进气参数对柴油机性能及排放的影响研究

高鑫磊 张岳秋 李 昂

（1-中国汽车技术研究中心 北京 100176 2-北京市机动车排放管理中心）

引言

为了提升发动机的性能，各柴油机厂家不约而同地采用涡轮增压技术来满足汽车厂商对于动力系统的需求。进气系统参数的变化很大程度上会影响发动机的动力性能和排放等指标。本次试验针对厂家一款柴油机，考察其进气负压和中冷压差的变化对发动机动力性能及排放影响，为厂家调整优化数据提供参考依据。

1 试验设备及样机参数

1.1 试验设备

试验设备有AVL-PUMA全自动控制系统、AVL电力测功机、AVL735油耗仪、AVL-AMA i60多组分气体分析仪、T-06AMFM1200A型空气流量计、CONSYSAIR-1600进气空调、ConsysBoost C-1400以及AVL415滤纸式烟度计。

1.2 试验样机参数

试验样机参数如表1所示。

表1 试验样机参数

2 试验验证

2.1 进气负压

试验进气负压如表2所示。

表2 试验进气负压

发动机进气管真空度（又称负压，进气阻力）是进气管内气压与大气压力差的绝对值，是发动机各气缸交替进气时对进气管形成的负压值总和[1]。

本次试验进气阻力的测量是在发动机节气门前加装一个节流阀模拟空滤，测出在不同工况时发动机的进气阻力。依据上表所列4种进气负压，通过外特性试验查看发动机动力性能的相应变化，如图1～4所示。

图1 不同负压下的功率

从图1和图2中看出，随着进气负压的增加，功率转矩分别降低0.1%、0.3%、0.4%。原因是进气节流造成发动机换气过程中克服进气道阻力的泵气功增加，导致机械损失加大[2]。

从图3中看出，随着转速升高，修正系数相应加大。柴油机修正系数公式中大气因子

图2 不同负压下的转矩

图3 不同负压下的修正系数

图4 不同负压下的油耗率

式中：PS表示大气干压，等于总气压减去水蒸气分压。在PUMA系统中是以绝对压力作为基准压力，实际测量得到的压力属于相对压力也就是我们所说的表压，依据进气压力等于绝对压力减去相对压力（绝对值）。进气负压加大PS就会相应变小，因此大气因子变大就产生修正系数增加的原因。

从图4中看出，油耗率随着进气阻力的增加没有明显变化。

2.2 中冷压差

中冷压差如表3所示。

表3 中冷压差

柴油机能够得到越来越广泛的应用，与柴油机自身技术的发展是密切相关的，人们对柴油机的要求是：更高的功率密度、更高的热效率及更低的排放。而在这个过程中，增压中冷技术扮演着重要角色。增压中冷技术既是强化内燃机的最有效手段，也对降低内燃机的污染、振动、噪声和提高经济性有积极的影响。

依据上表所列4种中冷压差，通过外特性试验查看发动机动力性能相应变化，如图5～8所示。

图5 不同中冷压差下的空气量

图6 不同中冷压差下的功率

图7 不同中冷压差下的转矩

从图5中可以看出，发动机进气量随着中冷压差的加大分别下降1%、2%、10%。在图6和图7中，功率转矩随着中冷压差的加大分别下降0.4%、0.8%、3.3%。

这是因为随着中冷压差的加大使得中冷后的压力明显变小，进而导致进气歧管内的气体压力变小，从而引起进入气缸的空气量减少，喷入的柴油中未充分燃烧的比例增加，导致转矩和功率下降。

图8 不同中冷压差下的油耗率

从图8中可以看出，随着中冷压差的增加油耗率相应地增加。由于发动机低转速运转时，喷油压力较低，此时燃油的雾化并不好，节流使新鲜空气不断减少，不利于混合气的形成，导致燃烧恶化[3]。高转速运转时再进一步加大节流，进气氧含量的减少将导致燃烧恶化，使油耗上升。

2.3 13工况

通过进气负压和中冷压差组合，如表4所示。通过手动十三工况测试，查看排放污染物相应变化，如图9～12所示。

表4 进气负压和中冷压差组合kPa

2.3.1 氮氧化物

从图9中可以看出，在中冷压差不变情况下同原机相比，进气负压升高在C100工况点下氮氧化物排放结果上升32%，其余工况点排放结果均低于原机。中冷压差加大、进气负压由小到大，在C100工况点下均会造成氮氧化物排放结果上升。

图9 氮氧排放值

氮氧化物的生成主要取决于氧浓度、温度和燃烧持续时间。虽然采用增压技术可以缩短燃烧滞燃期，有利于NOx的降低[4]，但是加大中冷压差造成了进气量降低，使得峰值燃烧温度升高进而促进了NOx的生成，因此造成排放结果相应增加。

2.3.2 碳氢化合物

从图10中可以看出，在中冷压差不变情况下同原机相比，进气负压由小到大碳氢排放结果平均降低55%、50%。中冷压差加大、进气负压由小到大排放结果平均降低64%、74%。

图10 碳氢排放值

HC排放主要是由于缸内混合气过浓、过稀或局部混合不均匀引起燃烧不完全而导致的，造成燃烧不完全的因素主要有混合气的质量及发动机的运行条件。在不调整喷油提前角情况下，加大中冷压差及进气负压使得排气温度升高了10%，从而提高气缸燃烧温度，因此达到了降低HC的目的。

2.3.3 一氧化碳

从图11中可以看出，在中冷压差不变情况下同原机相比，进气负压由小到大一氧化碳排放结果平均降低135%、138%。中冷压差加大、进气负压由小到大排放结果平均降低138%、148%。

图11 一氧化碳排放值

柴油机排放的CO主要源于燃料的不充分燃烧以及CO2在高燃烧温度条件下分解形成。一般工况下，生成的CO与缸内的氧气相接触后，若缸内温度较高，可再次氧化产生CO2。进气负压升高使进气量减少，造成此时的空燃比下降，减少了参加燃烧的富余空气量，使燃烧温度提高，因而提高了燃烧效率[5]。

2.3.4 烟度

从图12中可以看出，同原机相比，进气负压加大时烟度排放结果平均上升1.2%。中冷压差加大、进气负压由小到大时烟度排放结果平均上升14%和29%，在C100工况点下排放结果分别上升100%、180%。

图12 烟度排放值

由于柴油机混合气成分不均匀，尽管总体是富氧燃烧，但局部缺氧还是会导致碳烟的生成。造成在C100工况点下排放结果上升是由于进气阻力及中冷压差加大造成该工况点下进气量降低，空燃比减少、高温缺氧区域增加。此外负荷增大，扩散燃烧阶段燃烧的燃料量多。喷油量的增加使过量空气系数减小，排气中氧的浓度降低，碳烟的氧化速率减小，因此排出的碳烟增多。

3 结论

1）进气负压加大，发动机功率、转矩、耗油率变化不大，修正系数随进气负压增加而变大。

2）中冷压差加大，发动机功率、转矩、进气量呈现下降趋势，油耗率相应增加。

3）在十三工况C100点时，加大进气负压、增加中冷压差均会造成NOx和烟度FSN排放上升。

4）十三工况时，改变进气负压的大小、增加中冷压差均会造成CO和HC排放下降。