边界条件对车用柴油机油耗、排放的影响研究

刘宝利 于全顺 郭勇 刘麟 王涛

摘 要：以某车用柴油机为研究对象，对其特征工况进行自定义，通过调节额定工况边界条件，基于正交试验理论，对边界条件进行划分，并对不同工况下油耗、原机排放进行了测试。试验表明，在各自定义工况下，进气负压、中冷后温度、排气背压的增加，均会引起比油耗的增加;进气负压、排气背压增加引起NOx比排放减少，中冷后温度增加引起NOx比排放增加。

关键词：进气负压;中冷后温度;排气背压;边界条件

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：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

車用柴油机及其零部件大都在某一固定条件完成设计，实际应用过程中，随着环境条件的变化，必然对其油耗、排放造成影响[1]。

进气负压、排气背压、中冷后进气温度是车用柴油机配套整车应用的重要边界条件，进气负压与空气滤清器设计及使用过程有关，排气背压与后处理器压差设计有关，中冷后进气温度与整车中冷器配套设计有关。

本文以某满足国V排放标准的车用柴油机为研究对象，通过在发动机试验室调整进气负压、中冷后进气温度、排气背压变化，研究边界条件变化对车用柴油机油耗、排放的影响，为发动机应用环境设计提供参考。

1 研究内容

1.1 试验系统和方案

试验采用某6缸国Ⅴ柴油发动机为试验对象，发动机参数如表1所示。测试系统参数如表2，采用进气空调对整套系统进行温度控制，采用进气蝶阀对进气阻力进行控制，采用排气蝶阀对排气阻力进行控制，通过中冷器冷却水开度对中冷后进气温度进行调节。试验用燃油为国五0号柴油。

1.2 试验方法

1.2.1 工况设计

发动机的外特性及自定义工况点如图1所示。本文选取发动机4个典型工况进行研究，分别为：工况点1，转速2300r/min，扭矩80%;工况点2，转速1700r/min，扭矩100%;工况点3，转速1300r/min，扭矩100%;工况点4，转速1300r/min，扭矩50%。其中工况1为发动机的额定工况点，工况2为最大扭矩下的最高转速全负荷工况点，工况3为常用转速下的全负荷工况点，工况4为常用转速下的50%工况点。

1.2.2 试验设计

为了考察进气阻力、排气阻力、中冷器后温度三个边界条件因素对发动机主要性能、排放、安全参数的影响，根据工程经验将额定工况（工况1）进气负压划分为4kPa、7kPa、10kPa三个水平，排气背压划分为10kPa、16kPa、22kPa三个水平，中冷后进气温度划分40℃、50℃、60℃三个水平，采用如表3所示的L9（3^4）正交表[2]依次对图1所示自定义工况安排正交试验。

1.2.3 自定义工况下边界条件实测值

图2、图3、图4分别为自定义工况下进气负压、中冷后进气温度、排气背压实测值，可以看出工况1基本遵循表3的目标值，工况2、工况3、工况4在各试验次序下呈递减趋势，即各工况实际的因素水平并不一致。这是因为，为了模拟发动机实际应用环境，试验过程中，进气负压、中冷后进气温度、排气背压在工况1设定好，并固定相关阀门，其他工况不改变相应阀门设置，对应的边界条件随发动机试验工况发生变化。图2、图3、图4也可视为各工况下的实际因素水平变化。

2 试验结果与讨论

2.1 进气负压对油耗、排放的影响

如图5、图6所示，随着进气负压的增加，各自定义工况比油耗均呈现增加趋势，NOx比排放均呈现逐渐降低趋势。这是因为进气负压增加导致会导致进气量减少，进而影响缸内燃烧的空燃比，从而引起燃烧不充分。此外，进气负压的增加还会导致燃烧滞燃期延长，推迟燃烧始点，最高燃烧温度降低[3]。

此外，额定工况进气负压调整对各自定义工况的影响程度不同，工况1为额定工况，受进气负压变化的影响最大，工况2、工况3、工况4因各自工况下的实际进气负压变化范围收窄（图2），受到的影响相对减弱，后续中冷后进气温度、排气背压对各定义工况的影响机制类似，不再赘述。

2.2 中冷后进气温度对油耗、排放的影响

如图7、图8所示，随着额定工况中冷后进气温度的增加，各自定义工况比油耗均呈现增加趋势，NOx比排放也均呈现逐渐增加趋势。

中冷后进气温度增降低了进气的密度，导致进气量减少，缸内燃烧有所恶化，从而引起比油耗增加，理论上，NOx比排放应当有所改善。但是，中冷后进气温度影响缸内进气温度，有研究表明，缸内进气温度越高，缸内最高燃烧平均温度随之升高，化学滞燃期缩短[4，5]，对NOx的生成产生有利条件，在抵消进气密度下降引起的NOx生成的不利条件基础上，进一步增加了NOx排放[4]。

2.3 排气背压对油耗、排放的影响

如图9、图10所示，随着额定工况排气背压的增加，各自定义工况比油耗、NOx比排放均呈现增加趋势。

排气背压升高，导致排气阻力增加，增压器涡轮膨胀比和压缩机的增压比降低，排气管内压力升高，进气管内压力降低，引起进、排气门叠开期间废气倒灌[6]，缸内残余废气增加，气缸内燃烧恶化，导致油耗增加，同时缸内参与废气增加还会引起缸内燃烧温度降低，对NOx的生成产生不利影响。

3 结论

（1）边界条件变化对燃油经济型的影响：进气负压、中冷后进气温度、排气背压的增加均会引起比油耗的增加，主要是因为缸内实际新鲜空气进气量减少，燃烧恶化导致的。

（2）边界条件变化对NOx排放的影响：随着进气负压、排气背压的增加，NOx比排放有所降低，主要是因为缸内实际新鲜空气进气量的减少为NOx生成产生不利条件，中冷后进气温度增加，虽然也会通过降低进入气缸内的空气密度，导致实际新鲜空气进气量的减少，但中冷后进气温度的增加，会导致缸内燃烧温度的升高，滞燃期缩短，为NOx生成产生有利条件，综合影响大于实际新鲜空气量减少带来的不利条件，从而引起最终NOx生成的增加。

（3）由于实际边界条件随工况变化，标定工况边界条件的变化对不同工况的油耗、排放有不同程度的影响。

参考文献

[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.正交试验设计表的使用分析[J].编辑学报，2005， 17（5）：334-335.

[3] 黄开胜，张尧，刘刚，等.进气压力对发动机性能的影响研究[J].内燃机工程，2017， 38（2）：73-78.

[4] 王兆文，伍尚，黄胜，等.环境湿度对柴油机NO_x及Soot排放特性的影响[J].内燃机学报，2018， 36（4）：322-331.

[5] 李昊.重型柴油机CVS测试系统及测试条件对排放测量的影响[D].山东：山东大学.2018.

[6] 黄伟，赵同宾，李静芬，等.高排气背压柴油机配气相位优化仿真及试验研究[J].舰船科学技术. 2016，38（1）：127-133.