本文首發(fā)《汽車測(cè)試報(bào)告》，由作者授權(quán)發(fā)布
 

摘要：基于高原進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)，進(jìn)行汽車柴油機(jī)不同燃燒模式的排放特性試驗(yàn)，并分析海拔與燃燒模式對(duì)汽車柴油機(jī)污染物排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在不同海拔下，DPF再生模式的有效燃油消耗率較Normal模式增加3%～11%；受海拔上升、大氣壓力及氧含量降低的影響，汽車柴油機(jī)的CO（一氧化碳）、THC（氣體中含有碳?xì)浠衔锏目偭浚?、CH4（甲烷）排放受海拔的影響最為明顯，且呈上升趨勢(shì)；比較不同的燃燒模式，DPF再生模式的汽車柴油機(jī)污染物排放受海拔影響較小，但排放量較其他模式均高數(shù)十倍。

關(guān)鍵詞：海拔；汽車柴油機(jī)；燃燒模式；排放特性

作者簡(jiǎn)介：
張雙付，中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司助理工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)認(rèn)證及測(cè)試技術(shù)；
李世峰，中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)認(rèn)證及測(cè)試技術(shù)；
解禮兵，中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)；
羅飛，中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司助理工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)。

我國擁有世界上典型的高原地域，僅青藏高原的面積就達(dá)到了2.5×106 km2[1]，并且海拔每上升1 km，氣溫下降0.6 ℃[2]。同時(shí)，海拔上升，大氣壓力、空氣密度及氧含量下降，會(huì)使汽車柴油機(jī)燃油噴霧觸壁及燃燒惡化[3-4]，造成汽車柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降，污染物排放增加[5-6]。另外，隨著排放法規(guī)的升級(jí)[7]，汽車柴油機(jī)污染物排放有了更高的要求，受高原復(fù)雜氣候的影響，高原汽車柴油機(jī)污染物排放規(guī)律極其復(fù)雜。因此，分析高海拔汽車柴油機(jī)不同燃燒模式的排放特性尤為重要。

研究基于汽車柴油機(jī)海拔模擬系統(tǒng)，分析3種汽車柴油機(jī)燃燒模式對(duì)其排放的影響，即Normal模式（汽車柴油機(jī)正常工作）、DPF再生模式（汽車柴油機(jī)缸內(nèi)后噴）、SCR快速加熱模式（汽車柴油機(jī)進(jìn)氣憋氣）?；诟吆０蔚貐^(qū)實(shí)際情況，比較汽車柴油機(jī)燃燒模式對(duì)NOX（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、THC（氣體中含有碳?xì)浠衔锏目偭浚?、CH4（甲烷）排放特性的影響，總結(jié)出不同海拔下的最優(yōu)燃燒模式，以此指導(dǎo)高原汽車柴油機(jī)燃燒及排放控制策略優(yōu)化。

1.試驗(yàn)方法、設(shè)備

1.1汽車柴油機(jī)進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)

汽車柴油機(jī)進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)主要由汽車柴油機(jī)進(jìn)氣控制裝置、排氣控制裝置、進(jìn)氣管路和排氣管路組成，汽車柴油機(jī)分別通過進(jìn)氣管路和排氣管路連接進(jìn)排氣控制裝置。汽車柴油機(jī)進(jìn)排氣模擬系統(tǒng)通過對(duì)汽車柴油機(jī)進(jìn)排氣管路進(jìn)行壓力和溫濕度控制，達(dá)到模擬不同海拔環(huán)境的目的，試驗(yàn)所用的海拔模擬系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～5 000 m的海拔模擬。

汽車柴油機(jī)進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)主要控制參數(shù)為進(jìn)排氣壓力、溫濕度、進(jìn)氣流量等，調(diào)整范圍分別為進(jìn)排氣壓力54.0～101.3 kPa、進(jìn)氣溫度15～45 ℃、進(jìn)氣濕度20%～70% RH、進(jìn)氣流量0.3 m3/h。

1.2燃燒模式

試驗(yàn)分析了3種汽車柴油機(jī)燃燒模式，即運(yùn)用了3種不同的控制模式，分別是Normal模式（固定燃燒模式為0，即0模式）、DPF再生模式（固定燃燒模式為11，即11模式）和SCR快速加熱模式（固定燃燒模式為22，即22模式）。

1.3測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備主要包括電力測(cè)功機(jī)、氣體分析儀、油耗儀、進(jìn)氣流量計(jì)等，主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)

2.結(jié)果與討論

2.1海拔對(duì)汽車柴油機(jī)有效燃油消耗率的影響

在Normal模式下汽車柴油機(jī)BSFC（有效燃油消耗率）隨著海拔升高而變化。在0～2 400 m海拔時(shí)，增幅較小（75%分位值增加3.1%）；在2400～4 500 m時(shí)，增幅明顯（75%分位值增加14.7%）。

在DPF再生模式汽車柴油機(jī)BSFC隨著海拔升高而變化。在0～2 400 m海拔時(shí)，增幅較?。?5%分位值增加6.5%）；在2 400～4 500 m時(shí)，增幅較大（75%分位值增加11%）。

汽車柴油機(jī)兩種燃燒模式均表現(xiàn)為BSFC隨海拔上升而增加，主要是因?yàn)槠嚥裼蜋C(jī)動(dòng)力隨海拔升高而衰減，即同等油耗的功率輸出降低。DPF再生模式既要保證汽車柴油機(jī)動(dòng)力輸出，還要進(jìn)行缸內(nèi)后噴，因此在高海拔（海拔高度大于1 900 m的情況）下，DPF再生模式的BSFC較Normal模式高。

2.2 各海拔汽車柴油機(jī)不同燃燒模式對(duì)其排放的影響

2.2.1  0 m海拔

平原地區(qū)，3種模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次為：0模式分別為776、126、7.4、19、0.5；11模式分別為781、1 765、9.3、6 210、84.7；22模式分別為753、247、7.8、44、0.2。比較汽車柴油機(jī)3種燃燒模式對(duì)其排放物的影響，DPF再生模式對(duì)其污染物的排放影響最為明顯。其中，CO排放高達(dá)1 765 ppm（約是其他2種模式的14、7倍），THC排放高達(dá)6 210 ppm（是其他2種模式的327、141倍），CH4排放高達(dá)84.7 ppm（是其他2種模式的169、424倍）。綜合考慮3種模式對(duì)各排放物的影響，在平原地區(qū)，Normal模式具有明顯的排放優(yōu)勢(shì)。

2.2.2  1 900 m海拔

1 900 m海拔，3種模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次為：0模式分別為700、161、8.2、59、1.2；11模式分別為519、2 001、9.6、5 680、75.6；22模式分別為644、225、8.1、81、1.7。比較汽車柴油機(jī)3種燃燒模式對(duì)其排放物的影響，發(fā)現(xiàn)DPF再生模式的CO、CO2、THC、CH4排放均較其他模式高，其CO排放分別是其他2種模式的12、9倍，THC排放是其他2種模式的96、70倍。因此，1 900 m海拔以下，DPF再生模式有較低的NOX排放，Normal模式有較低的CO、THC、CH4排放。

2.2.3  2 400 m海拔

2 400 m海拔，3種模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次為：0模式分別為749、143、8.5、240、1.1；11模式分別為660、1 802、9.6、4 422、106.6；22模式分別為762、210、8.2、56、2.7。綜合分析3種燃燒模式對(duì)汽車柴油機(jī)污染物排放的影響，DPF再生模式的CO、THC、CH4排放均較其他模式高很多。綜合分析，SCR快速加熱模式，可在NOX小幅增加時(shí)，有較低的THC排放，因此在2 400 m海拔，建議使用SCR快速加熱模式。

2.2.4  4 500 m海拔

4 500 m海拔，3種模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次為：0模式分別為868、480、7.5、460、2.4；11模式分別為425、1 906、8.3、7 600、134；22模式分別為800、464、6.7、216、4.6。比較3種模式對(duì)汽車柴油機(jī)排放物的影響，發(fā)現(xiàn)SCR快速加熱模式具有較好的排放特性，即相較于其他2種燃燒模式，有較低的CO、CO2、THC排放。

2.3不同海拔對(duì)同一汽車柴油機(jī)燃燒模式排放特性的影響

2.3.1 Normal模式

如表2所示，在Normal模式下，NOX、CO、THC、CH4排放隨著海拔的上升而整體增加，受海拔影響較大，當(dāng)海拔超過2 400 m時(shí)，CO、THC、CH4排放呈倍數(shù)增加。海拔增加，氧含量降低，燃燒不充分導(dǎo)致CO排放增加，燃料未完全燃燒導(dǎo)致THC、CH4排放增加。因此，Normal模式較適用于低海拔（<1 900 m）工作環(huán)境，可降低汽車柴油機(jī)的污染物排放。

表2 不同海拔0模式汽車柴油機(jī)排放污染物濃度比較

2.3.2 DPF再生模式

如表3所示，在DPF再生模式下，汽車柴油機(jī)污染物排放均較高。THC排放較高主要與燃油后噴有關(guān)，缸內(nèi)形成大量未燃柴油及未完全燃燒的柴油，其排放高達(dá)7 600 ppm。因此，在DPF再生模式下，汽車柴油機(jī)的污染物排放受海拔影響較小，但污染物排放均較高。

表3 不同海拔11模式汽車柴油機(jī)排放污染物濃度比較

2.3.3 SCR快速加熱模式

如表4所示，在SCR快速加熱模式下，在海拔為0～2 400 m時(shí)，海拔的變化對(duì)汽車柴油機(jī)部分污染物排放的影響不明顯；海拔超過2 400 m時(shí)，汽車柴油機(jī)關(guān)鍵污染物排放均增加，其主要是因海拔高、大氣壓力及氧含量降低，滯燃期延長及缸內(nèi)燃料燃燒不充分。

表4 不同海拔22模式汽車柴油機(jī)排放污染物濃度比較

3 結(jié)束語

本研究基于某汽車柴油機(jī)的不同燃燒模式，分析海拔對(duì)其污染物排放的影響，比較各燃燒模式受海拔影響的大小，并分析汽車柴油機(jī)排放物生成原因。

隨著海拔的上升，DPF再生模式與Normal模式的有效燃油消耗率均增加，且DPF再生模式的有效燃油消耗率較Normal模式高，其主要與燃燒模式的控制策略相關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，汽車柴油機(jī)3種燃燒模式受海拔的影響均不一致。海拔對(duì)DPF再生模式的影響較小，對(duì)Normal模式與SCR快速加熱模式的影響較為明顯，主要表現(xiàn)在2 400 m以上海拔。在3種燃燒模式下，汽車柴油機(jī)的CO、THC、CH4排放受海拔的影響最為明顯，主要與海拔上升、大氣壓力及氧含量較低、缸內(nèi)燃油燃燒不充分有關(guān)。

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