中圖分類號：TK427 收稿日期：2025-03-15 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.006

Optimisation of National VI Vehicle Diesel Engine Performance at High Altitude

Zhao Bin Jiang Yunfei Xie Libing Zheng Yongming Zeng Xiahan CATARC Automotive Test Center（Kunming）Co.，Ltd.，Kunming ，China

Abstract：This study investigates the performance differences of diesel engines at 0m and 3000m altitudes through intake/exhaust altitude simulation，and optimizes engine power performance and pollutant emissions at 3 000m altitude.The results show that compared with plain conditions，at 3000m altitude：the engine power decreases by approximately 0%～40.22% ，fuel consumption increases by 1%～10% ，smoke opacity（FSN）surgesbyup to 110% ，and NO_x emissions at 1000～1200r/min risebyabout 3%～13% .Afteroptimization at 3 000m altitude：the rated speed torque （ 2200r/min ）increasesby 3.88% （with 0.18% fuel consumption reduction），maximum torque speed（ 1100r/min ）torque improves by 2.67% （with 0.6% fuel consumption reduction），and idle speed torque （ 800r/min ） increases by 38.45% （with 1.42% fuel consumption reduction and 4.09% smoke opacity reduction）.

Key Words：Diesel engine;High altitude;Dynamics;Emission characteristics;Optimization

1前言

我國高原地區(qū)遼闊，海拔高于 1000m 的國土面積約占全國總面積的 58% ，海拔超過 2000m 的國土面積約占 33%^[1] 。高原地區(qū)生物多樣性豐富，環(huán)境易破壞、難恢復[2]，大氣污染主要源于建筑工地施工機械和機動車排放[3]。因高原地區(qū)復雜的氣候與地理環(huán)境，發(fā)動機面臨增壓器超速、喘振、燃燒惡化、排放增加等挑戰(zhàn)[4-5]。2024年中國移動源環(huán)境管理年報6統(tǒng)計，2023年全國機動車四項污染物排放總量為1389.6萬t，柴油車在氮氧化物 （NO_x ）與顆粒物（PM）排放方面尤為嚴重。

自2023年7月1日起全面實施國六b階段排放標準，并加強 2400m 以下海拔車輛的實際道路污染物排放及 2500m 海拔以下OBD系統(tǒng)功能等監(jiān)管7]。另外，國外法規(guī)也對高原汽車污染物排放進行限制，美國汽車污染物排放法規(guī)要求進行 1620m 海拔的汽車認證試驗，CO、非甲烷有機物（NMOG） ?NO_x， 甲醛（HCHO）等需要滿足相應(yīng)的排放限值；歐六汽車污染物排放法規(guī)要求NO.控制系統(tǒng)須在 1 600m 及以下海拔能夠正常使用[8]。最新的歐七排放法規(guī)依然保持高海拔下的嚴要求，國七排放法規(guī)也將繼續(xù)加強高原汽車污染物排放監(jiān)管。

海拔升高引起柴油機缸內(nèi)工質(zhì)密度下降、噴油貫穿距增加、油氣混合質(zhì)量變差、燃燒惡化，導致柴油機動力性與經(jīng)濟性下降、污染物排放增加[9-10]。研究表明，海拔每升高 1000m ，大氣壓力下降約 9% ，發(fā)動機動力性下降約 4%～13% ，經(jīng)濟性下降約 2.7%～12.9% ，HC、CO、和煙度的排放平均增幅約為 30%^[11] 。發(fā)動機性能優(yōu)化，關(guān)鍵在于缸內(nèi)油氣混合與燃燒控制。大量研究表明，廢氣再循環(huán)（EGR）、高壓共軌與噴油正時等技術(shù)能很好地改善燃油經(jīng)濟性及 NO_x 、碳煙排放[12-19]。因高原實地試驗成本高及復雜的環(huán)境限值，高原柴油機綜合性能優(yōu)化相關(guān)的研究鮮有報道。

針對國六車用柴油機，采用進排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展 0m.3000m 海拔下柴油機性能及變化規(guī)律分析，并對 3000m 海拔下柴油機的增壓器保護與動力恢復進行優(yōu)化。研究總結(jié)了柴油機的高海拔動力衰減與排放惡化的影響因素，提出了高原發(fā)動機產(chǎn)品性能優(yōu)化策略，研究結(jié)論可為各企業(yè)高原發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)與整車污染物排放控制提供參考。

2試驗方法和測試設(shè)備

2.1試驗方法

試驗基于發(fā)動機高原臺架試驗室的進排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展海拔對柴油機性能的影響及性能優(yōu)化試驗，試驗分別模擬 0m.3000m 海拔，試驗進氣溫度控制為 （25±2）^qC ，進氣相對濕度控制為 （50±10）% 。測試中記錄扭矩與功率、油耗以及排放數(shù)據(jù)，分析不同海拔對發(fā)動機動力性、燃油經(jīng)濟性及污染物排放的影響。

表1發(fā)動機主要參數(shù)

進排氣海拔模擬系統(tǒng)原理如圖1所示，通過模擬發(fā)動機進氣系統(tǒng)入口和排氣系統(tǒng)出口的壓力達到等效模擬柴油機所處海拔的目的，進氣控制單元對發(fā)動機進氣壓力管路進行加壓模擬，排氣控制單元對進排氣管路抽負壓，并通過將進氣管路與排氣管路連通，實現(xiàn)進氣壓力與排氣壓力聯(lián)動，通過前后節(jié)流閥實現(xiàn)模擬壓力的精確調(diào)整，使發(fā)動機在變工況下的進排氣壓力穩(wěn)定。

圖1進排氣海拔模擬示意圖

2.2測試設(shè)備

研究用測試設(shè)備主要有進排氣海拔模擬系統(tǒng)、電力測功機、排放分析儀、油耗儀、進氣流量計、415煙度計等，主要測試設(shè)備參數(shù)見表2。

3結(jié)果與討論

3.1海拔對發(fā)動機性能的影響

隨著海拔的上升，環(huán)境氣壓、溫度、濕度及含氧量均降低，其變化直接作用于發(fā)動機的工作環(huán)境，導致發(fā)動機進氣壓力及氧含量不足，進而使發(fā)動機缸內(nèi)工質(zhì)密度降低，從而影響燃油噴霧擴散及油氣混合。另外，對于高海拔條件下的非可變壓縮比發(fā)動機，因受空氣密度及溫度下降的影響，發(fā)動機缸內(nèi)壓縮溫度、壓力降低，導致滯燃期延長，預混燃燒占比增加，同時燃燒重心后移及后燃增加，造成發(fā)動機動力下降、排放增加。為了恢復高原發(fā)動機的動力性，廢氣渦輪增壓器的應(yīng)用很好地彌補了因海拔變化而引起的進氣量衰減，但廢氣渦輪增壓能力受限于排氣能量的大小。因此，在高海拔條件下，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速的動力性會明顯降低。

表2測試設(shè)備

3.1.1動力性、經(jīng)濟性

開展了 0m，3000m 海拔下的滿負荷性能試驗，試驗結(jié)果顯示，高海拔下進氣量較平原低 8%～37% ，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速的燃油供給明顯降低，但最大扭矩轉(zhuǎn)速 （900～1700r/min） 的燃油供給與平原相當，詳見圖2。

圖2進氣質(zhì)量流量、燃油質(zhì)量流量

如圖3所示，在 3000m 海拔，不同轉(zhuǎn)速下的動力性均有不同程度的衰減，其功率、扭矩相較于平原降幅約 0%～40.22% ，平均降幅為 14% ，且集中于高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速區(qū)域，最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)域的動力與平原一致。結(jié)合高原噴油量與動力性的變化，高原動力性與燃油噴射量高度相關(guān)，因此柴油機的動力性主要受缸內(nèi)供油量的影響。

如圖4所示，相較于平原，有效熱效率較平原低，燃油消耗率較平原高，即高海拔下燃油經(jīng)濟性降低。 0m 海拔下最佳有效熱效率為 45.2% ，最佳比油耗為185.4g/（kW?h）;3000m 海拔下最佳有效熱效率為48.8% ，最佳比油耗為 186.9g/（kW?h） 。

圖3扭矩和功率

圖4有效熱效率和有效燃油消耗率

如圖5所示，發(fā)動機動力性衰減約為 0%～40.22% ，主要集中于高 （gt;2000r/min） 、低（ lt;900r/min 轉(zhuǎn)速，動力衰減均 gt;20% ；發(fā)動機油耗增加約為 1%～10% ，增幅量最大區(qū)域為高、低轉(zhuǎn)速區(qū)，油耗增量均 gt;4% 。

圖5動力和油耗變化率

3.1.2排放特性

由于柴油機以擴散燃燒為主及高壓缸內(nèi)直噴形成理論上的稀燃環(huán)境，故柴油機空燃比均大于理論空燃比（14.3），詳見圖6所示。 3000m 海拔下，進氣充量降低導致空燃比降低（最大降幅約為 11% ），但為了防止增壓器超速，降低高轉(zhuǎn)速噴油量，導致高轉(zhuǎn)速 （gt;2 000r/min） 的空燃比增加（最大增幅約為 10% ）。

圖6空燃比變化情況

在 3000m 海拔，由于大氣壓力降低，進氣充量減少，壓縮壓力和溫度降低，著火延遲、后燃增加，導致渦前排溫增加，其最大增幅為 15.6%（1800r/min） 。 3000m 海拔下，由于低轉(zhuǎn)速（ 900r/min， 的噴油量減少，故其排溫較低 （0%～13% ），詳見圖7。

圖7渦前排溫變化情況

如圖8所示，不同海拔下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，空燃比增加，碳煙生成量逐漸降低。相同轉(zhuǎn)速下，高海拔發(fā)動機進氣充量不足，空燃比降低，煙度均較平原高 0% （1000r/min）～110%（2200r/min） 。

NO_x 在高溫、富氧條件下快速生成，其生成機理與碳煙相反。如圖9所示，隨轉(zhuǎn)速增加， NO_x 排放量呈現(xiàn)降低趨勢。轉(zhuǎn)速 1000～1200r/min，3000m 海拔下 NO_x 排放較平原增加 3%（1200r/min）～13%（1000r/min） ；轉(zhuǎn)速超過 1200r/min，NO_x 排放逐漸降低 （0%～30%） ，煙度逐漸升高。

圖8煙度（FSN）變化情況

圖9 NO_x 變化情況

3.2高海拔發(fā)動機性能優(yōu)化

根據(jù)2.1節(jié)的分析結(jié)果，針對 3000m 海拔，選取額定功率轉(zhuǎn)速（ 2200r/min? 、最大扭矩轉(zhuǎn)速 （1100r/min） ！較低轉(zhuǎn)速（ 800r/min ）分別進行優(yōu)化。接上節(jié)分析，3000m 海拔下， 2200r/min 滿負荷扭矩衰減過大，需要進行動力優(yōu)化； 1100r/min 滿負荷整體性能達到平原水平，但其 NO_x 排放與燃油經(jīng)濟性仍須進一步提升；800r/min 滿負荷扭矩明顯不足，需要進行動力優(yōu)化。各工況下優(yōu)化方案如表3所示。

表3優(yōu)化方案

目標方案篩選原則，以扭矩、BSFC、煙度、NO為目標量，計算各目標量在優(yōu)化前后的偏差。同為負向偏差舍棄，以各目標量的偏差值確定優(yōu)選方案。正向偏差代表發(fā)動機性能好的方向，負向偏差代表發(fā)動機性能差的方向。

2200r/min 滿負荷工況，對比方案1.0，方案1.1與方案1.2的扭矩均增加（解決了高海拔工況下扭矩衰減過大的問題）。方案1.1扭矩提升了 3.88% ，油耗降低了0.18% ，煙度和 NO_x 分別增加了 3.74%.1.53% ；方案1.2扭矩提升了 4.16% ，油耗增加了 0.27% ，煙度和 NO_x 分別增加了 14.77%.0.61% 。綜合考慮，方案1.1的綜合性能更優(yōu)。

圖10轉(zhuǎn)速 優(yōu)化結(jié)果

轉(zhuǎn)速 1100r/min 滿負荷工況，對比方案2.0，方案2.1與方案2.2的燃油經(jīng)濟性與 NO_x 排放得到改善，且實現(xiàn)了動力與油耗的同步改善。方案2.1扭矩提升了1.82% ，油耗降低了 0.35% ，煙度增加了 13.36% ， NO_x 降低了 1.34% ；方案2.2扭矩提升了 2.67% ，油耗降低了 0.6% ，煙度增加了 9.72% ， NO_x 降低了 1.36% 。綜合考慮，方案2.2更綜合性能更優(yōu)。

圖11轉(zhuǎn)速 優(yōu)化結(jié)果

轉(zhuǎn)速 800r/min 滿負荷工況，對比方案3.0，方案3.1的整體性能均得到提升，扭矩提升了 38.45% ，油耗降低了 1.42% ，煙度降低了 4.09% NO_x 降低了 28.37% 。綜上，同時增加進氣充量和噴油量可很好地改善發(fā)動機低轉(zhuǎn)速的動力性，適宜的油氣匹配亦可優(yōu)化排放和燃油經(jīng)濟性。

圖12轉(zhuǎn)速 800r/min 優(yōu)化結(jié)果

綜上，高轉(zhuǎn)速滿負荷可采取增加燃油供給量來提升發(fā)動機動力，但噴油過多易造成燃油集聚，需要增加噴油壓力，以促進油滴破碎而快速霧化；最大扭矩轉(zhuǎn)速滿負荷工況通常為最佳燃油經(jīng)濟區(qū)，也是實際運用的常用工況，其低油耗是優(yōu)化的關(guān)鍵；低轉(zhuǎn)速滿負荷是發(fā)動機燃燒及排放最差的區(qū)域，且高海拔下尤為嚴重，同步增加噴油量和進氣充量可改善其綜合性能。另外，對于中高轉(zhuǎn)速還需要考慮增壓器的機械性能及超速問題。

4結(jié)語

基于進排氣海拔模擬系統(tǒng)，開展 0m，3000m 海拔條件下的重型車用柴油機性能試驗，分析海拔對發(fā)動機性能的影響，并優(yōu)化 3000m 海拔下的發(fā)動機性能。

a.相較于平原，在 3000m 海拔，柴油機動力衰減約為 0%～40.22% ，油耗增加約為 1%～10% ，煙度（FSN）增幅高達 110%，1 000～1 200r/min 的 NO_x 增幅約為 3%～ 13% 。

b.經(jīng)過優(yōu)化后，在 3 000m 海拔，額定轉(zhuǎn)速L 2200r/min? 扭矩提升了 3.88% （油耗降低 0.18% ，最大扭矩轉(zhuǎn)速 （1100r/min 扭矩提升了 2.67% （油耗降低0.6% ，怠速轉(zhuǎn)速 800r/min 扭矩增加 38.45% （油耗降低 1.42% 、煙度降低 4.09% ）。

本研究同步考慮了海拔、增壓器、噴油量、軌壓等參數(shù)對發(fā)動機性能的影響，且通過試驗設(shè)計方法探索了不同參數(shù)下的發(fā)動機性能，并得出 3000m 海拔下發(fā)動機滿油門工況的優(yōu)化參數(shù)（噴油量、軌壓）。優(yōu)化試驗方案為同步考慮海拔對發(fā)動機性能影響，后期將耦合海拔、進氣、噴油等參數(shù)的協(xié)同作用。

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