期刊 | 海拔对柴油机不同燃烧模式的排放影响研究

本文首发《汽车测试报告》，由作者授权发布
 

摘要：基于高原进排气海拔模拟系统，进行汽车柴油机不同燃烧模式的排放特性试验，并分析海拔与燃烧模式对汽车柴油机污染物排放的影响。研究发现：在不同海拔下，DPF再生模式的有效燃油消耗率较Normal模式增加3%～11%；受海拔上升、大气压力及氧含量降低的影响，汽车柴油机的CO（一氧化碳）、THC（气体中含有碳氢化合物的总量）、CH4（甲烷）排放受海拔的影响最为明显，且呈上升趋势；比较不同的燃烧模式，DPF再生模式的汽车柴油机污染物排放受海拔影响较小，但排放量较其他模式均高数十倍。

关键词：海拔；汽车柴油机；燃烧模式；排放特性

作者简介：
张双付，中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司助理工程师，研究方向为发动机检测认证及测试技术；
李世峰，中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司工程师，研究方向为发动机检测认证及测试技术；
解礼兵，中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司助理工程师，研究方向为汽车发动机；
罗飞，中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司助理工程师，研究方向为汽车发动机。

我国拥有世界上典型的高原地域，仅青藏高原的面积就达到了2.5×106 km2[1]，并且海拔每上升1 km，气温下降0.6 ℃[2]。同时，海拔上升，大气压力、空气密度及氧含量下降，会使汽车柴油机燃油喷雾触壁及燃烧恶化[3-4]，造成汽车柴油机动力性和经济性下降，污染物排放增加[5-6]。另外，随着排放法规的升级[7]，汽车柴油机污染物排放有了更高的要求，受高原复杂气候的影响，高原汽车柴油机污染物排放规律极其复杂。因此，分析高海拔汽车柴油机不同燃烧模式的排放特性尤为重要。

研究基于汽车柴油机海拔模拟系统，分析3种汽车柴油机燃烧模式对其排放的影响，即Normal模式（汽车柴油机正常工作）、DPF再生模式（汽车柴油机缸内后喷）、SCR快速加热模式（汽车柴油机进气憋气）。基于高海拔地区实际情况，比较汽车柴油机燃烧模式对NOX（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、THC（气体中含有碳氢化合物的总量）、CH4（甲烷）排放特性的影响，总结出不同海拔下的最优燃烧模式，以此指导高原汽车柴油机燃烧及排放控制策略优化。

1.试验方法、设备

1.1汽车柴油机进排气海拔模拟系统

汽车柴油机进排气海拔模拟系统主要由汽车柴油机进气控制装置、排气控制装置、进气管路和排气管路组成，汽车柴油机分别通过进气管路和排气管路连接进排气控制装置。汽车柴油机进排气模拟系统通过对汽车柴油机进排气管路进行压力和温湿度控制，达到模拟不同海拔环境的目的，试验所用的海拔模拟系统可实现0～5 000 m的海拔模拟。

汽车柴油机进排气海拔模拟系统主要控制参数为进排气压力、温湿度、进气流量等，调整范围分别为进排气压力54.0～101.3 kPa、进气温度15～45 ℃、进气湿度20%～70% RH、进气流量0.3 m3/h。

1.2燃烧模式

试验分析了3种汽车柴油机燃烧模式，即运用了3种不同的控制模式，分别是Normal模式（固定燃烧模式为0，即0模式）、DPF再生模式（固定燃烧模式为11，即11模式）和SCR快速加热模式（固定燃烧模式为22，即22模式）。

1.3测试设备

测试设备主要包括电力测功机、气体分析仪、油耗仪、进气流量计等，主要测试设备参数见表1。

表1 主要测试设备参数

2.结果与讨论

2.1海拔对汽车柴油机有效燃油消耗率的影响

在Normal模式下汽车柴油机BSFC（有效燃油消耗率）随着海拔升高而变化。在0～2 400 m海拔时，增幅较小（75%分位值增加3.1%）；在2400～4 500 m时，增幅明显（75%分位值增加14.7%）。

在DPF再生模式汽车柴油机BSFC随着海拔升高而变化。在0～2 400 m海拔时，增幅较小（75%分位值增加6.5%）；在2 400～4 500 m时，增幅较大（75%分位值增加11%）。

汽车柴油机两种燃烧模式均表现为BSFC随海拔上升而增加，主要是因为汽车柴油机动力随海拔升高而衰减，即同等油耗的功率输出降低。DPF再生模式既要保证汽车柴油机动力输出，还要进行缸内后喷，因此在高海拔（海拔高度大于1 900 m的情况）下，DPF再生模式的BSFC较Normal模式高。

2.2 各海拔汽车柴油机不同燃烧模式对其排放的影响

2.2.1  0 m海拔

平原地区，3种模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次为：0模式分别为776、126、7.4、19、0.5；11模式分别为781、1 765、9.3、6 210、84.7；22模式分别为753、247、7.8、44、0.2。比较汽车柴油机3种燃烧模式对其排放物的影响，DPF再生模式对其污染物的排放影响最为明显。其中，CO排放高达1 765 ppm（约是其他2种模式的14、7倍），THC排放高达6 210 ppm（是其他2种模式的327、141倍），CH4排放高达84.7 ppm（是其他2种模式的169、424倍）。综合考虑3种模式对各排放物的影响，在平原地区，Normal模式具有明显的排放优势。

2.2.2  1 900 m海拔

1 900 m海拔，3种模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次为：0模式分别为700、161、8.2、59、1.2；11模式分别为519、2 001、9.6、5 680、75.6；22模式分别为644、225、8.1、81、1.7。比较汽车柴油机3种燃烧模式对其排放物的影响，发现DPF再生模式的CO、CO2、THC、CH4排放均较其他模式高，其CO排放分别是其他2种模式的12、9倍，THC排放是其他2种模式的96、70倍。因此，1 900 m海拔以下，DPF再生模式有较低的NOX排放，Normal模式有较低的CO、THC、CH4排放。

2.2.3  2 400 m海拔

2 400 m海拔，3种模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次为：0模式分别为749、143、8.5、240、1.1；11模式分别为660、1 802、9.6、4 422、106.6；22模式分别为762、210、8.2、56、2.7。综合分析3种燃烧模式对汽车柴油机污染物排放的影响，DPF再生模式的CO、THC、CH4排放均较其他模式高很多。综合分析，SCR快速加热模式，可在NOX小幅增加时，有较低的THC排放，因此在2 400 m海拔，建议使用SCR快速加热模式。

2.2.4  4 500 m海拔

4 500 m海拔，3种模式的NOX（ppm）、CO（ppm）、CO2（%vol）、THC（ppm）、CH4（ppm）排放依次为：0模式分别为868、480、7.5、460、2.4；11模式分别为425、1 906、8.3、7 600、134；22模式分别为800、464、6.7、216、4.6。比较3种模式对汽车柴油机排放物的影响，发现SCR快速加热模式具有较好的排放特性，即相较于其他2种燃烧模式，有较低的CO、CO2、THC排放。

2.3不同海拔对同一汽车柴油机燃烧模式排放特性的影响

2.3.1 Normal模式

如表2所示，在Normal模式下，NOX、CO、THC、CH4排放随着海拔的上升而整体增加，受海拔影响较大，当海拔超过2 400 m时，CO、THC、CH4排放呈倍数增加。海拔增加，氧含量降低，燃烧不充分导致CO排放增加，燃料未完全燃烧导致THC、CH4排放增加。因此，Normal模式较适用于低海拔（<1 900 m）工作环境，可降低汽车柴油机的污染物排放。

表2 不同海拔0模式汽车柴油机排放污染物浓度比较

2.3.2 DPF再生模式

如表3所示，在DPF再生模式下，汽车柴油机污染物排放均较高。THC排放较高主要与燃油后喷有关，缸内形成大量未燃柴油及未完全燃烧的柴油，其排放高达7 600 ppm。因此，在DPF再生模式下，汽车柴油机的污染物排放受海拔影响较小，但污染物排放均较高。

表3 不同海拔11模式汽车柴油机排放污染物浓度比较

2.3.3 SCR快速加热模式

如表4所示，在SCR快速加热模式下，在海拔为0～2 400 m时，海拔的变化对汽车柴油机部分污染物排放的影响不明显；海拔超过2 400 m时，汽车柴油机关键污染物排放均增加，其主要是因海拔高、大气压力及氧含量降低，滞燃期延长及缸内燃料燃烧不充分。

表4 不同海拔22模式汽车柴油机排放污染物浓度比较

3 结束语

本研究基于某汽车柴油机的不同燃烧模式，分析海拔对其污染物排放的影响，比较各燃烧模式受海拔影响的大小，并分析汽车柴油机排放物生成原因。

随着海拔的上升，DPF再生模式与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较Normal模式高，其主要与燃烧模式的控制策略相关。根据试验数据分析，汽车柴油机3种燃烧模式受海拔的影响均不一致。海拔对DPF再生模式的影响较小，对Normal模式与SCR快速加热模式的影响较为明显，主要表现在2 400 m以上海拔。在3种燃烧模式下，汽车柴油机的CO、THC、CH4排放受海拔的影响最为明显，主要与海拔上升、大气压力及氧含量较低、缸内燃油燃烧不充分有关。

参考文献：

[1]李晓然,许世海.高原环境对柴油机性能的影响及解决措施[J].内燃机,2014(3):15-17,21.

[2]张家玺.高原环境对车用汽车柴油机使用性能影响分析[J].车用发动机,2003(4):52-54.

[3]王成官,楼狄明,谭丕强,等.不同海拔条件下汽车柴油机撞壁喷雾燃烧特性的可视化研究[J].内燃机工程,2020(3):9-17.

[4]黄胜,郑高翔,黄荣华,等.海拔对柴油喷雾和附壁燃烧过程的影响[J].内燃机学报,2019(6):522-528.

[5]董素荣,任露,刘鹏宇,等.高海拔条件下汽车柴油机排放特性及控制技术[J].军事交通学院学报,2019(7):41-46.

[6]景琦,骆清国.变海拔环境下汽车柴油机性能仿真研究[J].兵器装备工程学报,2021(2):127-130.

[7]生态环境部,国家市场监管总局.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB 17691—2018[S].北京:中国环境科学出版社,2018.

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