万明定，聂学选，毕玉华，申立中，雷基林
(昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500)
选择性催化还原(SCR)已成为控制柴油机NOx排放不可缺少的后处理技术[1]，而当柴油机排气温度较低时，SCR转化效率较低甚至不起作用，导致柴油机标准循环和实际驾驶排放超标．车辆实际运行过程中，发动机低速、低负荷工况占比较大；
在低速、低负荷工况下，柴油机排气温度一般较低．因此，提高柴油机低速、低负荷时的排气温度(排气热管理)以改善SCR转化效率[2]是满足国Ⅵ排放限值和实际驾驶排放要求的关键．
常用的排气热管理的方式主要有进气节流、排气节流、可变气门正时及后喷等[3-5]．Sun等[6]研究了节气门开度和后喷对氧化催化器(DOC)升温的影响表明，调节进气门可以有效提高DOC入口的排气温度．王建等[7]基于柴油机DPF研究了柴油机进气节流的控制策略，结果表明：小负荷工况应采用较小的节流阀开度，随负荷增大节流阀开度增大直至全开．Bai等[8]研究了中、低负荷稳定工况下进气节气门开度对NOx排放、油耗和尿素消耗的影响．Lauren等[9]对比了进气压降与排气背压对排气温度与油耗的影响表明，排气节流能实现更高的温度，但是进气节流的经济性更好．Tan等[10]研究了主喷、后喷、喷油压力和进气门开度对发动机排放和DOC入口温度的影响表明，合理控制节气门开度和后喷能显著改善全球瞬态试验循环(WHTC)下DOC入口平均温度，主喷正时和喷油压力对排气温度影响较小．
中国高原面积广阔，海拔在1km以上的国土面积约占58%，2km以上的面积占33%[11]．国内外对不同海拔下柴油机性能、排放和后处理性能等做了一系列的研究[12-14]．关于不同海拔下采用柴油机排气热管理改善SCR效率的研究较少．随着海拔高度升高，大气压力降低，柴油机进气量下降，排气温度升高，导致SCR转化效率也存在差异[15]．因此，柴油机排气热管理也应随大气压力变化进行合理调整，以保证整个发动机系统高效运行．为此，以柴油机和DOC及SCR组成的后处理系统作为研究对象，在大气压力为80、90和100kPa下研究了进/排气节流对柴油机低速、低负荷工况下燃烧、经济性和SCR转化效率的影响；
对比分析了进/排气节流对柴油机经济性和SCR转化效率影响的差异性；
结果可为不同大气压力下柴油机低速、低负荷工况下的性能和排气热管理优化提供理论依据．
1.1 试验设备
试验用发动机为一款直列4缸高压共轨柴油机，其主要技术参数如表1所示．台架设备仪器主要有AVL PUMA测控系统、AVL Dynoroad 202/12交流电力测功机、AVL FLOWSONIX进气流量计、AVL 735S柴油质量流量计、AVL GH13P缸压传感器、AVL 622燃烧分析仪、AVL AMA i60部分流气体排放分析仪及AVL FTIR i60傅里叶红外光谱分析仪等．试验台架示意如图1所示．后处理系统由DOC和SCR组成，其中SCR主要技术参数如表2所示．试验过程中，将AVL AMA i60置于SCR前端，测量SCR入口NOx体积分数；
将AVL FTIR置于SCR后端，测量SCR出口的NOx及NH3排放．
图1 试验台架示意Fig.1 Layout of test bench
表2 SCR主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of SCR
1.2 研究方法
1.2.1 工况选择
由于柴油机在低速、低负荷的排气温度较低，SCR在低温时转化效率低甚至不反应．因此，选取1400r/min、50N·m进行不同大气压力下进/排气节流对SCR性能的影响研究．所选工况下，发动机喷油由一次预喷与主喷组成．当大气压力和进/排气压力变化时，发动机预喷油量、预喷正时、主喷正时和轨压等保持不变．其中，预喷油量和正时分别为2.1mg和-20°CA ATDC，主喷正时为-5°CA ATDC，轨压为65MPa．
1.2.2 进/排气节流控制
在大气压力为80、90和100kPa下未进行进/排气节流时进气歧管压力分别为96.2、108.7和122.6kPa，涡后压力分别为83.2、93.5和104.0kPa．采用进气节流会导致柴油机进气歧管压力降低，而排气节流会导致柴油机排气背压(涡后压力)增大．因此，进气节流程度用进气压降增加值表示，排气节流程度用排气背压增加值表示．通过分别调节节流阀和排气背压阀1使进气压降和排气背压分别增加0、5、10、15、20和25kPa；
0代表未进行进气或排气节流．不同大气压力、进气节流时，排气背压阀1保持全开，即排气背压增加值为0；
反之，排气节流时，进气压降增加值为0．
1.2.3 大气压力控制
试验当地大气压力为80kPa，在进行大气压力为90kPa和100kPa试验时，采用进气加压和排气背压阀2模拟柴油机进/排气环境．试验过程中保持进气温度(压气机入口)控制在(298±2.5)K，湿度控制在(50±5)%RH．
2.1 不同大气压力下进/排气节流对柴油机性能的影响
2.1.1 进/排气节流对进气量与过量空气系数的影响
图2为不同大气压力下进/排气节流对进气量与过量空气系数的影响．不同大气压力下，随着进气压降和排气背压增大，进气量与过量空气系数下降．进气压降每增加5kPa，在大气压力为80、90和100kPa下，进气量平均下降4.56、5.30和5.50kg/h，过量空气系数平均下降0.18、0.21和0.22．排气背压每增加5kPa，在大气压力为80、90和100kPa下，进气量平均下降1.24、1.58和2.02kg/h，过量空气系数平均下降0.08、0.10和0.11．这主要原因是：随着进气压降增大，进气歧管压力降低，进气歧管内空气密度下降．因此，进气量降低，过量空气系数下降；
而随着排气背压增大，涡轮膨胀比降低，增压器转速下降，增压器效率降低，导致增压压力下降，从而造成发动机的进气量下降．
图2 进/排气节流对进气量与过量空气系数的影响Fig.2 Effects of intake and exhaust throttling on intake air mass flow rate and excess air ratio
由于大气压力降低，发动机增压压力降低，进气量下降．相同进/排气节流程度(进气压降增加值与排气背压增加值相同，下同)时，当大气压力从100kPa降低至90kPa时，进气量平均降低16.08kg/h，过量空气系数平均降低0.67；
当大气压力从90kPa降低至80kPa时，进气量平均降低15.48kg/h，过量空气系数平均降低0.59．
2.1.2 进/排气节流对缸内燃烧的影响
图3所示在大气压力为80、90和100kPa下无进行进/排气节流、排气背压和进气压降分别增大20kPa时缸内压力和燃烧放热率．由于进/排气节流以及大气压力降低造成发动机进气量降低，缸内充量下降．因此，进/排气节流和大气压力降低导致最大缸内压力降低．不同大气压力下，与无进/排气节流相比，排气背压增加20kPa时，最大缸内压力降低0.21MPa左右；
进气压降增加20kPa时，最大缸内压力降低1.13MPa左右．相同进/排气节流程度时，大气压力每降低10kPa，最大缸内压力降低0.6MPa左右．
图3 不同方案对缸内压力与燃烧放热率的影响Fig.3 Effects of different solutions on in-cylinder pressure and heat release rate
不同大气压力下，使用进/排气节流后，最大瞬时燃烧放热率升高．在大气压力为80kPa下，无进/排气节流、排气背压和进气压降分别增加20kPa时的最大瞬时燃烧放热率为37.3、38.9和42.2J/(°)CA，对应曲轴转角分别为2.7°、2.8°和3.2°CA ATDC；
在大气压力为90kPa下，最大瞬时燃烧放热率分别为35.7、37.1和39.7J/(°)CA，对应曲轴转角分别为2.3°、2.4°和2.7°CA ATDC；
在大气压力为100kPa下，最大瞬时燃烧放热率分别为35.3、35.7和37.3J/(°)CA，对应曲轴转角分别为2.1°、2.1°和2.3°CA ATDC．这主要是因为：喷油由一次预喷和主喷组成，在-12°CA ATDC左右预喷燃油出现低温燃烧放热，但进气压降和排气背压增加一定程度上导致预喷低温放热率降低(图3)，并造成预喷未燃比例增大．预喷未燃燃油已与空气良好混合，将随主喷燃油一起燃烧，进而增大主喷燃烧前缸内的预混比例；
另一方面，预喷低温放热量降低造成主喷开启时缸内温度降低(图4)．较低的温度在一定程度上造成主喷滞燃期略微延长，两者共同作用造成主喷后缸内预混比例增大．因而最高放热率增大，对应曲轴转角推迟；
同样，随着大气压力的降低，燃烧放热率增加，对应曲轴转角推后．如在无进/排气节流时，大气压力为80、90和100kPa下的最高燃烧放热率分别为37.3、35.7和35.3J/(°)CA，对应曲轴转角分别为2.7°、2.3°和2.1°CA ATDC．
图4 不同方案对缸内燃烧温度的影响Fig.4 Effects of different solutions on in-cylinder temperature
图4所示在大气压力为80、90和100kPa下无进/排气节流、排气背压和进气压降分别增大20kPa时缸内温度变化．不同大气压力下，采用进/排气节流导致最高缸内温度和燃烧过程后期温度升高．在大气压力为80kPa下，无进/排气节流、排气背压和进气压降分别增加20kPa时的最大缸内温度分别为1566.8、1615.2和1644.9K；
在大气压力为90kPa下最大缸内温度分别为1428.1、1496.5和1561.8K；
在大气压力为100kPa下最大缸内温度分别为1355.5、1422.7和1465.3K．造成这种现象的主要原因是：虽然进/排气节流和大气压力降低导致发动机进气量降低，过量空气系数下降，缸内充量降低；
但较小的缸内充量使得缸内扩散燃烧阶段更加容易形成高温氛围．因此，缸内最高燃烧温度和燃烧过程后期温度升高．
同理，随着大气压力降低，发动机进气量降低，缸内最高燃烧温度升高．如无进/排气节流时，当大气压力从100kPa降低到90kPa时，最高缸内温度升高了72.6K，当大气压力从90kPa降低到80kPa时，最高缸内温度升高了138.7K．
为了综合评价进/排气节流对燃烧的影响，表3为无进行进/排气节流、排气背压和进气压降分别增大20kPa时的累积放热率达到10%、50%(燃烧重心)和90%对应的曲轴转角，分别称作CA 10、CA 50和CA 90．由于不同大气压力下预喷低温燃烧出现的位置无明显变化，且CA 10均出现在主喷开始后，因而以CA 10作为燃烧始点．在不同大气压力、排气背压和进气压降分别增大20kPa时，燃烧始点和燃烧重心推迟；
与燃烧始点相比，燃烧重心的推迟程度减小．这主要是由于：受预喷低温放热的影响，采用进/排气节流导致主喷滞燃期延长，燃烧重心和燃烧始点推迟．采用进/排气节流后，缸内温度升高，促进了燃油蒸发及混合，在缸内氧体积分数充足的情况下，加速发动机扩散燃烧．因而燃烧重心推迟程度相对于燃烧始点减缓．
表3 不同方案下燃烧特征参数Tab.3 Combustion characteristic parameters under different solutions
与无进/排气节流相比，排气背压和进气压降分别增加20kPa时，在大气压力为90kPa和100kPa下CA90提前；
而在大气压力为80kPa下，由于过量空气系数进一步减小，受氧体积分数影响，CA 90略微推迟．同样，由于大气压力降低导致发动机进气量降低．因此，大气压力降低对燃烧始点和燃烧重心的影响与进/排气节流的影响规律一致．
以燃烧始点到CA90持续的曲轴转角作为燃烧持续期．不同大气压力下，采用进/排气节流，燃烧持续期缩短；
相同进/排气节流时，随着大气压力降低，燃烧持续期缩短．在发动机燃烧重心出现不同程度推迟而燃烧持续期缩短的情况下，单纯从燃烧角度出发难以准确确定进/排气节流以及大气压力降低对发动机经济性的影响，应考虑其他因素(如泵气损失)对发动机经济性的影响．
2.1.3 进/排气节流对经济性的影响
研究[16]表明：进/排气节流会造成发动机泵气损失增大，导致经济性恶化．发动机进/排气压差(排气歧管压力与进气歧管压力之差)的大小一定程度上代表发动机泵气损失大小，发动机压差越大，泵气损失越大[17-18]．为此，采用发动机压差间接表征发动机泵气损失的大小．
图5为不同大气压力下进/排气节流对有效燃油消耗率(BSFC)和发动机压差的影响．不同大气压力下，随着进气压降和排气背压增加，发动机BSFC和压差逐渐增大．在大气压力为80、90和100kPa时，进气压降从0增大到5kPa时，BSFC和发动机压差变动较小；
当进气压降增加值超过5kPa时，进气压降每增大5kPa，发动机压差平均增大分别为2.5、2.8和2.9kPa，BSFC平均升高分别为1.2、1.1和1.0g/(kW·h)；
排气背压每增加5kPa，发动机压差平均增大分别为3.9、4.8和4.7kPa，BSFC平均升高分别为2.6、2.5和2.4g/(kW·h)．
图5 进/排气节流对发动机有效燃油消耗率和压差的影响Fig.5 Effect of intake and exhaust throttling on BSFC and difference of exhaust and intake manifold pressure
由于不同大气压力下发动机经济性变化趋势与发动机压差变化规律基本一致，认为进/排气节流导致发动机压差变化是造成发动机经济性恶化的主要原因．进/排气节流导致发动机压差增大，泵气损失增大．因此，发动机经济性恶化．同理，随着大气压力降低，发动机压差增大，导致经济性恶化．
相比较而言，不同大气压力下，尽管相同进/排气节流程度时，排气节流对进气量、过量空气系数、滞燃期和燃烧重心等的影响比进气节流小．但由于排气节流造成的发动机压差更大，泵气损失也就更大．因此，排气节流对发动机经济性的影响更大．这主要是因为：进气节流导致增压压力下降的同时排气歧管压力也会降低，但排气节流造成增压压力降低的同时造成发动机排气阻力增大，进而造成使排气歧管压力增大．因此，发动机压差增大，对经济性的影响也增大．
2.2 不同大气压力下进/排气节流对SCR性能的影响
2.2.1 进/排气节流对SCR入口温度的影响
图6为不同大气压力下进/排气节流对SCR入口温度的影响．不同大气压力下，随着进气压降和排气背压增大，SCR入口温度升高．在大气压力为80、90和100kPa下，进气压降每增加5kPa，SCR入口温度平均升高分别为15.6、11.8和8.2K；
排气背压每增加5kPa，SCR入口温度平均升高分别为7.8、7.2和6.8K．这主要是由于：进/排气节流造成缸内燃烧温度升高，相应地排气温度也升高，因而SCR入口温度升高．相比较而言，在进/排气节流相同时，进气节流对进气量的影响更大，导致缸内气体温度升高幅度更大．因此，进气节流对SCR入口温度的影响更大．
图6 进/排气节流对SCR入口温度的影响Fig.6 Effects of intake and exhaust throttling on temperature of SCR inlet
随着大气压力降低，进气量下降．因此，相同进/排气节流时，随着大气压力降低，SCR入口温度升高．平原环境下，为了实现与高原环境(低大气压力)下相同的SCR入口温度所需要的进气压降或排气背压增加值更大．如在大气压力为80kPa下无节流时，SCR入口温度为500K．为了实现这一温度，若采用进气节流，在大气压力为90kPa和100kPa下的进气压降需要分别增加10kPa和25kPa左右；
若采用排气节流，在大气压力为90kPa下排气背压需要增加15kPa左右，而在大气压力为100kPa下，即使排气背压增加25kPa也无法达到．
2.2.2 进/排气节流对SCR进/出口NOx排放的影响
图7为不同大气压力下进/排气节流对SCR进/出口NOx体积分数的影响．不同大气压力下，随着进气压降和排气背压增大，SCR入口NOx体积分数升高．在大气压力为80、90和100kPa下，进气压降每增加5kPa，SCR入口NOx体积分数平均升高分别为21.4×10-6、20.6×10-6和19.4×10-6；
排气背压每增加5kPa，SCR入口NOx体积分数平均升高分别为10.2×10-6、13.3×10-6和15.2×10-6．在相同进/排气节流程度时，当大气压力从100kPa降低至90kPa时，SCR入口NOx体积分数平均增大62.2×10-6；
当大气压力从90kPa降低至80kPa时，SCR入口NOx体积分数平均增大88.9×10-6．这主要是由于：虽然进/排气节流以及大气压力降低导致发动机进气量降低，过量空气系数下降．但在试验工况下发动机仍然具有较大的过量空气系数，氧气比较充分．而进气量下降使得缸内燃烧温度升高且高温持续时间延长，促进了NOx的生成．因此，随进/排气节流程度增大和大气压力降低，SCR入口NOx体积分数增大．
图7 进/排气节流对SCR进/出口NOx排放的影响Fig.7 Effects of intake and exhaust throttling on NOx emission of SCR inlet and outlet
不同大气压力下，随着进气压降和排气背压增大，SCR入口温度逐渐增大，转化效率提高(图8)，因而SCR出口NOx体积分数逐渐降低．在相同进/排气节流程度下，随着大气压力降低，SCR入口温度升高，SCR效率增大．因而随着大气压力降低，SCR出口NOx排放降低．
图8 进/排气节流对SCR转化效率与NH3溢流量的影响Fig.8 Effects of intake and exhaust throttling onSCR conversion efficiency and NH3 slip
2.2.3 进/排气节流对SCR转化效率与NH3溢流量的影响
图8为不同大气压力下进/排气节流对SCR转化率和NH3溢流量的影响．随着进气压降和排气背压增加，SCR转化效率逐渐增大，NH3溢流量逐渐降低．随着进气压降和排气压降增大，SCR转化效率在SCR入口温度为523K左右时出现拐点．这主要是由于：SCR转化效率主要受温度的影响，钒基SCR高效运行温度范围为523～723K[19]．当SCR入口温度低于523K时，不同大气压力下SCR转化效率随进气压降和排气背压增大基本呈线性增加．在大气压力为80、90和100kPa下，进气压降每增加5kPa，SCR的NOx转化效率平均提高分别为6.8%、7.8%和7.2%；
进气压降每增加5kPa，SCR的NOx转化效率平均提高分别为3.7%、5.0%和5.6%．当SCR入口温度高于523K时，SCR转化效率增加幅度减小．随着大气压力降低，SCR入口温度升高，转化效率增大．因此，高原环境下根据NOx排放控制需求，进/排气节流程度降低以改善经济性．
为保证获得不同大气压力、不同排气温度时SCR的最大转化效率，尿素喷射采用过量喷射策略，不同进气压降和排气背压时均有不小于80×10-6的NH3溢出．由于采用过量喷射，当SCR转化效率较低时，参与反应的NH3少，排出的NH3增大．随着SCR效率增大，参与反应的NH3多，相应地排出的NH3减少．因此，随着进气压降和排气背压增大以及大气压力降低，SCR转化效率增大，NH3溢流量降低．
综合分析可知，不同大气压力下，进/排气节流均能提高SCR入口温度，进而改善SCR转化效率，并且都会造成发动机经济性恶化．但在相同进/排气节流时，进气节流改善SCR入口温度和SCR转化效率的效果更加良好，且对柴油机经济性影响更小．因此，综合考虑柴油机经济性和SCR转化效率，建议首先采用进气节流进行柴油机排气热管理．若进气节流也无法达到目标的转化效率，则需配合其他的排气热管理方式来提高排气温度．不同大气压力下，进气节流程度需根据发动机经济性、NOx排放控制需求和SCR转化效率进行综合优化．
(1) 不同大气压力下，采用进/排气节流均会造成柴油机进气量和过量空气系数下降；
不同大气压力下，与无进/排气节流相比，进气压降和排气背压分别增大20kPa时，最大缸内压力降低、最高瞬时放热率增大，滞燃期延长，燃烧重心略微推迟，燃烧持续期缩短；
相同进/排气节流时，随着大气压力降低，最大缸内压力降低、最高瞬时放热率增大，滞燃期延长，燃烧重心推迟，燃烧持续期缩短．
(2) 不同大气压力下，采用进/排气节流均能提高SCR入口温度，进而提高SCR的转化效率；
但会导致发动机压差增大，进而造成柴油机经济恶化；
在大气压力为80、90和100kPa下，进气压降每增大5kPa，SCR入口温度平均增加分别为15.6、11.8和8.2K；
进气压降增加值大于5kPa时，进气压降每增大5kPa，BSFC平均增大分别为1.2、1.1和1.0g/(kW·h)；
排气背压每增大5kPa，SCR入口温度平均增大分别为7.8、7.2和6.8K，BSFC平均增大分别为2.6、2.5和2.4g/(kW·h)．(3) 与排气节流相比，进气节流提高SCR入口温度和转化效率的效果更明显，同时对柴油机BSFC的影响更小；
建议优先采用进气节流进行排气热管理，同时随着大气压力降低，进气节流程度根据NOx排放和SCR转化效率需求可适当下降，以改善高原环境下柴油机经济性．