究排氣背壓增加0～25 kPa 時(shí)對(duì)柴油機(jī)性能（進(jìn)氣量、燃燒、排氣溫度、排放、油耗）的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)進(jìn)氣流量的影響

圖5 為不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣流量的影響。從圖5 中可看出，隨著進(jìn)氣壓力逐漸降低，3個(gè)工況的進(jìn)氣量均呈線性降低；進(jìn)氣壓力降低25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由87 kg/h 降低至64 kg/h，降低了23 kg/h，降低率為26%；在1 800 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由117 kg/h 降低至88 kg/h，降低了29 kg/h，降低率為25%；在2 200 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由161 kg/h 降低至127 kg/h，降低了34 kg/h，降低率為21%。由此可見，隨著進(jìn)氣壓力降低，柴油機(jī)進(jìn)氣流量逐漸減小，且轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)進(jìn)氣流量的影響越大。采用進(jìn)氣節(jié)流后進(jìn)氣流量降低，這是因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流后進(jìn)氣阻力增大，空氣流入氣缸受阻，從而導(dǎo)致進(jìn)氣量下降。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)進(jìn)氣流量的影響

圖6 為不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣流量的影響。從圖6 中可看出，隨著排氣背壓逐漸升高，3 個(gè)工況的進(jìn)氣量均呈線性降低。排氣背壓升高25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由87 kg/h 降低至80 kg/h，降低了7 kg/h，降低率為8%；在1 800 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由117 kg/h 降低至104 kg/h，降低了13 kg/h，降低率為11%；在2 200 r/min 時(shí)進(jìn)氣流量由161 kg/h降低至139 kg/h，降低了22 kg/h，降低率為14%。由此可見，隨著排氣背壓升高，進(jìn)氣流量逐漸減小，且從進(jìn)氣流量的減小量來看，轉(zhuǎn)速越高，排氣節(jié)流對(duì)進(jìn)氣流量的影響就越大。排氣節(jié)流導(dǎo)致進(jìn)氣流量下降，這是因?yàn)榕艢夤?jié)流之后排氣背壓增加，一方面導(dǎo)致排氣阻力增加，殘留于氣缸內(nèi)的廢氣相對(duì)增多，另外一方面，排氣阻力增加使廢氣渦輪增壓的效果降低，進(jìn)氣量減少，兩方面的共同作用導(dǎo)致進(jìn)氣量減少。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)進(jìn)氣流量的影響

2.2 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)燃燒的影響

2.2.1 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)燃燒壓力的影響

燃燒作為柴油機(jī)工作的核心，對(duì)柴油機(jī)性能影響很大。借助示功圖和燃燒放熱率圖可以具體分析柴油機(jī)的燃燒過程。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為50 N·m、轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 工況下，進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)壓力的影響如圖7、圖8 所示。圖中p1表示原始進(jìn)氣壓力，p2表示原始排氣背壓，p1-10 表示進(jìn)氣壓力降低10 kPa，p2+10 表示排氣背壓升高10 kPa，依此類推。

圖7 進(jìn)氣節(jié)流對(duì)缸壓的影響

圖8 排氣節(jié)流對(duì)缸壓的影響

從圖7 可以看出，原始最大缸內(nèi)壓力為7.0 MPa，隨著進(jìn)氣壓力降低，缸內(nèi)壓力下降，通過進(jìn)氣節(jié)流使進(jìn)氣壓力依次降低10 kPa、20 kPa，最大缸內(nèi)壓力分別降低0.5 MPa、0.9 MPa。從圖8 可以看出，隨著排氣背壓增大，最大缸內(nèi)壓力也下降，通過排氣節(jié)流使排氣背壓依次增加10 kPa、20 kPa，最大缸內(nèi)壓力分別降低0.3 MPa、0.5 MPa?？梢姡M(jìn)排氣節(jié)流均會(huì)使最大缸內(nèi)壓力降低，且節(jié)流程度越大，最大缸內(nèi)壓力下降越多。缸內(nèi)壓力下降的原因主要是進(jìn)氣壓力下降。對(duì)比進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流對(duì)缸壓的影響，在進(jìn)氣壓力降低和排氣背壓升高數(shù)值相同的情況下，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)壓力的影響較大。

2.2.2 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)放熱率的影響

在柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為50 N·m、轉(zhuǎn)速為1 800 r/min工況下，進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)燃燒放熱率的影響如圖9、圖10 所示。從圖9 可以看出，隨著進(jìn)氣壓力降低，最大燃燒放熱率增大，原始最大燃燒放熱率為38.7 J/（°），通過進(jìn)氣節(jié)流使進(jìn)氣壓力依次降低10 kPa、20 kPa后，最大燃燒放熱率分別升高1.2 J/（°）、1.7 J/（°）。從圖10 可以看出，隨著排氣背壓升高，最大燃燒放熱率增大，通過排氣節(jié)流使排氣背壓依次升高10 kPa、20 kPa后，最大燃燒放熱率分別升高2.0 J/（°）、2.7 J/（°）。可見，進(jìn)排氣節(jié)流均會(huì)影響最高燃燒放熱率，隨著進(jìn)排氣節(jié)流程度的增大，最高燃燒放熱率逐漸升高。燃燒放熱率上升主要是由于進(jìn)氣量下降，燃燒惡化缸內(nèi)熱負(fù)荷上升。

圖9 進(jìn)氣節(jié)流對(duì)燃燒放熱率的影響

圖10 排氣節(jié)流對(duì)燃燒放熱率的影響

2.2.3 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩為50 N·m、轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 工況下，進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響如圖11、圖12所示。從圖11 可以看出，隨著進(jìn)氣壓力降低，缸內(nèi)燃燒溫度上升，原始最高缸內(nèi)燃燒溫度為1 572.41 K，進(jìn)氣壓力降低10 kPa、20 kPa 后最高燃燒溫度分別增加至1 673.03 K、1 770.89 K。從圖12 可以看出，隨著排氣背壓升高，最高燃燒溫度也同樣增大，排氣背壓升高10 kPa、20 kPa 后，最高燃燒溫度分別升高至1 628.97 K、1 683.82 K?？梢娺M(jìn)排氣節(jié)流均會(huì)影響最高燃燒溫度，但在降低或增加相同壓力時(shí)，排氣節(jié)流的溫度提升效果不如進(jìn)氣節(jié)流。

我們則用手中畫筆用心記之，以最詳細(xì)的記錄成丘壑于胸中，因此我們可以做到得心應(yīng)手，提筆落墨之際即可寫出其山水物象的筆墨特征。

圖11 進(jìn)氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

圖12 排氣節(jié)流對(duì)缸內(nèi)燃燒溫度的影響

2.3 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)排氣溫度的影響

圖13 為不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)排氣溫度的影響。從圖13 中可看出：隨著進(jìn)氣壓力逐漸降低，3 個(gè)工況的排氣溫度均呈線性上升；進(jìn)氣壓力降低25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)排氣溫度從233 ℃升至308 ℃，排氣溫度升高了75 ℃，提升了32%；在1 800 r/min 時(shí)排氣溫度從236 ℃升至296 ℃，排氣溫度升高了60 ℃，提升了25%；在2 200 r/min 時(shí)排氣溫度從238 ℃升至290 ℃，排氣溫度升高了52 ℃，提升了22%?？梢?，進(jìn)氣節(jié)流可有效提升排氣溫度，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣節(jié)流提升排氣溫度的效果逐漸變差。進(jìn)氣節(jié)流可以有效提高排氣溫度是因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流后進(jìn)入燃燒室的空氣減少，燃燒不充分，為了保證柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不變，供油系統(tǒng)會(huì)增加噴油量以保證燃油燃燒放出的熱量與未采用節(jié)流時(shí)放出的熱量相同，在燃燒放出的熱量不變的前提下進(jìn)氣量減少，燃燒后廢氣的溫度升高，進(jìn)而排氣溫度升高。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)排氣溫度的影響

圖14 為不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)排氣溫度的影響。從圖14 中可看出，隨著排氣背壓逐漸升高，3 個(gè)工況的排氣溫度均呈線性上升。排氣背壓升高25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)排氣溫度從233 ℃升至268 ℃，排氣溫度升高了35 ℃，提升了15%；在1 800 r/min 時(shí)排氣溫度從236 ℃升至286 ℃，排氣溫度升高了50 ℃，提升了21%；在2 200 r/min 時(shí)排氣溫度從238 ℃升至300 ℃，排氣溫度升高了62 ℃，提升了26%。排氣節(jié)流使排氣溫度升高是因?yàn)榕艢夤?jié)流后柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，在燃燒放出的熱量不變的前提下燃燒后廢氣的溫度升高，進(jìn)而排氣溫度升高。從排氣溫度上升的幅度可以看出，轉(zhuǎn)速越高，采用排氣節(jié)流提升排氣溫度的效果越好。

圖14 不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)排氣溫度的影響

2.4 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)排放的影響

2.4.1 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響

進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)柴油機(jī)排放的影響主要體現(xiàn)在對(duì)NOx排放和煙度的影響上。不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響分別如圖15、圖16所示。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響

圖16 不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響

從圖15 可以看出，隨著進(jìn)氣壓力逐漸降低，3 個(gè)工況的NOx排放均呈線性增加，但隨著轉(zhuǎn)速增大，增加的幅度逐漸減小。進(jìn)氣壓力降低25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)NOx排放由633×10-6增加至793×10-6，增加了160×10-6，增加率為25%；在1 800 r/min時(shí)NOx排放由590×10-6增加至730×10-6，增加了140×10-6，增加率為24%；在2 200 r/min 時(shí)NOx排放由528×10-6增加至642×10-6，增加了114×10-6，增加率為22%。高溫富氧是NOx生成的有利條件，溫度和氧濃度都會(huì)影響NOx的生成。此時(shí)，NOx的生成由燃燒溫度主導(dǎo)，進(jìn)氣節(jié)流后NOx排放增加是因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流使得進(jìn)氣量減少，空燃比減小，導(dǎo)致最高燃燒溫度升高，高溫環(huán)境使NOx的生成量增加。隨著轉(zhuǎn)速的增大，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)燃燒溫度的影響逐漸減小，進(jìn)氣節(jié)流引起的NOx排放增加量也減小。

從圖16 可以看出，隨著排氣背壓逐漸升高，3 個(gè)工況的NOx排放均呈線性增加，且隨著轉(zhuǎn)速增大，增加的幅度在逐漸增大。排氣背壓升高25 kPa，在1 400 r/min時(shí)NOx排放由633×10-6增加至700×10-6，增加了67×10-6，增加率為11%；在1 800 r/min 時(shí)NOx排放由590×10-6增加至692×10-6，增加了102×10-6，增加率為17%；在2 200 r/min 時(shí)NOx排放由528×10-6增加至672×10-6，增加了144×10-6，增加率為27%。在1 400 r/min 時(shí)排氣節(jié)流對(duì)NOx排放影響相對(duì)較小。在試驗(yàn)的3 個(gè)工況下燃燒溫度是主導(dǎo)NOx生成的因素，排氣節(jié)流導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒溫度升高，且隨著轉(zhuǎn)速的增大，排氣節(jié)流對(duì)燃燒溫度的影響逐漸增大，排氣節(jié)流引起的NOx排放增加量也增大。

2.4.2 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)煙度的影響

圖17 為不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)碳煙排放的影響。從圖17 中可看出，在不同的轉(zhuǎn)速下，采用進(jìn)氣節(jié)流后，隨著進(jìn)氣壓力的降低，碳煙排放均逐漸增加。進(jìn)氣壓力降低25 kPa，在1 400 r/min 時(shí)煙度由0.087 FSN 增加至0.166 FSN，增加了0.079 FSN，增加率為91%；在1 800 r/min 時(shí)煙度由0.078 FSN增加至0.140 FSN，增加了0.062 FSN，增加率為79%；在2 200 r/min 時(shí)煙度由0.072 FSN 增加至0.124 FSN，增加了0.052 FSN，增加率為72%?？煽闯觯D(zhuǎn)速越低，進(jìn)氣節(jié)流導(dǎo)致的煙度增幅越大。碳煙生成的有利環(huán)境是高溫缺氧，采用進(jìn)氣節(jié)流會(huì)導(dǎo)致碳煙排放增加，這是因?yàn)檫M(jìn)氣節(jié)流后進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致在柴油燃燒的過程中缸內(nèi)形成了高溫缺氧的環(huán)境，使碳煙生成的機(jī)率增加。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)碳煙排放的影響

圖18 為不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)碳煙排放的影響。從圖18 中可看出，隨著排氣背壓的升高，3 個(gè)轉(zhuǎn)速下的碳煙排放均增加。排氣背壓升高25 kPa，在1 400 r/min時(shí)煙度由0.087 FSN 增加至0.124 FSN，增加了0.037 FSN，增加率為43%；在1 800 r/min 時(shí)煙度由0.078 FSN 增加至0.111 FSN，增加了0.033 FSN，增加率為42%；在2 200 r/min 時(shí)煙度由0.072 FSN 增加至0.094 FSN，增加了0.022 FSN，增加率為31%。采用排氣節(jié)流會(huì)導(dǎo)致碳煙排放增加，這是因?yàn)榕艢夤?jié)流導(dǎo)致進(jìn)氣量減少，燃料燃燒時(shí)在氣缸內(nèi)形成了高溫缺氧的環(huán)境，導(dǎo)致碳煙生成增加。

圖18 不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)碳煙排放的影響

2.5 進(jìn)排氣節(jié)流對(duì)油耗的影響

不同轉(zhuǎn)速下采用進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流對(duì)油耗的影響分別如圖19、圖20 所示。進(jìn)氣壓降從0 增加到25 kPa 時(shí)，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min下的比油耗分別增加了4.4 g/（kW·h）、5.5 g/（kW·h）、7.4 g/（kW·h）；進(jìn)氣壓降平均每增加5 kPa，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 下的比油耗分別平均增加0.88 g/（kW·h）、1.10 g/（kW·h）、1.48 g/（kW·h）。排 氣背壓增加量從0 增加到25 kPa 時(shí)，1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 下的比油耗分別增加了9.4 g/（kW·h）、10.9 g/（kW·h）、13.3 g/（kW·h）；排氣背壓平均每增加5 kPa，1 400 r/min、1 800r/min、2 200 r/min 下的比油耗分別平均增加1.88 g/（kW·h）、2.18 g/（kW·h）、2.66 g/（kW·h）。由此可見，采用進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流后，在不同的轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)氣壓力的降低或排氣背壓的升高，油耗均增加，且轉(zhuǎn)速越高，油耗增加越大。這是因?yàn)椴捎眠M(jìn)氣節(jié)流或排氣節(jié)流都會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣減少，燃料燃燒不充分，在此情況下要保持柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不變，就需要更多的燃料，因此基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)值，供油系統(tǒng)會(huì)相應(yīng)增加噴油量。對(duì)比圖19、圖20 可以看出，在進(jìn)氣壓降和排氣背壓增加量相同的情況下，排氣節(jié)流對(duì)油耗的影響比進(jìn)氣節(jié)流對(duì)油耗的影響大。

圖19 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣節(jié)流對(duì)油耗的影響

圖20 不同轉(zhuǎn)速下排氣節(jié)流對(duì)油耗的影響

3 結(jié)論

（1）在高原環(huán)境下，進(jìn)氣節(jié)流、排氣節(jié)流均會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，最高缸內(nèi)壓力降低，最大燃燒放熱率增加，缸內(nèi)燃燒溫度升高。進(jìn)氣節(jié)流對(duì)燃燒的影響程度略大于排氣節(jié)流。

（2）在高原環(huán)境下，進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流均可有效提升柴油機(jī)低負(fù)荷工況的排氣溫度。在轉(zhuǎn)矩為50 N·m，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工況下，進(jìn)氣壓力降低25 kPa，排氣溫度分別提升了75 ℃、60 ℃、52 ℃；排氣背壓升高25 kPa，排氣溫度分別提升了35 ℃、50 ℃、62 ℃。隨著轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)排氣溫度的影響逐漸減小，而排氣節(jié)流對(duì)排氣溫度的影響逐漸增大。

（3）在高原環(huán)境下，進(jìn)排氣節(jié)流均會(huì)導(dǎo)致NOx排放和碳煙排放的增加。在轉(zhuǎn)矩為50 N·m，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工況下，進(jìn)氣壓力降低25 kPa，NOx排放分別增加160×10-6、140×10-6、114×10-6，排氣煙度分別增加0.079 FSN、0.062 FSN、0.052 FSN；排氣背壓升高25 kPa，NOx排放分別增加67×10-6、102×10-6、144×10-6，煙度分別增加0.037 FSN、0.033 FSN、0.022 FSN。隨著轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響逐漸減小，而排氣節(jié)流對(duì)NOx排放的影響逐漸增大。進(jìn)氣節(jié)流對(duì)煙度的影響要比排氣節(jié)流大。

（4）在高原環(huán)境下，進(jìn)排氣節(jié)流會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)比油耗增加，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。在轉(zhuǎn)矩為50N·m，轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、1 800 r/min、2 200 r/min 工況下，進(jìn)氣壓力降低25 kPa，比油耗分別增加4.4 g/（kW·h）、5.5 g/（kW·h）、7.4 g/（kW·h）；排氣背壓升高25 kPa，比油耗分別增加9.4 g/（kW·h）、10.9 g/（kW·h）、13.3 g/（kW·h）。在進(jìn)氣壓降和排氣背壓增加量數(shù)值相同的情況下，排氣節(jié)流對(duì)油耗的影響比進(jìn)氣節(jié)流大。