邱偉， 周斌， 張浩， 張釗,2， 何俊杰， 閆嘉楠， 陳彥君

(1. 西南交通大學機械工程學院， 四川 成都 610031； 2. 四川托普信息技術職業(yè)學院， 四川 成都 611743)

進氣節(jié)流對柴油機低負荷性能影響的試驗研究

邱偉1， 周斌1， 張浩1， 張釗1,2， 何俊杰1， 閆嘉楠1， 陳彥君1

(1. 西南交通大學機械工程學院， 四川 成都 610031； 2. 四川托普信息技術職業(yè)學院， 四川 成都 611743)

在柴油機上加裝節(jié)流閥是提升小負荷工況排溫、改善排放的途徑之一，但會對柴油機的其他性能造成影響。本研究通過給柴油機加裝節(jié)流閥，研究了進氣節(jié)流對柴油機小負荷工況性能的影響。試驗結果表明：進氣節(jié)流對柴油機的排溫和NOx排放提升明顯；柴油機進氣節(jié)流后缸內壓力下降，缸內平均燃燒溫度、機械效率升高，滯燃期延長，燃燒始點后移；中低轉速小負荷工況，隨著節(jié)流程度的增加，燃油消耗率和煙度增加；高轉速小負荷工況，一定范圍內通過進氣節(jié)流可以實現(xiàn)燃油消耗率和煙度的降低。2 500 r/min，29 N·m工況，保持EGR閥全開，隨著節(jié)流程度的增加，NOx和煙度出現(xiàn)同時下降趨勢，當空氣流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h時，燃油消耗率、NOx、煙度分別下降了7.9%，58.1%，27.3%，排溫提升了42.5%。

柴油機； 低負荷； 進氣節(jié)流； 廢氣再循環(huán)； 排溫

現(xiàn)今為滿足嚴格的排放法規(guī)，柴油機需要采取后處理技術[1]。無論是SCR還是DPF路線,其后處理裝置在排氣溫度較低時都存在性能不佳的問題，SCR系統(tǒng)只有在排氣溫度達300 ℃以上才能正常工作[2-3]，DPF常借助DOC裝置使排氣溫度升至再生溫度，但是DOC本身需要在排溫250 ℃左右才能開始工作。柴油機小負荷工況排溫常小于200 ℃，此時缸內空氣多處于過余狀態(tài)，存在缸內燃燒溫度低、機械效率較低，燃油消耗率高等問題。給柴油機加裝節(jié)流閥是提升排溫的途徑之一，但會對柴油機的其他性能造成影響[4-7]。

本研究通過臺架試驗方法，對試驗柴油機加裝節(jié)流閥，針對小負荷工況，適當減少進氣流量，研究進氣節(jié)流對試驗柴油機小負荷工況性能的影響，并結合廢氣再循環(huán)技術，探究小負荷工況同時降低試驗柴油機燃油消耗率、NOx排放和煙度的方法。

1 試驗設備與試驗方法

試驗設備為一臺電控單體泵柴油機，其主要參數(shù)見表1。主要的測試設備儀器有DW160電渦流測功機、ET2500智能油耗儀、KISTLER 6055C缸壓傳感器、FLA502汽車排氣分析儀、AVL439不透光煙度計、Toceil雙扭空氣流量計。

綜合考慮發(fā)動機的低中高轉速的小負荷工況，本研究選取試驗柴油機1 200，1 800，2 500，2 800 r/min的12.5%和25%負荷點進行試驗研究，測試進氣節(jié)流對試驗柴油機燃燒、油耗、排溫、NOx和煙度等的影響。以試驗柴油機不發(fā)生劇烈抖動和煙度劇烈上升為邊界，進行進氣節(jié)流。試驗系統(tǒng)示意見圖1。

表1 4JB1柴油機主要性能指標

圖1 試驗系統(tǒng)示意

2 試驗結果與分析

2.1 進氣節(jié)流對排溫的影響

圖2示出各試驗工況下進氣節(jié)流對排溫的影響。由圖2可以看出，隨著節(jié)流程度的增加，各工況進氣流量不斷減少；經(jīng)過進氣節(jié)流后，試驗工況的排溫都能超過250 ℃。而且隨著節(jié)流程度的增加，排氣溫度呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，說明進氣節(jié)流對提升排溫的作用非常明顯。這主要是由于節(jié)流減少了缸內新鮮充量，使得缸內燃燒溫度升高，加上燃燒推遲，更多燃料在膨脹行程中燃燒，使得排溫明顯上升。

圖2 進氣節(jié)流對排氣溫度的影響

2.2 進氣節(jié)流對發(fā)動機燃燒過程的影響

圖3至圖6示出2 500 r/min，29 N·m工況下進氣節(jié)流對柴油機的缸內壓力、壓力升高率、缸內平均溫度、放熱率的影響。

圖3 進氣節(jié)流對缸內壓力的影響

圖4 進氣節(jié)流對壓力升高率的影響

圖5 進氣節(jié)流對缸內平均溫度的影響

圖6 進氣節(jié)流對放熱率的影響

由圖中可以看出，隨著進氣流量不斷地減少，缸內最高燃燒壓力逐漸下降，壓力升高率總體呈先上升后下降趨勢，缸內平均溫度逐漸升高，燃燒始點逐漸后移。該工況下，當進氣流量由原機的302.8 kg/h降至160.9 kg/h時，缸內最高燃燒壓力由7.08 MPa降至3.46 MPa，壓力升高率大致不變，缸內平均溫度由1 304 K升至1 642 K，燃燒放熱率由46.2 J/(°)升至56.9 J/(°)。這主要是因為新鮮充量不斷減少，缸壓整體下降，燃油噴入時的壓力和溫度降低，使滯燃期延長，燃燒始點逐漸推后，燃燒過程大部分在膨脹沖程中完成，最高燃燒壓力下降。滯燃期間形成的混合氣量增加，使壓力升高率峰值和放熱率峰值呈現(xiàn)出升高趨勢，而充量密度減小使缸內單位充量吸收的熱量增加，導致缸內最高平均溫度升高。

2.3 進氣節(jié)流對換氣損失和機械效率的影響

圖7至圖12示出進氣節(jié)流對柴油機的中冷前壓力、機械效率和換氣損失等的影響。

圖7 進氣節(jié)流對中冷前壓力的影響

圖8 進氣節(jié)流對機械效率的影響

由圖7可以看出，隨著節(jié)流程度的增加，中冷前壓力不斷降低。這主要是由于節(jié)流降低了排氣流量，渦輪增壓器的做功能力減弱，所以進氣壓力不斷減少。

圖8可以看出，從中低轉速到中高轉速，節(jié)流后的機械效率都高于節(jié)流前，這主要是由于進氣節(jié)流降低了缸內壓力，從而降低了燃燒指示功，而運行工況一定，所以機械效率得到提高。

圖9 1 200 r/min，23 N·m工況進氣節(jié)流對泵氣損失的影響

圖10 1 800 r/min，30 N·m工況進氣節(jié)流對泵氣損失的影響

圖11 2 500 r/min，29 N·m工況進氣節(jié)流對泵氣損失的影響

圖12 2 800 r/min，28 N·m工況進氣節(jié)流對泵氣損失的影響

圖9至圖12顯示，低轉速時進氣節(jié)流使得排氣沖程的壓力升高明顯，泵氣損失加大，而高轉速時， 進氣節(jié)流后的排氣壓力并未提高，反而略有下降，相比原機這降低了泵氣損失。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：隨著轉速的增加，節(jié)流量也增加，2 500 r/min，29 N·m工況到達節(jié)流邊界時，進氣流量由303.8 kg/h降至160.9 kg/h，節(jié)流了47%，1 200 r/min，23 N·m工況到達節(jié)流邊界時，進氣流量由136.7 kg/h降至108.9 kg/h，只節(jié)流了20.3%。即高轉速工況減少的新鮮充量的比例高于低轉速工況，這可能導致高轉速膨脹損失功的比例高于低轉速，使得排氣過程的壓力低于原機。

2.4 進氣節(jié)流對油耗的影響

圖13和圖14示出各試驗工況進氣節(jié)流對燃油消耗率的影響。

圖13 進氣節(jié)流對中低轉速小負荷工況燃油消耗率的影響

圖14 進氣節(jié)流對中高轉速小負荷工況燃油消耗率的影響

由圖可以看出，進氣節(jié)流對燃油消耗率的影響與試驗柴油機的轉速有關。在1 200 r/min和1 800 r/min中低轉速工況，隨著進氣流量的減少，試驗柴油機的燃油消耗率逐漸升高，經(jīng)濟性惡化；而在2 500 r/min和2 800 r/min中高轉速, 在一定的范圍內隨著進氣流量的減少，試驗柴油機的燃油消耗率呈下降的趨勢，經(jīng)濟性得到改善，再進一步節(jié)流，燃油消耗率上升，經(jīng)濟性惡化。

主要原因是：低轉速時，噴油壓力較低，此時燃油的霧化并不好，節(jié)流使新鮮空氣不斷減少，不利于混合氣的形成，導致燃燒惡化，加上此時節(jié)流，泵氣損失增大，故經(jīng)濟性下降；高轉速時，泵氣損失減少有助于經(jīng)濟性的提高，加上高轉速時的噴油壓力較高，此時空氣量本身過剩，適當減少參與燃燒的富余空氣量，可以提高燃燒效率，使經(jīng)濟性得到改善；再進一步加大節(jié)流度，進氣氧含量的減少將導致燃燒惡化，使油耗上升。

2.5 進氣節(jié)流對排放的影響

圖15至圖18為各試驗工況進氣節(jié)流對NOx排放和煙度的影響。由圖可以看出，各試驗工況下，隨著進氣流量的減少，NOx排放增加明顯。進氣節(jié)流對煙度的影響與轉速有關，在1 200 r/min和1 800 r/min中低轉速工況，隨著進氣流量的減少，煙度呈增加趨勢；在2 500 r/min和2 800 r/min中高轉速工況，隨著進氣流量的減少，煙度先呈下降的趨勢，當節(jié)流過大時，煙度會上升。

圖15 進氣節(jié)流對中低轉速小負荷工況NOx排放的影響

圖16 進氣節(jié)流對中高轉速小負荷工況NOx排放的影響

圖17 進氣節(jié)流對中低轉速小負荷工況煙度的影響

圖18 進氣節(jié)流對中高轉速小負荷工況煙度的影響

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：試驗工況為小負荷工況，雖然經(jīng)過進氣節(jié)流，但缸內還是富氧狀態(tài)，此時缸內溫度是NOx形成的主導因素，節(jié)流后缸內平均燃燒溫度顯著上升，這為NOx的形成提供了有利條件，故NOx排放量增加顯著。煙度與混合氣的形成和過量空氣系數(shù)有很大的關系。低轉速時，較低的噴油壓力加上新鮮充量的減少，不利于混合氣形成，使得煙度逐漸增加。高轉速時，較高的噴射壓力有助于燃油霧化，而且一定的進氣節(jié)流增強了氣流運動，有助于混合氣的形成，另一方面，滯燃期的延長使得預混合燃燒的比例增加，這有利于降低顆粒的生成，故高轉速時在一定范圍內煙度能得到降低，但節(jié)流過多后，缸內高溫缺氧加劇，燃燒惡化，煙度轉而上升。

2.6 EGR閥全開+進氣節(jié)流對發(fā)動機性能的影響

高轉速小負荷工況，一定范圍內通過進氣節(jié)流可以實現(xiàn)燃油消耗率和煙度降低，但NOx排放升高。而在發(fā)動機負荷很小時，EGR對柴油機油耗的影響不明顯，可降低NOx排放，但會增加煙度[8]。針對這種相悖的排放趨勢，在高轉速小負荷節(jié)流工況引入EGR，基于EGR閥全開研究進氣節(jié)流對發(fā)動機性能的影響。圖19和圖20示出2 500 r/min，29 N·m工況，EGR閥全開+進氣節(jié)流的柴油機燃油消耗率、排溫和排放的變化。

圖19 EGR閥全開時進氣節(jié)流對燃油消耗率和排溫的影響

圖20 EGR閥全開時進氣節(jié)流對NOx和煙度的影響

由圖可以看出：

1) 與原機相比，EGR閥全開時，空氣流量由303.9 kg/h降至191.4 kg/h，燃油消耗率由473 g/(kW·h)降至435.6 g/(kW·h)，NOx排放體積分數(shù)由160×10-6降至108×10-6。煙度由0.044 m-1升至0.092 m-1。

2) 保持EGR閥全開狀態(tài)，隨著節(jié)流程度的增加，NOx排放和煙度出現(xiàn)了同時降低的趨勢，繼續(xù)增大節(jié)流程度，煙度轉而上升，NOx排放繼續(xù)下降，試驗機的燃油消耗率先降低后升高，排氣溫度呈上升趨勢。當空氣流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h時，試驗柴油機的燃油消耗率、NOx排放、煙度分別下降了7.9%，58.1%，27.3%，排溫提升了42.5%。

出現(xiàn)NOx和煙度同時降低的趨勢，原因可能是EGR的加入增加了缸內惰性氣體量，使缸內充量的比熱容增加，平均燃燒溫度降低，而且隨著節(jié)流程度的增加，新鮮充量進一步減少，使得NOx排放一直呈下降趨勢。EGR和節(jié)流閥都促進了滯燃期延長，使得滯燃期期間形成的預混量增加，這促進了煙度的降低，但是當進氣節(jié)流過大時，空氣量的不足將會導致燃燒惡化，使得顆粒排放增加，煙度增大。

3 結論

a) 柴油機進氣節(jié)流后缸內壓力下降，缸內平均燃燒溫度升高，滯燃期延長，燃燒始點后移，機械效率較節(jié)流前高，中低轉速節(jié)流后泵氣損失增加，中高轉速泵氣損失減??；

b) 進氣節(jié)流對試驗柴油機的排溫和NOx排放影響明顯，隨著節(jié)流的增加，排氣溫度和NOx排放增加；

c) 中低轉速小負荷工況，隨著節(jié)流程度的增加，柴油機燃油消耗率和煙度增加；在中高轉速小負荷工況，隨著節(jié)流程度的增加，燃油消耗率和煙度呈先降低后升高的趨勢；

d) 2 500 r/min，29 N·m工況，保持EGR閥全開，隨著節(jié)流程度的增加，NOx排放和煙度出現(xiàn)同時下降趨勢, 當空氣流量由191.4 kg/h降至140.6 kg/h時獲得比原機更低的燃油消耗率、NOx排放和煙度值。

[1] 李興虎.汽車環(huán)境污染與控制[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[2] 王建昕.汽車發(fā)動機原理[M]．北京：清華大學出版社，2011.

[3] 姚廣濤,趙國斌,鄧成林,等.進氣節(jié)流對柴油機性能影響的試驗研究[J]．汽車工程,2016(5):521-525.

[4] 樓狄明,徐寧,譚丕強,等. 排氣和中冷前進氣節(jié)流對柴油機性能和排放特性的影響[J]．內燃機工程,2016，37(4):14-19.

[5] 姚春德,傅曉光,紀兆琳. 進排氣系統(tǒng)的阻力對車用柴油機性能影響的研究[J]．小型內燃機與摩托車,2001(5):5-7.

[7] Gabrich B,André JRS,AMD Morais,et al. Study of the throttle valve flow rate to adapt a diesel engine for operation with ethanol[C]．SAE Paper 2014-36-0137.

[8] 韓林沛,劉洪濤,孫博,等.EGR對車用柴油機性能影響的試驗研究[J]．車用發(fā)動機,2012(1):51-55.

[編輯： 袁曉燕]

Effects of Intake Throttling on Low Load Performance of Diesel Engine

QIU Wei1, ZHOU Bin1, ZHANG Hao1, ZHANG Zhao1,2, HE Junjie1, YAN Jia’nan1, CHEN Yanjun1

(1. School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Sichuan TOP IT Vocation Institute, Chengdu 611743, China)

Equipping diesel engine with intake throttle valve is one of the ways to raise exhaust temperature of low load conditions and improve emission, but it will affect other performances of diesel engine. In the following, the effects of intake throttling on low load performance of diesel engine were discussed. The experimental results showed that intake throttling would result in the increase of exhaust temperature and NOxemission. In addition, the in-cylinder pressure decreased, the average combustion temperature and mechanical efficiency increased, the ignition delay period extended and the combustion starting point retarded. The brake specific fuel consumption and smoke increased with the increase of throttling degree under the conditions of low load at medium and low speed, but would decrease though throttling under the conditions of low load at high speed. At speed of 2 500 r/min and torque of 29 N·m, the NOxand smoke emission of diesel engine with fully-open EGR decreased with the increase of throttling. The brake specific consumption, NOxand smoke emission decreased by 7.9%, 58.1% and 27.3% respectively and the exhaust temperature increased by 42.5% when the intake mass flow decreased from 191.4 kg/h to 140.6 kg/h.

diesel engine; low load; inlet throttling; EGR; exhaust temperature

2017-02-28；

2017-07-29

邱偉(1991—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機燃燒和排放控制；510034125@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.001

TK421.3

B

1001-2222(2017)04-0001-05