不同海拔下國六柴油機(jī)性能試驗(yàn)研究*

肖仁鑫，梁大平，陳貴升，劉 爽

（1.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；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（常州）有限公司，常州 213100）

前言

我國幅員遼闊，由東向西海拔呈逐漸上升，地形、氣候復(fù)雜，2 000 m以上的高原地區(qū)約占國土面積的33%［1］。柴油機(jī)因其良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)用于高原運(yùn)輸，但其較高的污染物排放也嚴(yán)重影響人們的生活方式和生產(chǎn)活動(dòng)［2］。柴油機(jī)在高原環(huán)境運(yùn)行時(shí)，大氣壓力降低導(dǎo)致進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量減小，壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)混合氣壓力和溫度降低，噴入缸內(nèi)的燃油不能及時(shí)著火，造成燃燒滯后，等容度下降，燃燒放熱率質(zhì)心后移，致使柴油機(jī)功率下降，燃油消耗率上升，排放性能惡化［3-4］。為滿足嚴(yán)苛的國六排放法規(guī)［5］，DPF成為國六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的必備部件。但對于DPF在高原地區(qū)的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)，DPF的再生時(shí)機(jī)標(biāo)定和再生過程控制難度等問題較難解決［6］。

國內(nèi)外學(xué)者對高原環(huán)境下柴油機(jī)性能的研究主要集中在國五及以下柴油機(jī)的功率恢復(fù)、燃燒過程優(yōu)化、污染物排放特性、代用燃料及空氣系統(tǒng)優(yōu)化控制等方面［7-14］，對高原環(huán)境下國六柴油機(jī)性能變化及DPF的碳煙沉積、再生特性研究較少。文獻(xiàn)［15］中基于GT-Power建立柴油機(jī)耦合DPF的一維仿真模型，研究了DPF在不同海拔下對增壓柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響，同時(shí)研究了不同海拔下DPF的工作特性。文獻(xiàn)［16］中研究了不同海拔下DPF加載規(guī)律及再生特性。文獻(xiàn)［6］中分析了國六柴油機(jī)DPF在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，包括DPF高原適應(yīng)性問題，指出高原高寒地區(qū)DPF捕集再生難度大。但針對不同海拔下加裝DPF的國六柴油機(jī)性能變化，以及極限高原環(huán)境柴油機(jī)運(yùn)行在極端工況下DPF堵塞可能性的研究則鮮見報(bào)道。

本文中利用柴油機(jī)高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架，研究不同海拔對國六柴油機(jī)全負(fù)荷和40%負(fù)荷的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性的影響，并模擬4000 m海拔進(jìn)行DPF堵塞試驗(yàn)，探討極限高原環(huán)境下柴油機(jī)持續(xù)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況DPF堵塞的可能性，以期為整車企業(yè)高原標(biāo)定及高原法規(guī)制定提供參考。

1 國六柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

進(jìn)氣的壓力、溫度、濕度3個(gè)參數(shù)對柴油機(jī)的性能都有影響。其中，大氣壓力隨海拔變化最迅速，對柴油機(jī)輸出性能最敏感［17］。海拔高度變化的明顯特征是大氣壓力的變化，高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架利用此原理實(shí)現(xiàn)高原環(huán)境模擬，如圖1所示。柴油機(jī)高原性能試驗(yàn)和DPF堵塞試驗(yàn)均在高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。

圖1 高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

試驗(yàn)選取101、90、79、70、61 kPa（分別對應(yīng)0、1 000、2 000、3 000、4 000 m海拔高度）5個(gè)大氣壓力，開展國六柴油機(jī)不同海拔高度下的全負(fù)荷和40%負(fù)荷性能試驗(yàn)。主要考查發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔不同轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷工況和等轉(zhuǎn)矩工況的輸出特性，研究海拔變化對國六柴油機(jī)性能的影響。為了兼顧輕型機(jī)和重型機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)也是高原運(yùn)輸動(dòng)力的組成部分，選取一臺(tái)6.2 L的增壓中冷柴油機(jī)作為研究對象，發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表1，DPF主要參數(shù)見表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 DPF主要參數(shù)

1.2 不同海拔下全負(fù)荷特性

1.2.1 動(dòng)力性

圖2和圖3是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下的進(jìn)氣流量、空燃比變化規(guī)律。圖2中，同一轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣流量隨著海拔的上升而下降，低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下降明顯，900 r/min降幅最大。與0海拔相比，柴油機(jī)在1 000、4 000 m海拔下進(jìn)氣流量最大降幅分別為6.6%、49.9%。由于平原環(huán)境下大氣壓力高，大氣中氧含量高，進(jìn)氣充足，缸內(nèi)燃燒過程較好，排氣能量較高，給渦輪增壓器提供充足的廢氣能量，使得增壓效果較好。因此，1 000 m海拔下的進(jìn)氣流量降幅較小。隨著海拔的上升，大氣壓力減小，進(jìn)氣流量下降，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣空燃比（圖3）迅速減小，缸內(nèi)燃燒惡化，排氣能量降低，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況渦輪增壓器的增壓能力不足表現(xiàn)更加突出。同時(shí)在高轉(zhuǎn)速工況受壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，增壓器的效率降低。此外，對于加裝DPF的國六柴油機(jī)，較大的排氣背壓也使得增壓器效率降低。高原環(huán)境下壓氣機(jī)出口溫度升高進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)氣充量減小，空燃比隨之減小。

圖2 不同海拔下全負(fù)荷工況進(jìn)氣流量變化

圖3 不同海拔下全負(fù)荷工況空燃比變化

圖4是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況輸出的轉(zhuǎn)矩。同一轉(zhuǎn)速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨著海拔的上升而明顯下降。低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下降明顯，900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下轉(zhuǎn)矩最大降幅為51.9%。隨著海拔的上升，大氣溫度、壓力均降低，進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量減少，缸內(nèi)工質(zhì)膨脹做功能力降低，輸出轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致柴油機(jī)的動(dòng)力性下降，因此，整機(jī)效率降低。低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣流量較小，致使空燃比減小，缸內(nèi)燃燒效果較差，排氣能量低，使得增壓能力不足，進(jìn)氣充量較小。高轉(zhuǎn)速工況，受壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和渦后溫度的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率下降，進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩減小。

圖4 不同海拔下全負(fù)荷工況輸出轉(zhuǎn)矩

1.2.2 經(jīng)濟(jì)性

圖5是不同海拔下全負(fù)荷工況有效熱效率的變化。同一轉(zhuǎn)速工況，有效熱效率隨著海拔的上升而下降，中低轉(zhuǎn)速下降明顯，900 r/min降幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下有效熱效率最大降幅為14.8%。這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速、高海拔下，較小的空燃比使得缸內(nèi)混合氣燃燒滯后且燃燒不充分，放熱率質(zhì)心后移，因此有效熱效率迅速下降。有效燃油消耗率的變化趨勢與之相反（圖6）。同一轉(zhuǎn)速工況，有效燃油消耗率隨著海拔的上升而增加。中低轉(zhuǎn)速工況增加明顯，900 r/min增幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下有效燃油消耗率最大增幅為17.4%。隨著海拔的上升，“油多氣少”的問題更加突出，缸內(nèi)燃燒惡化，有效熱效率降低，使得油耗增加，整機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降。

圖5 不同海拔下全負(fù)荷工況有效熱效率變化

圖6 不同海拔下全負(fù)荷工況有效燃油消耗率變化

1.2.3 排放特性

圖7是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況渦前溫度的變化規(guī)律。渦前溫度能夠間接反映缸內(nèi)燃燒狀況和增壓器的狀態(tài)。同一轉(zhuǎn)速工況在2 000 m海拔及以下，渦前溫度隨著海拔的上升而增加，當(dāng)海拔上升至4 000 m時(shí)，僅有發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速（1 200～1 700 r/min）工況的渦前溫度隨著海拔的上升而增加。這是因?yàn)殡S著海拔升高，進(jìn)氣充量減小，混合氣濃度增加，空燃比下降，此時(shí)空燃比對排氣溫度的影響占主導(dǎo)地位。但高海拔條件下（3 000和4 000 m）低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況的渦前溫度隨著海拔的升高反而下降。這是因?yàn)楦吆０苇h(huán)境下，大氣壓力低，進(jìn)氣流量降低；國六柴油機(jī)為了降低DPF再生頻次而限制原始排氣中的煙度，調(diào)整了噴油量，缸內(nèi)工質(zhì)總放熱量減小，導(dǎo)致排氣溫度降低。3 000 m海拔下1 900 r/min的渦前排氣溫度最高，達(dá)到945.2 K。高溫有利于CO、HC的氧化和DPF的被動(dòng)再生過程，但是會(huì)使SCR系統(tǒng)的效率降低，不利于高原地區(qū)的NOx排放控制。

圖7 不同海拔下全負(fù)荷工況渦前溫度變化

圖8是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況排氣壓力（后處理入口）的變化規(guī)律。排氣壓力隨著海拔的升高呈下降趨勢，高原地區(qū)環(huán)境的大氣壓力小，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一定，排氣壓力主要取決于排氣流量，同時(shí)與排氣溫度和DPF的碳載量有關(guān)。4 000 m海拔下，900～1 100和1 900～2 100 r/min的進(jìn)氣流量下降較快，使得排氣壓力下降明顯。加裝DPF的柴油機(jī)，排氣系統(tǒng)的阻力增加，使得整個(gè)轉(zhuǎn)速的排氣壓力和排氣溫度升高，影響增壓器效率［15］，進(jìn)一步影響進(jìn)氣充量，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，尤其對低轉(zhuǎn)速工況的影響較大。

圖8 不同海拔下全負(fù)荷工況排氣壓力變化

圖9是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況NOx排放的變化。NOx排放隨著海拔的上升呈增大的趨勢，中低轉(zhuǎn)速的NOx排放相對較高，整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的NOx排放低于170×10-6。這是由于國六柴油機(jī)配備高效的SCR系統(tǒng)，能夠?qū)⒋蟛糠諲Ox催化還原。NOx的生成主要取決于燃燒過程中的O2濃度、燃燒溫度和反應(yīng)時(shí)間［18］，SCR出口的NOx排放還受排氣溫度、尿素噴射策略、SCR轉(zhuǎn)化效率的影響。

圖9 不同海拔下全負(fù)荷工況NOx排放

圖10是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況排氣中O2濃度（后處理出口）的變化規(guī)律。排氣中O2濃度隨著海拔的上升而減小，中低轉(zhuǎn)速工況下降明顯。4 000 m海拔900 r/min排氣中O2濃度僅為0.8%，降幅達(dá)到73.7%。由圖3可知，排氣中O2濃度隨海拔的變化情況與空燃比的表現(xiàn)相一致。DOC中CO、HC的氧化和DPF中碳煙的氧化都需要排氣中的O2，排氣中O2含量降低，會(huì)使DOC出口溫度降低，從而達(dá)不到DPF再生溫度，不利于DPF再生過程的進(jìn)行。此外，高海拔條件下柴油機(jī)原始顆粒物排放增加，DPF的碳煙沉積速度較快，一旦再生不及時(shí)存在堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 不同海拔下全負(fù)荷工況排氣中O2濃度變化

1.3 不同海拔下部分負(fù)荷特性

1.3.1 經(jīng)濟(jì)性

為了考查發(fā)動(dòng)機(jī)在不同海拔不同轉(zhuǎn)速下等轉(zhuǎn)矩輸出特性，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定為400 N·m，即40%負(fù)荷，輸出轉(zhuǎn)矩與功率如圖11所示。圖12是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況進(jìn)氣流量的變化規(guī)律。同一轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣流量隨著海拔的上升而下降；同一海拔下，進(jìn)氣流量隨著轉(zhuǎn)速的增加而降幅差異較小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下進(jìn)氣流量最大降幅為35.0%，遠(yuǎn)低于全負(fù)荷工況的最大降幅。圖13是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況空燃比的變化。同一轉(zhuǎn)速工況，空燃比隨著海拔的上升而下降，40%負(fù)荷工況的平均空燃比遠(yuǎn)高于全負(fù)荷工況。同一海拔下，空燃比隨著轉(zhuǎn)速的增加而降幅減小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下空燃比最大降幅為42.1%。部分負(fù)荷工況的空燃比梯度較大，整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)空燃比整體較大，對進(jìn)氣流量的依賴度減小，大部分轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣量是充足的。

圖11 40%負(fù)荷工況輸出轉(zhuǎn)矩與功率

圖12 不同海拔下40%負(fù)荷工況進(jìn)氣流量變化

圖13 不同海拔下40%負(fù)荷工況空燃比變化

圖14是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況有效熱效率的變化。同一轉(zhuǎn)速工況，有效熱效率隨著海拔的上升而下降。中低轉(zhuǎn)速工況下降明顯，且轉(zhuǎn)速越小降幅越大；高轉(zhuǎn)速工況變化較小。900 r/min的降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下有效熱效率最大降幅為10.6%。這是因?yàn)橹械娃D(zhuǎn)速工況的空燃比對海拔的變化十分敏感，空燃比隨著海拔的上升而迅速降低，缸內(nèi)燃燒效果逐漸變差，此時(shí)空燃比對有效熱效率的影響占主導(dǎo)地位。而高轉(zhuǎn)速工況的空燃比整體較大，海拔的變化對其影響較小，但高轉(zhuǎn)速工況的機(jī)械摩擦等損失較大，致使有效熱效率整體較低。有效燃油消耗率（圖15）與有效熱效率的趨勢相反，有效熱效率降低，則有效燃油消耗率增加。顯然，部分負(fù)荷中低轉(zhuǎn)速工況的油耗對海拔的變化較為敏感。

圖14 不同海拔下40%負(fù)荷工況有效熱效率變化

圖15 不同海拔下40%負(fù)荷工況有效燃油消耗率變化

1.3.2 排放特性

圖16是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況排氣溫度的變化。同一轉(zhuǎn)速工況，排氣溫度隨著海拔的上升而增加，中低轉(zhuǎn)速工況的增幅較大。900 r/min的增幅最大。與0海拔相比，4 000 m海拔下渦前、渦后排氣溫度最大增幅分別為21.1%、19.8%。隨著海拔的上升，大氣壓力逐漸減小，進(jìn)氣流量減小，不同海拔下為了輸出相同的轉(zhuǎn)矩，不得不增加循環(huán)供油量，提高缸內(nèi)混合氣濃度，致使缸內(nèi)燃燒溫度增加，導(dǎo)致排氣溫度升高。

圖16 不同海拔下40%負(fù)荷工況排氣溫度變化

圖17是不同海拔下40%負(fù)荷工況排氣壓力的變化。排氣壓力隨著海拔的上升而下降，中低轉(zhuǎn)速下降較為明顯。相比全負(fù)荷工況，部分負(fù)荷工況的進(jìn)氣流量和排氣溫度均減小，排氣壓力也隨之減小。

圖17 不同海拔下40%負(fù)荷工況排氣壓力變化

圖18是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況NOx排放的變化。4 000 m海拔范圍內(nèi)，NOx排放低于40×10-6，整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)排放較小，與海拔的變化沒有明顯的關(guān)系。由圖16（b）渦后排氣溫度可知，不同海拔下的渦后排氣溫度在590～800 K之間；考慮排氣進(jìn)入SCR之前會(huì)存在溫降，進(jìn)入SCR系統(tǒng)后恰好提供了適宜的溫度，此時(shí)SCR系統(tǒng)工作在高效區(qū)，使得NOx轉(zhuǎn)化效率較高。同時(shí)，該負(fù)荷下排氣流量相對較小，空速也較小，排氣在催化劑表面停留的時(shí)間變長，有助于NOx的催化還原。

圖18 不同海拔下40%負(fù)荷工況NOx排放

圖19是不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)40%負(fù)荷工況排氣中O2濃度的變化。同一轉(zhuǎn)速工況，排氣中O2濃度隨著海拔的上升而下降。同一海拔下，排氣中O2濃度隨著轉(zhuǎn)速的升高而降幅減小。900 r/min降幅最大，與0海拔相比，4 000 m海拔下排氣中O2濃度最大降幅為65.7%。隨著海拔的上升，排氣中O2濃度的下降速率加快。這是因?yàn)橥缓０蜗?，空燃比隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高，低轉(zhuǎn)速的空燃比較小，隨著海拔的上升空燃比再次減小，缸內(nèi)混合氣燃燒會(huì)消耗大部分O2。而DOC和DPF工作時(shí)也需要O2，使得排氣中的O2濃度進(jìn)一步下降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在4 000 m海拔以上地區(qū)，排氣中O2濃度會(huì)再次降低，加之排氣溫度偏低，部分負(fù)荷工況下DPF的被動(dòng)再生仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

圖19 不同海拔下40%負(fù)荷工況排氣中O2濃度變化

2 DPF堵塞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

部分高原公路路況較差，經(jīng)常出現(xiàn)雨雪等極端天氣，“陷車”的情況時(shí)有發(fā)生。當(dāng)車輛起步時(shí)，由于車速小而需求轉(zhuǎn)矩大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況，為了“脫困”，發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在這種工況下。由于空燃比較小，缸內(nèi)燃燒生成大量碳煙，加之排氣中O2濃度較小，DPF再生困難，嚴(yán)重時(shí)可能造成堵塞。為此，探討極端情形下DPF堵塞的可能性十分必要。

利用高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)架在4 000 m海拔開展DPF堵塞試驗(yàn)。試驗(yàn)前將煙度控制系數(shù)由1調(diào)整為1.2，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油提前角、軌壓等其他參數(shù)不變，以表示發(fā)動(dòng)機(jī)高原標(biāo)定“粗糙”或?qū)嵉馗咴?yàn)證不足的情況。試驗(yàn)?zāi)M柴油車在高海拔地區(qū)“陷車”并長時(shí)間“脫困”的過程，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況，選取1 000 r/min作為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速保持不變，負(fù)荷依次增加（32%、60%、70%），實(shí)時(shí)記錄排氣壓力、排氣溫度（渦后）、排氣中O2濃度。一旦排氣壓力大于80 kPa，停止試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

DPF堵塞試驗(yàn)過程如圖20所示，整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)時(shí)間約630 s。前211 s發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在第1個(gè)工況（1 000 r/min，32%負(fù)荷），空燃比為20.9，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)，排氣中O2濃度較大，但排氣溫度和排氣壓力有所下降。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況熱機(jī)并進(jìn)行了DPF被動(dòng)再生，以此排除DPF先前沉積的碳煙對試驗(yàn)的影響，使得第1個(gè)工況起始時(shí)刻排氣溫度較高，隨著時(shí)間推移，排氣溫度逐漸下降，排氣壓力隨之減小。

圖20 DPF堵塞過程排氣參數(shù)

211 s以后，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在第2個(gè)工況（1 000 r/min，60%負(fù)荷），由圖4可知，煙度控制系數(shù)調(diào)整前該轉(zhuǎn)速的最大轉(zhuǎn)矩為574.9 N·m，若不調(diào)整煙度控制系數(shù)達(dá)不到60%負(fù)荷。此時(shí)空燃比為15.2，缸內(nèi)混合氣較濃，燃燒溫度較高，排氣溫度呈非線性趨勢迅速上升，排氣壓力逐漸升高，說明此時(shí)DPF中碳煙的沉積速率大于氧化速率。排氣中O2濃度急劇下降，O2濃度曲線波動(dòng)表征缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，也使得該工況的轉(zhuǎn)矩輸出不平穩(wěn)。排氣中O2濃度較低不利于碳煙的氧化，會(huì)使DPF再生速率降低。

412 s以后，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在第3個(gè)工況（1 000 r/min，70%負(fù)荷），但發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)不到70%負(fù)荷。此時(shí)空燃比波動(dòng)較大，約為14.9，已經(jīng)接近理論空燃比，排氣溫度繼續(xù)升高，排氣壓力上升速率加快；排氣中O2濃度進(jìn)一步下降，直到氣體分析儀的前置過濾器被堵死而測得的O2濃度為0。此時(shí)ECU中煙度控制功能界入，ECU根據(jù)估算的空燃比實(shí)時(shí)修正噴油量，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。根據(jù)曹明柱等［19］的研究，過量空氣系數(shù)為1.05時(shí)，排氣中的煙度超過4 FSN，轉(zhuǎn)速越小煙度越大；煙度超過3.5 FSN，排氣中就有可見煙。由此可知，排氣中有大量碳煙，DPF捕集的顆粒物迅速沉積。而排氣中O2濃度下降至1%，此時(shí)DPF再生更加困難。

在508 s附近發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突然下降，在617 s處發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)（自動(dòng)停機(jī)）。而排氣壓力短暫下降后極速上升，峰值達(dá)到了48.1 kPa，由于發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后管路泄壓使得排氣壓力下降。國六DPF目數(shù)多、孔徑小，再生效率和頻次要求高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，排放的顆粒物明顯增加，一旦碳煙的沉積速率大于氧化速率，碳煙濾餅層不斷變厚，導(dǎo)致DPF壓降增加，且排氣壓力和溫度隨之增加，使得增壓器效率降低。同時(shí)，進(jìn)氣充量再次下降，缸內(nèi)燃燒更加惡化，排放的顆粒物進(jìn)一步增加，排氣中O2濃度進(jìn)一步減小，DPF再生速率進(jìn)一步降低，形成惡性循環(huán)。當(dāng)排氣壓力極速上升時(shí)，表明碳煙沉積達(dá)到了DPF堵塞的臨界點(diǎn)。

DPF堵塞后，嘗試在4 000 m海拔下起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行再生。經(jīng)過多次拖動(dòng)起動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)十分困難。起動(dòng)之后在怠速工況（即負(fù)荷為0）運(yùn)行了接近60 s，排氣壓力不斷升高。將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整至1 000 r/min、25%負(fù)荷工況，嘗試讓DPF被動(dòng)再生，但排氣壓力增長十分迅速，最大排氣壓力已經(jīng)達(dá)到80.9 kPa，為了保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，再次起動(dòng)過程的排氣壓力變化如圖21所示。試驗(yàn)后將DPF的載體從后處理系統(tǒng)中拆下，DPF入口沉積了超過2 mm厚的積碳，DPF堵塞十分嚴(yán)重。

圖21 再次起動(dòng)后排氣壓力變化

此外，由于進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)的局限性，無法模擬高原高寒環(huán)境，還應(yīng)該考慮可能造成DPF堵塞的其他極端情形：

（1）冬季高原地區(qū)，外界溫度很低，排氣管路及后處理系統(tǒng)散熱損失大，DPF內(nèi)部達(dá)不到再生所需溫度。

（2）由于排氣中有大量水汽，低溫天氣造成后處理系統(tǒng)結(jié)冰，出現(xiàn)“冰堵”，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)或起動(dòng)后積碳迅速沉積而DPF堵塞。

（3）高原地區(qū)油品質(zhì)量難以保證，長時(shí)間使用含硫化物、金屬化合物較高的燃油，DPF的灰分增加，加速DPF老化，影響DPF的捕集效率和再生能力。

（4）高原環(huán)境下DPF壓差等關(guān)鍵傳感器失效，高原標(biāo)定試驗(yàn)“粗糙”或驗(yàn)證不充分，以及現(xiàn)有的再生控制策略失效，都會(huì)增加DPF堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）隨著海拔的上升，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量、空燃比、有效熱效率，排氣中O2濃度、排氣壓力呈非線性減小，有效燃油消耗率、排氣溫度呈不同幅度增加；動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降明顯，排放性能惡化。

（2）全負(fù)荷工況對海拔的變化更加敏感，特別是低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的性能降幅較大；而對部分負(fù)荷工況，海拔變化主要影響中低轉(zhuǎn)速的性能，高轉(zhuǎn)速影響較小。

（3）極限高原環(huán)境下，國六柴油機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)在低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況，排氣中顆粒物較多而O2濃度較小，DPF碳煙沉積較快但再生困難，可能出現(xiàn)DPF堵塞。