于跃，雷基林，邓晰文，唐成章，申立中

(昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500)

我国国土大多处于高海拔地区，800 m以上区域占我国陆地总面积的64%。在高海拔地区，气压低，空气中含氧量少，导致发动机动力性、经济性、排放特性明显恶化[1]。为了降低汽车尾气对环境的污染，国家环保部门出台了GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，其中规定了汽车污染排放物限值必须满足随着海拔变化的要求，并且对排放限值要求更加苛刻[2]。届时，高海拔地区车用发动机排放能否满足国六标准将面临严峻挑战。因此，对高海拔条件下柴油机动力性、经济性、排放特性进行深入研究，不仅有助于改善高原环境下车用柴油机综合性能，也符合国家节能减排、推进生态文明建设的基本国策，具有深刻的现实意义。

国内外在海拔对发动机动力性、经济性影响规律方面研究较多，对影响机理的分析也比较透彻[3-12]。相比之下，高海拔对柴油机多种排放污染物生成量的影响规律研究较少，且研究结果并不完全一致，尤其NOx排放规律存在明显差异[3,6,11-14]。

涡轮增压是高原环境下柴油机动力恢复最直接有效的技术。通过进气增压可以在一定程度上弥补由于海拔升高、大气压力下降导致的进气量不足，能显著改善高原地区柴油机的动力性和经济性，并降低排放。

基于此，以一款增压中冷柴油机为试验对象，采用大气模拟综合测控系统对不同海拔下的柴油机综合性能进行模拟试验，分析了海拔与柴油机动力性、经济性和排放特性的关系，定量分析了在不同转速、不同负荷下，海拔变化对柴油机动力性、经济性影响的程度。所得试验结果可以为同类型柴油机性能研究和开发提供数据参考，为进一步改善高原环境下柴油机工作性能提供理论依据。

1 试验测试系统及试验方案设计

1.1 试验测试系统

试验采用大气模拟综合测控系统，主要包括水涡流测功机、油耗仪、进排气压力模拟系统、进气流量计、排气分析仪等(见图1)。主要测试设备特性参数见表1。

表1 主要测试设备特性参数

图1 大气模拟综合测控系统装置

1.2 试验机型

本次试验以小缸径乘用车发动机为研究对象，该发动机采用电控高压共轨、缸内直喷技术，其详细参数见表2。

表2 发动机主要技术参数

1.3 试验方案

试验采用大气模拟综合测控系统模拟不同海拔下的大气压力，当模拟大气压力高于当地大气压力时，通过进气加压、增加排气背压来实现。本次柴油机高原性能模拟试验选择80 kPa，90 kPa，100 kPa共3个大气压力，对应海拔分别为1 900 m，900 m，100 m。此外，测试环境的空气湿度在40%～60%，大气温度在20～28 ℃。试验工况点如下：

1) 外特性工况点：柴油机转速范围为1 000～4 000 r/min，分别选取1 000 r/min，1 400 r/min，1 800 r/min，2 200 r/min，2 600 r/min，3 000 r/min，3 300 r/min，3 600 r/min，4 000 r/min。其中1 000 r/min是发动机怠速工况点。

2) 负荷工况点：选取5个工况点，分别是25%，50%，75%，90%，100%负荷。

2 试验结果及分析

2.1 动力性

图2和图3分别示出不同海拔下的柴油机功率、扭矩、进气量、中冷后压力外特性曲线和负荷特性曲线。如图2所示，随着海拔升高，大气压力逐渐下降，发动机功率、扭矩呈下降趋势。海拔从100 m上升到1 900 m，柴油机标定功率下降6.3%；当转速为1 000 r/min，海拔从100 m上升到1 900 m时，外特性工况点对应的最高扭矩下降23.6%；转速为2 200 r/min时，柴油机外特性工况点对应的最高扭矩下降3.8%。海拔越高，柴油机保持较高动力输出的转速范围越窄，而且，在低转速时海拔对动力性的影响程度比在高转速时更大。

这主要是因为：1)高海拔地区空气稀薄，造成气缸内空燃比下降，引起混合气燃烧恶化，导致动力性下降。2)随着海拔升高，排温会明显升高[10]，为了防止涡轮增压器和发动机热负荷过高，需通过减小循环喷油量来降低排温，导致动力性明显下降[11]。3)随着海拔升高，大气压力下降，排气背压降低，增压比随之增大。当柴油机在低转速区域运行时，排气能量低，涡轮增压器做功能力下降，增压比随海拔的升高增加较小，无法弥补大气压力下降造成的进气量不足，导致动力性下降迅速；随着转速上升，增压比随海拔的升高增加较快，使涡轮增压器做功能力迅速提高，对由于海拔上升导致的进气量下降起到了补偿作用[10]。当发动机在高转速区域运行时，为防止涡轮增压器超速、超温，增压器放气阀自动开启、循环喷油量下降，进而导致随着海拔上升，动力性明显下降。

图2 3种海拔下功率、扭矩、进气量、中冷后压力的外特性曲线

图3 3种海拔下功率、扭矩、进气量、中冷后压力的负荷特性曲线

2.2 经济性

图4和图5分别示出3种海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率外特性曲线和负荷特性曲线。如图4所示，有效燃油消耗率在低转速区受海拔的影响程度比在高转速区大。在转速为1 000 r/min和2 200 r/min时的外特性工况点，柴油机在海拔1 900 m时对应的有效燃油消耗率比在海拔100 m时分别高9.2%和2.1%。随着海拔的升高，有效燃油消耗率最小值向高转速区域偏移，且经济转速范围不断缩小。

图4 3种海拔下的燃油消耗量、有效燃油消耗率的外特性曲线

图5 3种海拔下燃油消耗量、有效燃油消耗率的负荷特性曲线

主要原因是：在低转速时，排气能量低，涡轮增压器做功能力不足，增压比随海拔的升高增加较小；随着负荷的增加，喷油量增大，但进气流量变化不大[3]。以上原因造成缸内燃烧恶化，导致有效燃油消耗率迅速升高。随着转速增加，海拔越高，增压比增长越快，进气量增加，改善了经济性[15]。

2.3 排放特性

图6和图7分别示出3种海拔下NOx，CO，HC、炭烟的外特性曲线和负荷特性曲线。如图6所示，随着转速升高，不同海拔下各排放物变化规律基本一致：烟度先减小后增大，HC、CO逐渐减小并趋于稳定，NOx先增大后减小。NOx，CO，烟度在1 000～2 200 r/min时受海拔的影响程度比在2 200～4 000 r/min时大。海拔越高，CO，HC，炭烟的排放量越高，发动机保持较低CO，HC，烟度的转速区域越小，并且最小值向高转速区域偏移。在转速为1 000 r/min时的外特性工况点，海拔1 900 m时CO和炭烟的排放浓度分别是海拔100 m时的4.55倍和4.06倍。

如图7所示，相比于中高转速工况点，在1 000 r/min时，随着负荷变化，NOx，CO，HC，炭烟受海拔影响程度最显著。此外，在标定功率转速和最大转扭转速下，不同海拔下NOx排放随着负荷的增加而升高。昆明理工大学申立中等[3]在对不同海拔下增压中冷柴油机性能和排放的研究中以及西南林业大学何超等[16]在高压共轨柴油机燃烧与NO2排放特性研究中也得到相似的结果，而北京理工大学余林啸等[12]对重型柴油机在不同海拔地区的燃烧与排放特性研究中所得结果则有所不同。

图6 3种海拔下NOx、CO、HC、炭烟的外特性曲线

图7 3种海拔下NOx、CO、HC、炭烟的负荷特性曲线

2.3.1NOx排放

如图6所示，随着海拔升高，NOx排放降低。在低转速时，海拔对NOx排放影响显著。海拔越高，NOx排放量降幅越小，从900 m到1 900 m NOx排放降幅最大为14.8%，而从100 m到900 mNOx排放降幅最大为19.1%。相比之下，在中高转速时，NOx排放受海拔的影响较小。这主要是因为，柴油机NOx的反应特点是高温、富氧[17]，随着海拔升高，大气压力下降，进气量减小，缸内氧含量下降，滞燃期延长，燃烧始点推迟，预混合燃烧比例增加，这将造成燃烧温度增加，从而促进NOx的生成；同时，高海拔条件下缸内氧含量降低又阻碍了NOx的生成。这两方面的原因导致了NOx排放在中高转速时受海拔的影响较小[12]。如图7所示，在1 000 r/min时，随着负荷的增加，海拔越高，NOx排放量越低。这主要是因为，在低转速、小负荷工况下，循环喷油量小，缸内燃烧温度低，抑制了NOx的生成；大负荷工况下，循环喷油量增大，缸内燃烧温度升高，促进了NOx的生成，但海拔升高引起的缸内温度变化对气缸内整体温度影响不显著，未能进一步促进NOx的生成，导致不同海拔下NOx浓度出现明显差异。

2.3.2烟度

如图7所示，1 000 r/min时，随着负荷的增加，海拔越高，烟度越高，烟度增幅越大。在50%负荷时，海拔从100 m分别升高到900 m和1 900 m，烟度分别增加31.3%和54.8%；在100%负荷时，海拔从100 m分别升高到900 m和1 900 m，烟度分别增加1.19倍和3.06倍。一方面，海拔升高导致燃烧温度升高，高温会提高燃料裂解的反应速率，从而促进炭烟颗粒的生成[12]。另一方面，高海拔下大气压力较低以及低转速下增压器做功能力不足造成进气量降低，气缸内含氧量下降，从而抑制了炭烟颗粒的氧化。

2.3.3HC排放

如图7所示，在1 000 r/min时，随着负荷的减小，海拔越高，HC浓度增长幅度越大。在25%负荷时，海拔从100 m分别升高到900 m和1 900 m，HC值分别增加11.9%和141.8%；在50%负荷时，海拔从100 m分别升高到900 m和1 900 m，HC值分别增加16.7%和50.1%。柴油机在低速、小负荷工况下，较低的缸内温度以及壁面激冷等因素造成HC排放较高，高海拔下大气压力低、空气密度小，导致缸内过量空气系数下降、混合气不均匀，进一步加剧了壁面激冷效应。随着负荷的增加，缸内温度逐渐升高，燃烧环境得到改善，HC逐渐降低，此时，海拔对HC的影响程度不断减弱。中高转速时，涡轮增压器工作能力较高，对进气量进行有效补偿，导致相同负荷时，海拔对HC浓度影响不显著。

2.3.4CO排放

如图7所示，在1 000 r/min时，随着负荷的增加，海拔越高，CO排放增长幅度越大。在50%负荷时，海拔从100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分别增加1.99倍和2.66倍；在100%负荷时，海拔从100 m升高到900 m和1 900 m，CO排放分别增加1.71倍和3.55倍。这是因为，随着负荷增加，循环喷油量增大，较高海拔下的大气压力和空气密度较低，导致过量空气系数下降，造成燃烧室中局部缺氧区域增加，缸内燃烧恶化，从而使CO排放大幅上升[18]。在中高转速时，由于涡轮增压器工作效率较高，对进气量补偿较充分，因此海拔对CO排放的影响减弱。

3 结论

a) 柴油机功率和全负荷扭矩随着海拔的上升而下降，有效燃油消耗率随着海拔的上升而增加；在低转速时，海拔对功率、全负荷扭矩、有效燃油消耗率的影响程度比在高转速时大；外特性工况下，柴油机获得理想动力输出、保持经济运行的转速范围随着海拔的升高逐渐缩小，并且向高转速区域偏移；

b) 海拔对增压中冷柴油机的排放也有显著影响：外特性工况下，在低转速时，海拔越高，NOx、炭烟、CO排放变化幅度越大；在低转速时，随着负荷的增加，海拔对NOx、CO、炭烟的影响程度逐渐增大，对HC的影响程度逐渐减小；在中高速时，随着负荷的增加，海拔对NOx、HC、炭烟、CO的影响不显著。