四冲程通用小型汽油机排放控制的研究

摘要

通用小型汽油机产量大、用途广，价格低廉，全球产量超过5000万台，我国年产量约2200万台且80％以上用于出口。由于通用小型汽油机的结构特点、用途及价格的限制，先进的汽油机技术很难运用，95％以上的通用小型汽油机仍然采用化油器供油。本文以国产、量大的四冲程、单缸、风冷通用小型汽油机168F为研究样机，进行气道研究、化油器两相流建模与计算、低排放供油特性、工作过程等研究，通过“数量”和“时间”的协同匹配，拟在不采用催化剂的情况下，使样机满足美国EPA第3阶段及欧盟未来“Stage V”阶段排放法规及一定的劣化系数的要求。
　　在自主设计的稳流气道试验台上对样机的进排气道进行了试验，结果表明进气道的最大流通系数为0.488，排气道的为0.508，使用FIRE软件对进排气道进行了三维流场计算，研究了气门升程、气道截面形状、垂直段深度、气道倾斜角等不同结构参数下的气道流场及规律。依据模拟计算结果、分析了影响气道流通的因素，对气道的截面形状、垂直段深度及拔模角度等进行了优化，分析了不同铸造工艺对气道设计的影响，给出了通用小型汽油机气道的评价量值。气道优化后，稳流气道试验表明，在最大气门升程时，进气道流通系数增加了18.27％，排气道流通系数增加了10.69％;整机试验表明，在标定工况，有效功率增加了6.22％，有效燃油消耗率改善了3.08％;排放性能，CO、HC分别降低10.78％和14.37％，NOx增加了9.37％，HC+NOx降低了5.77％。
　　试验研究结合理论分析，以排放为控制核心，提出了低排放供油特性概念，即:大负荷工况以抑制NOx的生成为主，须供给浓混合气;中小负荷工况以抑制HC的生成为主，须供给较稀的混合气;怠速工况，为维持运转平稳、降低HC排放，须供给较浓的混合气。
　　为研究化油器内部的两相流及供油特性影响的因素，建立了圆管内两相流的计算模型，以此为基础，建立了化油器的怠速供油系统、主供油系统的计算模型，并用Matlab数学软件编写了计算程序。计算结果表明由于燃油的流动惯性，供油滞后于进气门开启时刻且持续到做功行程;主供油系统的结构参数对中大负工况的混合气浓度影响大，对小负荷及怠速工况的影响小;怠速供油系统对中大负荷工况的混合气浓度没有影响;由空气量孔引入的空气与燃油形成的两相流对燃油的破碎、雾化有重要作用。以此为基础结合低排放供油特性的需求，优化了化油器结构参数。试验结果表明，优化后的化油器供油特性与低排放供油特性的趋势一致。排放试验结果表明，化油器优化后样机的NOx排放降低了32.07％、CO降低11.64％、HC降低15.63％，整机排放达到了美国EPA第3阶段排放限值要求，但HC+NOx的劣化系数为1.08，还需进一步降低排放，拓展HC+NOx的裂化空间。
　　在标定工况，调整点火提前角，采集了示功图数据，计算了瞬时放热率、缸内已燃区的燃烧温度。结果显示，提前角过大，压缩上止点前缸内工质压力高，压缩过程耗功多;点火提前角过小，后燃严重膨胀损失较多。同时测量、分析了排放、有效功率及有效燃油消耗率。通过缸内工作过程研究结合性能分析，确定样机的最佳点火提前角为-22℃A，比原机的-25℃A推迟了3℃A。在-22℃A点火提前角下，整机排放测量结果:CO比排放为249.8g/kW·h，HC+NOx比排放为8.54g/kW·h，达到了现行美国EPA第3阶段及欧盟2019将要实施的“Stage V”阶段排放标准的要求，且HC+NOx劣化系数提高到1.17，取得了预期的效果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 通用小型汽油机的国内外概况

1．2 通用小型汽油机排放法规

1．2．1 美国排放法规

1．2．2 欧盟排放法规

1．2．3 中国排放标准

1．2．4 其他国家排放法规

1．3 本文研究的主要内容

1．3．1 通用小型汽油机国内外技术现状

1．3．2 排放法规是制约行业发展的主要因素

1．3．3 我国通用小型汽油机的排放水平

1．3．4 主要研究内容

第二章 进排气道研究与优化

2．1 气道稳流试验

2．1．1 等压差值的计算

2．1．2 气道性能评价参数

2．1．3 进排气道的试验结果分析

2．2 流场计算理论与模型建立

2．2．1 流场计算理论

2．2．2 CFD模型的数值计算

2．2．3 模型建立

2．3 气道模拟结果分析与优化

2．3．1 进气道模拟结果验证

2．3．2 进气道模拟计算分析

2．3．3 进气道优化

2．3．4 排气道优化

2．4 气道优化前后的稳流试验

2．5 压铸成型气道设计分析与评价

2．6 气道优化前后整机性能试验

2．6．1 试验台架与仪器

2．6．2 充量系数的计算

2．6．3 外特性性能

2．6．4 排放性能

2．7 本章小结

第三章 化油器的低排放供油特性及两相流建模

3．1 低排放供油特性

3．1．1 试验方法

3．1．2 有害排放物的比排放计算

3．1．3 试验结果分析

3．1．4 低排放供油特性与样机化油器供油特性

3．2 化油器两相流建模

3．2．1 圆管内的两相流建模

3．2．2 怠速供油系统建模

3．2．3 主供油系统建模

3．3 计算程序

3．4 本章小结

第四章 化油器供油特性计算与优化

4．1 样机化油器基本结构参数

4．2 压力边界条件的确定

4．2．1 WAVE软件中样机模型的建立

4．2．2 模型的验证

4．2．3 压力和流量的计算结果

4．3 化油器两相流的计算结果分析

4．3．1 化油器供油特性计算值与试验值

4．3．2 主供油系统计算结果分析

4．3．3 怠速供油系统计算结果分析

4．4 化油器供油特性优化

4．5 排放性能

4．6 本章小结

第五章 燃烧时间对整机性能的影响

5．1 试验设备

5．1．1 燃烧分析仪

5．1．2 角标传感器

5．1．3 压力传感器

5．2 试验结果

5．2．1 试验方案

5．2．2 示功图分析

5．2．3 性能分析

5．3 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的相关论文

攻读博士期间的获奖及授权发明专利