李 磊，郝利君，付秉正，李紫帝 Li Lei，Hao Lijun，Fu Bingzheng，Li Zidi



增压汽油机高原性能与排放仿真计算

李 磊1，郝利君2，付秉正2，李紫帝2Li Lei1，Hao Lijun2，Fu Bingzheng2，Li Zidi2

（1. 北京理工大学 汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081；2. 北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

利用GT-power软件建立某1.4 T增压汽油机模型，模拟在不同海拔下发动机外特性的动力性和经济性的变化情况，全负荷下HC，CO，NO比排放的变化情况。结果显示：在低速时，随海拔上升，汽油机的平均有效压力下降较大，最大达到42%；燃油消耗率在800～1 800 r/min下降比较明显，最高达10%；全负荷下CO比排放随海拔的上升整体呈下降趋势；全负荷下HC比排放随海拔的升高而升高；NO比排放在全负荷时随海拔上升呈现先增加后降低的趋势。

增压汽油机；高海拔；经济性；动力性；排放

0 引 言

在高原地区，由于海拔高度的变化会导致大气压力以及大气温度发生变化，这会对受进气能力限制的发动机动力性产生影响；因此，深入研究发动机的动力性、经济性与海拔高度之间的关系十分重要。

同时，海拔环境下汽车性能的变化规律作为排放法规细化的一个方向，正逐步得到重视和关注，美国已经在汽车排放法规中加入了海拔环境下的试验内容，我国海拔1 000 m以上地区占陆地面积的60%，更应该对其加以重视[1]。

目前，国内外学者关于高海拔的动力性与经济性的研究主要以柴油机为主，主要关注柴油机的高原动力性能[2-5]，近年来进行了高原排放的模拟试验，随着海拔升高，柴油机的CO，HC，PM排放都明显增加[6]。关于汽油机的高原研究是以整车海拔试验仓的模拟试验为主，在NEDC循环下，随着海拔的升高，最大输出功率和输出扭矩下降，有效燃油消耗率减小，CO，HC，NO比排放随海拔的升高而变化[7]5。

利用GT-power软件，建立某1.4 T增压汽油机模型，模拟计算稳态工况不同转速下增压汽油机的经济性和动力性随海拔的变化情况，同时分析HC，CO，NO在全负荷和50%负荷下随海拔的变化情况。

1 发动机仿真模型的建立与校核

建立某1.4 T增压汽油机模型，基本参数见表1。

表1 发动机模型基本参数

参数参数值 型式直列4缸 压比 9.5 缸径/mm 73.8 行程/mm 80.2 排量/L 1.4 标定扭矩/Nm 103 功率/kW 210 转速/（r/min） 5 000

为了计算排放，仿真过程没有采用韦伯模型，而是采用湍流燃烧模型，在此模型中，假设火焰前锋面是以火花塞为中心的球面，将燃烧室分为未燃区和已燃区2个部分[8-9]，主要参数有点火提前角、火花塞位置、火焰核心扩散参数以及湍流系数，燃烧参数主要通过前期试验结果的实测数据得出，为了提高计算的精确程度，将缸内的各个温度区域进行细分，把燃烧室顶部、活塞和气缸壁分别分成3个不同温度区域，建立仿真模型，如图1所示。

图2和图3是发动机外特性曲线，仿真计算的燃油消耗率和平均有效压力与台架试验实际数值的对比，台架试验的条件为海拔100 m，25℃。外特性的平均有效压力计算误差在4%以内，燃油消耗率计算误差除个别点在7%，其余点都在4%以内，吻合较好。

2 汽油机动力性和经济性随海拔的变化

随着海拔的升高，大气压力、空气密度和大气温度都会发生一定的变化，这些参数之间存在着特定的关系。海拔每升高1 000 m，大气温度下降6℃，大气压力与海拔间的关系为[7]2

式中，为海拔，m；P为大气压力，100 kPa。

仿真共选择5个不同的海拔，见表2。

表2 不同海拔下的压力和温度

压力/100 kPa温度/℃海拔/m 125 100 0.920 988 0.8141 949 0.7 83 012 0.6 04 200

在完成模型的建立和标定后，调整环境压力和温度，模拟计算发动机动力性和经济性随海拔的变化情况。这款发动机的增压器是由负压控制旁通阀开度，低速时旁通阀是关闭状态，高速高负荷时旁通阀打开。模拟高原下的工作状况，需要控制增压压力幅度不超过100 kPa，同时增压器转速不超过200 000 r/min。

全负荷工况下发动机的平均有效压力的变化情况如图4所示，当发动机转速在1 800 r/min以下时，进气压力对发动机的平均有效压力影响较大；当转速为1 000 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的平均有效压力下降了42%。

当发动机转速在2 000～4 000 r/min时，高原工况的平均有效压力下降较慢，幅度在12%～21%，这主要是由于高速下进气量的相对损失量较小，所以其平均有效压力损失较小。

当发动机转速在4 000～6 000 r/min时，发动机的平均有效压力会大幅下降，在6 000 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的平均有效压力下降了43%，这主要是由于增压器转速的限值，即增压比的限值，导致进气压力不足，进而扭矩下降。

全负荷工况下发动机的燃油消耗率变化情况如图5所示，燃油消耗率最优转速为1 400～1 800 r/min，达到2 000 r/min以上时，由于混合气浓度增加，导致燃油消耗率急速上升。

低速时，燃油消耗率随海拔升高而上升，在800 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了10%。在2 000～4 000 r/min时，燃油消耗率随海拔变化不大，变化率在2%以内，这主要是由于增压器的作用使发动机气缸内运行工况差别不大。

发动机转速在5 000～6 000 r/min时，燃油消耗率随海拔升高而上升，在6 000 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了8.5%。

75%负荷和50%负荷下燃油消耗率随海拔的变化情况如图6和图7所示，在发动机75%负荷，800 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了7.3%；在发动机75%负荷，6 000 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了15.7%。在发动机50%负荷，800 r/min时，海拔 4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了9.4%；在发动机50%负荷，6 000 r/min时，海拔4 200 m比100 m处的燃油消耗率上升了14.3%。对于中等负荷，发动机在高转速下海拔高度对燃油消耗率的影响较大；同时，中等负荷下最优燃油消耗率的转速有所扩大，对于75%和50%负荷，最优转速为1 400～3 000 r/min。

3 汽油机排放随海拔的变化

3.1 模型设置

CO的生成主要是由于燃料燃烧不充分；HC的生成机理比较复杂，主要与壁面淬熄，狭隙效应，润滑油膜的吸附和解吸以及燃烧室中沉积物有关。仿真中主要考虑壁面淬熄和狭隙效应的影响。

NO主要有NO和NO2，依据Zeldovich机理，仿真模型中主要考虑NO。

汽车尾气净化反应十分复杂，多达上百种，为简化模型，仿真采用了一种比较常见的四反应模型[10-11]。

3.2 排放结果分析

全负荷下CO比排放随海拔的变化如图8所示。

发动机转速在800～1 800 r/min时，随着海拔的上升，CO比排放呈下降趋势，在转速为800 r/min时，海拔4 200 m时CO比排放下降了48%，这主要是由于在空燃比不变的情况下，进气压力下降导致喷油量减少，从而使CO排放减少。发动机转速在2 000～6 000 r/min时，CO的排放量急速上升，其随海拔的变化并不明显，这是由于在高速高负荷下，混合气浓度增加导致三元催化器的效率急速下降。随海拔变化的三元催化器效率如图9所示。

全负荷下HC比排放随海拔的变化如图10所示。HC比排放在各转速下随海拔的变化规律基本相同，都会随着海拔的升高而增加，在发动机转速为1 000 r/min时，海拔4 200 m的HC比排放比100 m处增加了6%，由于THC主要来源于未燃烧的燃油以及不完全燃烧产物，海拔的变化主要影响缸内燃烧过程中氧含量多少，随着海拔升高，进气量和氧含量减少，使得缸内的不完全燃烧和火焰淬熄增加，促使THC生成。

全负荷下NO比排放随海拔的变化如图11所示。随海拔高度的升高，NO比排放呈现先增加后减小的趋势，在海拔1 949 m时比排放量达到最大，而海拔4 200 m的NO比排放则较 1 949 m处有所降低。在转速为1 000 r/min时，海拔1 949 m处的NO比排放比100 m处增加8.5%，而海拔4 200 m又比1 949 m处的NO比排放下降13.8%。

一般来说，NO的生成取决于反应温度、O2浓度和反应时间。一方面，随着海拔的升高，在高原下由于进气量不足会导致燃烧不充分从而导致燃烧温度下降，这会阻碍NO的生成；另一方面，在较高海拔下，反应物在高温下的反应时间相对延长，这会有助于NO的生成；因此，在两方面共同作用下，NO比排放会出现如图11所示的情形。

4　结 论

（1）随着海拔的上升，增压汽油机动力性在低转速和高转速时下降明显，在中等转速时下降幅度不大。

（2）燃油消耗率随着海拔的上升而增加，对于中等负荷，在高转速下，海拔高度对燃油消耗率的影响较大。

（3）随着海拔的上升，全负荷下HC比排放呈现增加趋势，CO比排放呈现减小趋势，但在高转速下基本没有变化，NO比排放呈现先增加后减小的趋势。

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2016-10-13

1002-4581（2017）02-0001-05

U464.171：TP391.9

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.001

国家自然科学基金（51576016）。