陳香春，高慎勇，高瑩，呂曉惠，張凌宏

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)的幾何壓縮比為氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比；柴油機(jī)的實(shí)際壓縮比反映了活塞由下止點(diǎn)運(yùn)行到上止點(diǎn)的過程中缸內(nèi)工質(zhì)被壓縮的程度[1]。壓縮比影響柴油機(jī)氣缸內(nèi)氣體的流動(dòng)速度、油氣混合的品質(zhì)及壓縮終點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度，進(jìn)而影響柴油機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒速率、平均有效壓力和熱效率，最終影響柴油機(jī)的整體性能[2-5]。

在工程應(yīng)用中，增大壓縮比可降低油耗,縮短滯燃期,降低燃燒噪聲和NOx排放，改善冷起動(dòng)能力，尤其是高原冷起動(dòng)能力，加快暖機(jī)過程，解決冒白煙、熄火等問題。

增壓柴油機(jī)的實(shí)際壓縮比隨著工況變化而變化，低負(fù)荷工況的實(shí)際壓縮比小于幾何壓縮比，而高負(fù)荷工況的實(shí)際壓縮比遠(yuǎn)大于幾何壓縮比[6]。低負(fù)荷工況，增壓柴油機(jī)的實(shí)際壓縮比低于幾何壓縮比，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)的壓力和溫度下降，滯燃期延長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞑ニ俾式档?，燃燒后移，熱效率和平均有效壓力降低，柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性惡化。大負(fù)荷工況，實(shí)際壓縮比隨增壓壓力的提高而提高，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和壓力升高率迅速增大。針對(duì)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)峰值壓力過大的工況點(diǎn)，可利用米勒循環(huán)，采用進(jìn)氣門延遲關(guān)閉的方法靈活改變柴油機(jī)的有效壓縮比[7-9]，從而降低缸內(nèi)峰值壓力，犧牲部分經(jīng)濟(jì)性，確保大負(fù)荷工況下柴油機(jī)工作穩(wěn)定性。因此，增壓柴油機(jī)的幾何壓縮比通常低于非增壓柴油機(jī)的幾何壓縮比，以保證增壓柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行的可靠性。增大幾何壓縮比導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速時(shí)的機(jī)械損失增多，有效熱效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，如果柴油機(jī)的使用工況多在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，幾何壓縮比不宜過大。

1 增大壓縮比對(duì)國(guó)六柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

為提升某重型增壓中冷柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，將壓縮比分別從17.5增加到18.5、由18.5增加到20.0，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，分析增大壓縮比對(duì)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和后處理系統(tǒng)性能的影響。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，臺(tái)架試驗(yàn)儀器與儀表見表2。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 臺(tái)架試驗(yàn)儀器與儀表

表2中，質(zhì)量油耗儀的量程為0～25 kg/h，測(cè)量不確定度≤0.12%；渦輪后排氣溫度傳感器為K型熱電偶傳感器，安裝在渦輪增壓器后120 mm處的排氣管直管段上。K型熱電偶傳感器的量程為：-40～1000 ℃，-40～375 ℃時(shí)的測(cè)量允許誤差為±1.5 ℃，375～1000 ℃時(shí)的測(cè)量允許誤差為測(cè)量溫度的±4‰。

以1400 N·m等扭矩工況點(diǎn)的燃油消耗率為例，定義各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的燃油消耗率除以該壓縮比對(duì)應(yīng)的最低燃油消耗率為燃油消耗率無量綱值，得到壓縮比對(duì)燃油消耗率的影響曲線。

壓縮比對(duì)常用工況區(qū)燃油消耗率的影響曲線如圖1所示，壓縮比對(duì)外特性工況區(qū)燃油消耗率的影響曲線如圖2所示。

圖1 壓縮比對(duì)常用工況區(qū)燃油消耗率的影響曲線 圖2 壓縮比對(duì)外特性工況區(qū)燃油消耗率的影響曲線

由圖1、2可知，壓縮比增大后，各轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率均有所下降，特別是常用工況區(qū)的燃油經(jīng)濟(jì)性改善明顯。壓縮比增大之后，滯燃期縮短，缸內(nèi)燃燒速率加快，油氣混合和燃燒更加充分，柴油機(jī)熱效率提高，缸內(nèi)放熱量增加，有效功占比增大，從而降低燃油消耗率。

2 增大壓縮比對(duì)國(guó)六柴油機(jī)排溫的影響

柴油機(jī)的熱量分布主要分3部分：有用功、冷卻液帶走的熱量和排氣帶走的熱量。相同工況點(diǎn)下，總熱量一定，冷卻液帶走的熱量變化較小，有效功的占比增大，排氣帶走的熱量就會(huì)減小。常用工況區(qū)和外特性工況區(qū)壓縮比對(duì)渦后排氣溫度的影響曲線如圖3所示。

a)常用工況區(qū) b) 外特性工況區(qū)圖3 壓縮比對(duì)渦后排氣溫度的影響

由圖3可知，壓縮比增大后，各轉(zhuǎn)速下的渦輪后排氣溫度下降。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，油耗提升0.5%，排氣溫度降低不低于0.5%，因?yàn)楦邏嚎s比導(dǎo)致壁面?zhèn)鳠釗p失增多。壓縮比由17.5增加到18.5過程中渦輪后排氣溫降見表3。

表3 壓縮比對(duì)渦后排溫的影響

3 增大壓縮比對(duì)國(guó)六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的影響

采用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)路線的國(guó)六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)包括催化氧化裝置(diesel oxidation catalyst，DOC)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)和SCR 3部分，排氣溫度是影響SCR反應(yīng)效率和DPF再生的至關(guān)重要的因素。

SCR選用銅基催化劑。SCR前溫度達(dá)到200 ℃，尿素起噴，SCR前溫度達(dá)到250 ℃，進(jìn)入銅基催化劑的高效反應(yīng)區(qū)。國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)[10]要求柴油機(jī)(130～560 kW)全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)(world harmonized steady-state cycle，WHSC)的NOx比排放小于0.4 g/(kW·h)，比國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)的排放限值降低了80%，SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率大于97%。為保證SCR的反應(yīng)效率，需要采用熱管理手段提升排氣溫度，本文中所研究重型柴油機(jī)在WHSC和全球統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)測(cè)試中，SCR的轉(zhuǎn)化效率在98%以上。

進(jìn)氣節(jié)流閥通過控制新鮮空氣流量，降低空燃比，提高廢氣溫度來保持催化劑所需的溫度,是國(guó)六柴油機(jī)目前普遍采用的熱管理手段。進(jìn)氣節(jié)流閥布置在中冷器后、進(jìn)氣歧管前的進(jìn)氣管路上，進(jìn)氣節(jié)流閥開度較小時(shí)，進(jìn)氣壓力降低，甚至低于環(huán)境壓力。進(jìn)氣歧管中的壓力降低導(dǎo)致壓縮行程結(jié)束時(shí)缸內(nèi)壓力也隨之降低。柴油機(jī)需要一定的起燃條件才能在壓縮行程結(jié)束時(shí)成功點(diǎn)燃缸內(nèi)燃料，點(diǎn)火延遲過長(zhǎng)將引起柴油機(jī)失火甚至熄火。點(diǎn)火延遲不僅與溫度有關(guān)，而且與壓縮行程結(jié)束時(shí)的壓力有關(guān)。在環(huán)境溫度為25 ℃、壓縮壓力低于2.5 MPa時(shí)，柴油機(jī)很難點(diǎn)火。本文中的重型柴油機(jī)在SCR 加熱模式下，進(jìn)氣節(jié)流閥最小開度只有13%，此時(shí)的中冷后進(jìn)氣壓力絕對(duì)值只有105 kPa。增大壓縮比可以改善這種情況，在進(jìn)氣節(jié)流閥導(dǎo)致進(jìn)氣管壓力低于環(huán)境壓力的情況下，提供足夠高的缸內(nèi)壓縮壓力。

國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：柴油機(jī)(130～560 kW)在WHSC和WHTC測(cè)試中顆粒物(particulate matter，PM)比排放小于0.01 g/(kW·h)，在WHSC測(cè)試中顆粒數(shù)(particle number，PN)排放小于8.0×1011，在WHTC測(cè)試中PN排放小于6.0×1011，DPF對(duì)PM的過濾效率可達(dá)95%，對(duì)PN的過濾效率可達(dá)99%，因此，后處理系統(tǒng)必須配備DPF[11]。本文中的重型柴油機(jī)，在WHSC中PM原排為 0.029 g/(kW·h)，在WHTC中PM原排為0.035 g/(kW·h)。柴油機(jī)運(yùn)行過程中，顆粒物在DPF 中不斷累積，為防止DPF堵塞，需要通過再生對(duì)DPF中的顆粒物進(jìn)行清除。排氣溫度對(duì)DPF的再生至關(guān)重要，250～500 ℃時(shí)，在DOC內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)NO+O2→NO2、C + 2NO2→CO2+2NO，顆粒物中的碳被NO2氧化，即DPF發(fā)生被動(dòng)再生，該過程不需要消耗額外的燃油[12-13]。NO2的轉(zhuǎn)化效率隨溫度的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，300 ℃以下，隨著排氣溫度的降低，NO2的轉(zhuǎn)化效率逐漸下降。溫度降低及NO2生成量減少必然導(dǎo)致被動(dòng)再生的強(qiáng)度減弱。

圖4 NO2轉(zhuǎn)化效率隨溫度變化曲線

增大壓縮比使得缸內(nèi)熱效率提升，排氣溫度有所降低。提升壓縮比后的排氣溫度可能不再能夠支持被動(dòng)再生，被動(dòng)再生減弱導(dǎo)致積碳在DPF中不斷累積。積碳累積到一定數(shù)量后會(huì)觸發(fā)主動(dòng)再生，需要往排氣管中噴入燃油，燃油在DOC中氧化放熱，將DPF之前的溫度提升至600 ℃，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)C+O2→CO2，將積碳燒掉。提升壓縮比，可降低柴油機(jī)本身的燃油消耗率，如果因排氣溫度的降低觸發(fā)了主動(dòng)再生或者增加了主動(dòng)再生的頻次，有可能會(huì)削弱提升壓縮比帶來的燃油消耗降低幅度。

4 結(jié)論

1)增大壓縮比可以提高缸內(nèi)壓力和指示熱效率，降低燃油消耗率，提升柴油機(jī)性能；但同時(shí)導(dǎo)致排氣溫度降低，影響DPF的被動(dòng)再生效率，如果因此導(dǎo)致主動(dòng)再生的觸發(fā)，會(huì)削弱提升壓縮比帶來的燃油消耗降低幅度。

2)使用進(jìn)氣節(jié)流閥進(jìn)行熱管理時(shí)會(huì)降低缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)時(shí)的壓縮壓力，增大壓縮比可在進(jìn)氣節(jié)流閥導(dǎo)致進(jìn)氣管壓力低于環(huán)境壓力的情況下，提供足夠高的缸內(nèi)壓縮壓力。

3)壓縮比過大時(shí)，高速大負(fù)荷缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力迅速升高，燃燒過程粗暴，可利用米勒循環(huán)方法靈活改變有效壓縮比，犧牲部分經(jīng)濟(jì)性，保證增壓柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行的可靠性。