高原環(huán)境下國六車用柴油機(jī)性能優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK427 收稿日期：2025-03-15 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.006

Optimisation of National VI Vehicle Diesel Engine Performance at High Altitude

Zhao Bin Jiang Yunfei Xie Libing Zheng Yongming Zeng Xiahan CATARC Automotive Test Center（Kunming）Co.，Ltd.，Kunming ，China

Abstract：This study investigates the performance differences of diesel engines at 0m and 3000m altitudes through intake/exhaust altitude simulation，and optimizes engine power performance and pollutant emissions at 3 000m altitude.The results show that compared with plain conditions，at 3000m altitude：the engine power decreases by approximately 0%～40.22% ，fuel consumption increases by 1%～10% ，smoke opacity（FSN）surgesbyup to 110% ，and NO_x emissions at 1000～1200r/min risebyabout 3%～13% .Afteroptimization at 3 000m altitude：the rated speed torque （ 2200r/min ）increasesby 3.88% （with 0.18% fuel consumption reduction），maximum torque speed（ 1100r/min ）torque improves by 2.67% （with 0.6% fuel consumption reduction），and idle speed torque （ 800r/min ） increases by 38.45% （with 1.42% fuel consumption reduction and 4.09% smoke opacity reduction）.

Key Words：Diesel engine;High altitude;Dynamics;Emission characteristics;Optimization

1前言

我國高原地區(qū)遼闊，海拔高于 1000m 的國土面積約占全國總面積的 58% ，海拔超過 2000m 的國土面積約占 33%^[1] 。高原地區(qū)生物多樣性豐富，環(huán)境易破壞、難恢復(fù)[2]，大氣污染主要源于建筑工地施工機(jī)械和機(jī)動(dòng)車排放[3]。因高原地區(qū)復(fù)雜的氣候與地理環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)面臨增壓器超速、喘振、燃燒惡化、排放增加等挑戰(zhàn)[4-5]。2024年中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)6統(tǒng)計(jì)，2023年全國機(jī)動(dòng)車四項(xiàng)污染物排放總量為1389.6萬t，柴油車在氮氧化物 （NO_x ）與顆粒物（PM）排放方面尤為嚴(yán)重。

自2023年7月1日起全面實(shí)施國六b階段排放標(biāo)準(zhǔn)，并加強(qiáng) 2400m 以下海拔車輛的實(shí)際道路污染物排放及 2500m 海拔以下OBD系統(tǒng)功能等監(jiān)管7]。另外，國外法規(guī)也對(duì)高原汽車污染物排放進(jìn)行限制，美國汽車污染物排放法規(guī)要求進(jìn)行 1620m 海拔的汽車認(rèn)證試驗(yàn)，CO、非甲烷有機(jī)物（NMOG） ?NO_x， 甲醛（HCHO）等需要滿足相應(yīng)的排放限值；歐六汽車污染物排放法規(guī)要求NO.控制系統(tǒng)須在 1 600m 及以下海拔能夠正常使用[8]。最新的歐七排放法規(guī)依然保持高海拔下的嚴(yán)要求，國七排放法規(guī)也將繼續(xù)加強(qiáng)高原汽車污染物排放監(jiān)管。

海拔升高引起柴油機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)密度下降、噴油貫穿距增加、油氣混合質(zhì)量變差、燃燒惡化，導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性下降、污染物排放增加[9-10]。研究表明，海拔每升高 1000m ，大氣壓力下降約 9% ，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降約 4%～13% ，經(jīng)濟(jì)性下降約 2.7%～12.9% ，HC、CO、和煙度的排放平均增幅約為 30%^[11] 。發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化，關(guān)鍵在于缸內(nèi)油氣混合與燃燒控制。大量研究表明，廢氣再循環(huán)（EGR）、高壓共軌與噴油正時(shí)等技術(shù)能很好地改善燃油經(jīng)濟(jì)性及 NO_x 、碳煙排放[12-19]。因高原實(shí)地試驗(yàn)成本高及復(fù)雜的環(huán)境限值，高原柴油機(jī)綜合性能優(yōu)化相關(guān)的研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)國六車用柴油機(jī)，采用進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展 0m.3000m 海拔下柴油機(jī)性能及變化規(guī)律分析，并對(duì) 3000m 海拔下柴油機(jī)的增壓器保護(hù)與動(dòng)力恢復(fù)進(jìn)行優(yōu)化。研究總結(jié)了柴油機(jī)的高海拔動(dòng)力衰減與排放惡化的影響因素，提出了高原發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品性能優(yōu)化策略，研究結(jié)論可為各企業(yè)高原發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)與整車污染物排放控制提供參考。

2試驗(yàn)方法和測(cè)試設(shè)備

2.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)基于發(fā)動(dòng)機(jī)高原臺(tái)架試驗(yàn)室的進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展海拔對(duì)柴油機(jī)性能的影響及性能優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)分別模擬 0m.3000m 海拔，試驗(yàn)進(jìn)氣溫度控制為 （25±2）^qC ，進(jìn)氣相對(duì)濕度控制為 （50±10）% 。測(cè)試中記錄扭矩與功率、油耗以及排放數(shù)據(jù)，分析不同海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及污染物排放的影響。

表1發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)原理如圖1所示，通過模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)入口和排氣系統(tǒng)出口的壓力達(dá)到等效模擬柴油機(jī)所處海拔的目的，進(jìn)氣控制單元對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力管路進(jìn)行加壓模擬，排氣控制單元對(duì)進(jìn)排氣管路抽負(fù)壓，并通過將進(jìn)氣管路與排氣管路連通，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力與排氣壓力聯(lián)動(dòng)，通過前后節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)模擬壓力的精確調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)在變工況下的進(jìn)排氣壓力穩(wěn)定。

圖1進(jìn)排氣海拔模擬示意圖

2.2測(cè)試設(shè)備

研究用測(cè)試設(shè)備主要有進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)、排放分析儀、油耗儀、進(jìn)氣流量計(jì)、415煙度計(jì)等，主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)見表2。

3結(jié)果與討論

3.1海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

隨著海拔的上升，環(huán)境氣壓、溫度、濕度及含氧量均降低，其變化直接作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力及氧含量不足，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)密度降低，從而影響燃油噴霧擴(kuò)散及油氣混合。另外，對(duì)于高海拔條件下的非可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，因受空氣密度及溫度下降的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓縮溫度、壓力降低，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混燃燒占比增加，同時(shí)燃燒重心后移及后燃增加，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降、排放增加。為了恢復(fù)高原發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用很好地彌補(bǔ)了因海拔變化而引起的進(jìn)氣量衰減，但廢氣渦輪增壓能力受限于排氣能量的大小。因此，在高海拔條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性會(huì)明顯降低。

表2測(cè)試設(shè)備

3.1.1動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性

開展了 0m，3000m 海拔下的滿負(fù)荷性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，高海拔下進(jìn)氣量較平原低 8%～37% ，發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速的燃油供給明顯降低，但最大扭矩轉(zhuǎn)速 （900～1700r/min） 的燃油供給與平原相當(dāng)，詳見圖2。

圖2進(jìn)氣質(zhì)量流量、燃油質(zhì)量流量

如圖3所示，在 3000m 海拔，不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力性均有不同程度的衰減，其功率、扭矩相較于平原降幅約 0%～40.22% ，平均降幅為 14% ，且集中于高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速區(qū)域，最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)域的動(dòng)力與平原一致。結(jié)合高原噴油量與動(dòng)力性的變化，高原動(dòng)力性與燃油噴射量高度相關(guān)，因此柴油機(jī)的動(dòng)力性主要受缸內(nèi)供油量的影響。

如圖4所示，相較于平原，有效熱效率較平原低，燃油消耗率較平原高，即高海拔下燃油經(jīng)濟(jì)性降低。 0m 海拔下最佳有效熱效率為 45.2% ，最佳比油耗為185.4g/（kW?h）;3000m 海拔下最佳有效熱效率為48.8% ，最佳比油耗為 186.9g/（kW?h） 。

圖3扭矩和功率

圖4有效熱效率和有效燃油消耗率

如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性衰減約為 0%～40.22% ，主要集中于高 （gt;2000r/min） 、低（ lt;900r/min 轉(zhuǎn)速，動(dòng)力衰減均 gt;20% ；發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加約為 1%～10% ，增幅量最大區(qū)域?yàn)楦?、低轉(zhuǎn)速區(qū)，油耗增量均 gt;4% 。

圖5動(dòng)力和油耗變化率

3.1.2排放特性

由于柴油機(jī)以擴(kuò)散燃燒為主及高壓缸內(nèi)直噴形成理論上的稀燃環(huán)境，故柴油機(jī)空燃比均大于理論空燃比（14.3），詳見圖6所示。 3000m 海拔下，進(jìn)氣充量降低導(dǎo)致空燃比降低（最大降幅約為 11% ），但為了防止增壓器超速，降低高轉(zhuǎn)速噴油量，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速 （gt;2 000r/min） 的空燃比增加（最大增幅約為 10% ）。

圖6空燃比變化情況

在 3000m 海拔，由于大氣壓力降低，進(jìn)氣充量減少，壓縮壓力和溫度降低，著火延遲、后燃增加，導(dǎo)致渦前排溫增加，其最大增幅為 15.6%（1800r/min） 。 3000m 海拔下，由于低轉(zhuǎn)速（ 900r/min， 的噴油量減少，故其排溫較低 （0%～13% ），詳見圖7。

圖7渦前排溫變化情況

如圖8所示，不同海拔下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，空燃比增加，碳煙生成量逐漸降低。相同轉(zhuǎn)速下，高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣充量不足，空燃比降低，煙度均較平原高 0% （1000r/min）～110%（2200r/min） 。

NO_x 在高溫、富氧條件下快速生成，其生成機(jī)理與碳煙相反。如圖9所示，隨轉(zhuǎn)速增加， NO_x 排放量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速 1000～1200r/min，3000m 海拔下 NO_x 排放較平原增加 3%（1200r/min）～13%（1000r/min） ；轉(zhuǎn)速超過 1200r/min，NO_x 排放逐漸降低 （0%～30%） ，煙度逐漸升高。

圖8煙度（FSN）變化情況

圖9 NO_x 變化情況

3.2高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化

根據(jù)2.1節(jié)的分析結(jié)果，針對(duì) 3000m 海拔，選取額定功率轉(zhuǎn)速（ 2200r/min? 、最大扭矩轉(zhuǎn)速 （1100r/min） ！較低轉(zhuǎn)速（ 800r/min ）分別進(jìn)行優(yōu)化。接上節(jié)分析，3000m 海拔下， 2200r/min 滿負(fù)荷扭矩衰減過大，需要進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化； 1100r/min 滿負(fù)荷整體性能達(dá)到平原水平，但其 NO_x 排放與燃油經(jīng)濟(jì)性仍須進(jìn)一步提升；800r/min 滿負(fù)荷扭矩明顯不足，需要進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化。各工況下優(yōu)化方案如表3所示。

表3優(yōu)化方案

目標(biāo)方案篩選原則，以扭矩、BSFC、煙度、NO為目標(biāo)量，計(jì)算各目標(biāo)量在優(yōu)化前后的偏差。同為負(fù)向偏差舍棄，以各目標(biāo)量的偏差值確定優(yōu)選方案。正向偏差代表發(fā)動(dòng)機(jī)性能好的方向，負(fù)向偏差代表發(fā)動(dòng)機(jī)性能差的方向。

2200r/min 滿負(fù)荷工況，對(duì)比方案1.0，方案1.1與方案1.2的扭矩均增加（解決了高海拔工況下扭矩衰減過大的問題）。方案1.1扭矩提升了 3.88% ，油耗降低了0.18% ，煙度和 NO_x 分別增加了 3.74%.1.53% ；方案1.2扭矩提升了 4.16% ，油耗增加了 0.27% ，煙度和 NO_x 分別增加了 14.77%.0.61% 。綜合考慮，方案1.1的綜合性能更優(yōu)。

圖10轉(zhuǎn)速 優(yōu)化結(jié)果

轉(zhuǎn)速 1100r/min 滿負(fù)荷工況，對(duì)比方案2.0，方案2.1與方案2.2的燃油經(jīng)濟(jì)性與 NO_x 排放得到改善，且實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力與油耗的同步改善。方案2.1扭矩提升了1.82% ，油耗降低了 0.35% ，煙度增加了 13.36% ， NO_x 降低了 1.34% ；方案2.2扭矩提升了 2.67% ，油耗降低了 0.6% ，煙度增加了 9.72% ， NO_x 降低了 1.36% 。綜合考慮，方案2.2更綜合性能更優(yōu)。

圖11轉(zhuǎn)速 優(yōu)化結(jié)果

轉(zhuǎn)速 800r/min 滿負(fù)荷工況，對(duì)比方案3.0，方案3.1的整體性能均得到提升，扭矩提升了 38.45% ，油耗降低了 1.42% ，煙度降低了 4.09% NO_x 降低了 28.37% 。綜上，同時(shí)增加進(jìn)氣充量和噴油量可很好地改善發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性，適宜的油氣匹配亦可優(yōu)化排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖12轉(zhuǎn)速 800r/min 優(yōu)化結(jié)果

綜上，高轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷可采取增加燃油供給量來提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，但噴油過多易造成燃油集聚，需要增加噴油壓力，以促進(jìn)油滴破碎而快速霧化；最大扭矩轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷工況通常為最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，也是實(shí)際運(yùn)用的常用工況，其低油耗是優(yōu)化的關(guān)鍵；低轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放最差的區(qū)域，且高海拔下尤為嚴(yán)重，同步增加噴油量和進(jìn)氣充量可改善其綜合性能。另外，對(duì)于中高轉(zhuǎn)速還需要考慮增壓器的機(jī)械性能及超速問題。

4結(jié)語

基于進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展 0m，3000m 海拔條件下的重型車用柴油機(jī)性能試驗(yàn)，分析海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并優(yōu)化 3000m 海拔下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

a.相較于平原，在 3000m 海拔，柴油機(jī)動(dòng)力衰減約為 0%～40.22% ，油耗增加約為 1%～10% ，煙度（FSN）增幅高達(dá) 110%，1 000～1 200r/min 的 NO_x 增幅約為 3%～ 13% 。

b.經(jīng)過優(yōu)化后，在 3 000m 海拔，額定轉(zhuǎn)速L 2200r/min? 扭矩提升了 3.88% （油耗降低 0.18% ，最大扭矩轉(zhuǎn)速 （1100r/min 扭矩提升了 2.67% （油耗降低0.6% ，怠速轉(zhuǎn)速 800r/min 扭矩增加 38.45% （油耗降低 1.42% 、煙度降低 4.09% ）。

本研究同步考慮了海拔、增壓器、噴油量、軌壓等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，且通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探索了不同參數(shù)下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并得出 3000m 海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)滿油門工況的優(yōu)化參數(shù)（噴油量、軌壓）。優(yōu)化試驗(yàn)方案為同步考慮海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響，后期將耦合海拔、進(jìn)氣、噴油等參數(shù)的協(xié)同作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]YuL，GeY，TanJ，etal.Experimental investigation of the impactofbiodiesel on the combustion and emission characteristics of a heavy du-tydiesel engine at variousaltitudes[J].Fuel，2014，115：220-226.

[2]高俊.綠色天路——青藏鐵路環(huán)境保護(hù)紀(jì)實(shí)[J].中國工程咨詢，2021（6）：14-21.

[3]張寶山.霧霾治理：從“源頭\"做起[J].中國人大，2015（11）：18-19.

[4]Kan Z，HuZ，LouD，etal.Effctsof altitude on combustion and igni-tion characteristics of speed-upperiod during cold start ina diesel en-gine[J].Energy，2018，150：164-175.

[5]Wang X，GeYS，YuL X，etal.Effects of altitude on the thermal efi-ciency of a heavy-duty diesel engine[J].Energy，2013，59：543-548.

[6]生態(tài)環(huán)境部.中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)[M].北京：中國環(huán)境出版社，2024.

[7]生態(tài)環(huán)境部.GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）[S].北京：中國環(huán)境出版社，2018.

[8]Gompel P，Koornneef G.The climatic-altitude chamber as develop-ment and validation tool[C].SAE Paper 2010-01-1294，2010.

[9]王成官，樓狄明，譚丕強(qiáng)，等.模擬海拔高度對(duì)柴油機(jī)燃燒影響的可視化試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（4）：552-558.

[10]吳美璇，趙子宇，李浩，等.不同工作條件對(duì)柴油機(jī)尾氣污染物排放特性的影響綜述[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2022，44（1）：197-206.

[11]HeC，GeY，Ma C，etal.Emisson characteristics of a heavy-duty die-sel engine at simulated high altitudes[J].Science of the Total Envi-ronment，2011，409（17）：3138-3143.

[12]陳貴升，魏峰，李冰，等.不同進(jìn)氣氛圍耦合廢氣再循環(huán)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2022，43（2）：1-11.

[13]樓狄明，徐寧，譚丕強(qiáng)，等.廢氣再循環(huán)對(duì)燃用生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（2）：291-297.

[14]張韋，吳偉，朱明，等.EGR的三效應(yīng)對(duì)柴油機(jī)燃燒特性及排放的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2016，22（6）：486-493.

[15]張韋，吳偉，朱明，等.高原環(huán)境下EGR中的各組分對(duì)柴油機(jī)性能的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2015，21（3）：209-216.

[16]姚鑫，何澤，鄭子康，等.預(yù)噴油量對(duì)甲醇-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響試驗(yàn)[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023（6）：217-227.

[17]陳慶濤，劉軍恒，孫平，等.預(yù)噴參數(shù)對(duì)乙醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響[J].石油學(xué)報(bào)（石油加工），2024（1）：115-125.

[18]KothiwaleGR，Akkoli KM，KattimanSS，etal.Impactof injectornozzle diameter and hole number on performance and emission char-acteristics of CI enginepowered by nanoparticles[J].InternationalJournal of Environmental Science and Technology，2022，20（5）：5013-5034.

[19]Gopinath S，DevanKP，Bibin C，etal.Influence of retarded injectiontiming on thermal performance and emission characteristics of a die-sel engine fuelled with anoptimized pyrolytic blend[J].Energy amp;En-vironment，2022，33（6）：1039-1060.