趙洪雪 肖建華 夏鴻茂 楊海岳 帥石金

（1-交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 北京 100088 2-清華大學(xué) 3-浙江中堅(jiān)科技股份有限公司）

引言

我國(guó)將通用小型汽油機(jī)定義為標(biāo)定功率小于30 kW的往復(fù)活塞式單缸小型汽油機(jī)，歐美等國(guó)家將其定義為不高于19 kW[1]的往復(fù)活塞式單缸小型內(nèi)燃機(jī)。通用小型汽油機(jī)按行程可分為二沖程和四沖程[2]。目前，通用小型汽油機(jī)多采用風(fēng)冷以及化油器供油，排量一般在20～999 mL 之間[3]。中國(guó)是世界上最大的通用小型汽油機(jī)生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)[4]，我國(guó)的通用小型汽油機(jī)年產(chǎn)量超過(guò)2 000 萬(wàn)臺(tái)[5]，目前，我國(guó)的通用小型汽油機(jī)銷量約占全球的40%，占我國(guó)內(nèi)燃機(jī)保有量的27%[6]。我國(guó)大部分通用小型汽油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)為中小型企業(yè)，產(chǎn)品銷售價(jià)格較低，為控制成本，企業(yè)支持技術(shù)研發(fā)的資金較少[7]，企業(yè)內(nèi)部針對(duì)降低通用小型汽油機(jī)污染物排放的研究也相對(duì)較少。因此，我國(guó)生產(chǎn)的絕大部分通用小型汽油機(jī)，其可靠性、排放水平與國(guó)外同類產(chǎn)品還有一定差距[8]。

隨著世界各國(guó)排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，通用小型汽油機(jī)的污染物排放問(wèn)題逐漸受到重視。中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、印度、加拿大等國(guó)家和地區(qū)均對(duì)通用小型汽油機(jī)提出了較高的排放要求[9-10]，均制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)。

目前，利用三維流體力學(xué)模擬計(jì)算方法分析通用小型汽油機(jī)缸內(nèi)污染物生成情況的文章鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文利用三維流體力學(xué)模擬計(jì)算方法分析158F 四沖程通用小型汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)對(duì)缸內(nèi)污染物生成的影響，并對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 通用小型汽油機(jī)用途

通用小型汽油機(jī)體積小、質(zhì)量小、移動(dòng)性好及操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于園林機(jī)械及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如摩托車、園林綠化設(shè)備、田間耕作機(jī)械、小型發(fā)電設(shè)備、小型工程機(jī)械等[11]，如圖1 所示。另外，通用小型汽油機(jī)還應(yīng)用于卡丁車、沙灘車、無(wú)人機(jī)、航空模型等領(lǐng)域[12]。

圖1 通用小型汽油機(jī)常見(jiàn)用途

2 158F 型通用小型汽油機(jī)排放狀況

排量在100 mL ＜V ＜225 mL 的汽油機(jī)排放限值如表1 所示。

表1 100 mL

本文選用的通用小型汽油機(jī)排量為105.7 mL，針對(duì)此款通用小型汽油機(jī)進(jìn)行化油器匹配研究，測(cè)得排放結(jié)果如圖2 所示。

圖2 158F 型通用小型汽油機(jī)污染物排放狀況

從表1 和圖2 可知，此款通用小型汽油機(jī)滿足國(guó)內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)，但其HC+NOx排放不能滿足美國(guó)EPA III 法規(guī)要求。

3 三維建模及計(jì)算模型

本文重點(diǎn)研究158F 型通用小型汽油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)對(duì)缸內(nèi)污染物生成的影響，并對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 模型構(gòu)建

該通用小型汽油機(jī)的進(jìn)氣道為方形進(jìn)氣道，排氣道為渦流排氣道。如此設(shè)置的主要原因是方形進(jìn)氣道工藝簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)，且在一定程度上可保證進(jìn)氣流量；渦流排氣道是為了減緩排氣過(guò)程，促進(jìn)廢氣與排氣道內(nèi)二次補(bǔ)氣的充分混合，同時(shí)可降低排氣溫度。但渦流排氣道降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣效率，不利于缸內(nèi)迅速充入新鮮混合氣，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及排放性能。

該通用小型汽油機(jī)的CAD 模型通過(guò)逆向掃描得到，由于逆向掃描設(shè)備無(wú)法進(jìn)行狹小空間作業(yè)，因此將該通用小型汽油機(jī)進(jìn)行拆卸，對(duì)其內(nèi)壁及進(jìn)排氣道進(jìn)行硅膠拔膜處理，然后掃描硅膠倒模。將掃描得到的散點(diǎn)進(jìn)行CAD 數(shù)模的構(gòu)建，利用網(wǎng)格劃分軟件完成面網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入三維流體力學(xué)軟件CONVERGE 中進(jìn)行缸內(nèi)燃燒污染物生成的模擬研究。構(gòu)建通用小型汽油機(jī)計(jì)算模型的過(guò)程如圖3 所示。

圖3 通用小型汽油機(jī)建模過(guò)程

3.2 模型參數(shù)標(biāo)定

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，選取轉(zhuǎn)速為4 500 r/min、50%負(fù)荷的常用工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為模擬標(biāo)定參數(shù)。此工況下，燃油消耗量為0.534 kg/h，空燃比A/F 為14.52。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

使用千分尺對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門升程曲線進(jìn)行測(cè)量，0°CA 為壓縮上止點(diǎn)。圖4 為測(cè)得的進(jìn)排氣門升程曲線。

圖4 進(jìn)排氣門升程曲線

模擬過(guò)程中，部分邊界條件如發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度、缸內(nèi)殘余廢氣的比例等采用經(jīng)驗(yàn)值作為初始條件，經(jīng)過(guò)2 個(gè)循環(huán)的模擬計(jì)算，得到較為合理的模擬邊界條件（包含初始壁面溫度），代入初始條件中，進(jìn)行試驗(yàn)與模擬的氣缸壓力標(biāo)定工作。標(biāo)定過(guò)程中，對(duì)邊界條件進(jìn)行多次修訂。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)采用化油器供油方式，模擬過(guò)程中，進(jìn)氣設(shè)置為均質(zhì)混合氣，混合氣的空燃比與試驗(yàn)值一致。

模型選用SAGE 燃燒模型[13-14]，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選用清華大學(xué)鄭東開(kāi)發(fā)的5 組分汽油表征燃料機(jī)理[15]。NOx計(jì)算模型選用的是熱NOx模型[16]和瞬時(shí)NOx模型[17]。經(jīng)過(guò)多組模型參數(shù)調(diào)整，氣缸壓力的模擬值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。

圖5 氣缸壓力模擬值與試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定

從圖5 可以看出，氣缸壓力模擬值與試驗(yàn)結(jié)果曲線吻合較好，最大氣缸壓力一致，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行后續(xù)進(jìn)排氣系統(tǒng)的模擬優(yōu)化研究。

4 進(jìn)氣道優(yōu)化

首先將原方形進(jìn)氣道改為角度不同的圓形滾流進(jìn)氣道及渦流進(jìn)氣道，滾流進(jìn)氣道分別與水平面成0°、30°及45°角（以下分別稱0°滾流進(jìn)氣道、30°滾流進(jìn)氣道、45°滾流進(jìn)氣道），進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及面網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖6 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及面網(wǎng)格劃分

圖7 及圖8 分別對(duì)比了進(jìn)氣道修改后不同進(jìn)氣道方案的氣缸壓力與放熱率及缸內(nèi)平均溫度。

圖7 不同進(jìn)氣道方案的氣缸壓力與放熱率

圖8 不同進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)平均溫度

從圖7 及圖8 可以發(fā)現(xiàn)，45°滾流進(jìn)氣道，氣缸壓力最大，與原機(jī)相比，缸內(nèi)平均溫度升高；30°滾流進(jìn)氣道，氣缸壓力最小且缸內(nèi)平均溫度最低；0°滾流進(jìn)氣道，與原機(jī)相比，氣缸壓力峰值略有降低，缸內(nèi)平均溫度沒(méi)有明顯的變化；渦流進(jìn)氣道，缸內(nèi)平均溫度最高，與原機(jī)相比，氣缸壓力峰值降低。

圖9 所示為不同進(jìn)氣道方案發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氧氣進(jìn)氣量。

圖9 不同進(jìn)氣道方案的缸內(nèi)氧氣進(jìn)氣量

從圖9 可以看出，與原機(jī)相比，渦流進(jìn)氣道，缸內(nèi)氧氣進(jìn)氣量明顯減少，即新鮮混合氣質(zhì)量明顯降低；滾流進(jìn)氣道的氧氣進(jìn)氣量與原機(jī)略有差別。進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)氧氣量的計(jì)算結(jié)果顯示，45°滾流進(jìn)氣道氧氣進(jìn)氣量最多，其次為30°滾流進(jìn)氣道，0°滾流進(jìn)氣道氧氣進(jìn)氣量與原機(jī)差別不大，渦流進(jìn)氣道氧氣進(jìn)氣量最少。

圖10 為模擬燃燒第二個(gè)循環(huán)時(shí)不同進(jìn)氣道條件下缸內(nèi)的湍流動(dòng)能變化情況，圖11 為不同進(jìn)氣道條件下缸內(nèi)污染物生成情況。

圖10 不同進(jìn)氣道條件下的缸內(nèi)湍流動(dòng)能

從圖10 和圖11 可以看出，30°滾流進(jìn)氣道，進(jìn)氣過(guò)程中具有最大的湍流動(dòng)能，有利于混合氣迅速充入氣缸與殘余廢氣充分混合，點(diǎn)火后處于稀薄燃燒狀態(tài)，因此燃燒溫度下降，燃燒持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，最大氣缸壓力減小，隨著缸內(nèi)溫度的降低，其NOx生成量明顯減少，CO 和HC 的生成量增加。渦流進(jìn)氣道，混合氣進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)湍流動(dòng)能較低，導(dǎo)致混合氣流動(dòng)性差，混合不均，燃燒過(guò)程存在局部燃燒溫度高的情況，使缸內(nèi)生成的NOx量超過(guò)原機(jī)水平。

圖11 不同進(jìn)氣道條件下的缸內(nèi)污染物生成情況

5 排氣道優(yōu)化

原機(jī)排氣道為渦流排氣道，此種結(jié)構(gòu)影響缸內(nèi)廢氣排出及缸內(nèi)新鮮空氣充入，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放有不利影響。為使其排氣通暢，將渦流排氣道改為直排排氣道，保持原機(jī)進(jìn)氣道不變。圖12 為排氣道修改后的CAD 模型及面網(wǎng)格。

圖12 直排排氣道CAD 模型及面網(wǎng)格

首先進(jìn)行2 個(gè)循環(huán)的模擬，分析經(jīng)過(guò)一輪排氣計(jì)算后第2 個(gè)循環(huán)缸內(nèi)燃燒情況，此時(shí)能夠體現(xiàn)排氣道的修改對(duì)通用小型汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響。

圖13 及圖14 分別為原機(jī)修改排氣道后第2 個(gè)模擬循環(huán)的氣缸壓力、放熱率及缸內(nèi)溫度與原機(jī)模擬結(jié)果對(duì)比，720°CA 為壓縮上止點(diǎn)。

從圖13 及圖14 可以發(fā)現(xiàn)，修改排氣道后，氣缸壓力與缸內(nèi)平均溫度均降低。

圖13 直排排氣道發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的氣缸壓力及放熱率對(duì)比

圖14 直排排氣道發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)平均溫度對(duì)比

直排排氣道發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)的缸內(nèi)污染物生成情況對(duì)比如圖15 所示。

圖15 不同排氣道缸內(nèi)污染物生成情況

從圖15 可以看出，與原機(jī)相比，直排排氣道發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx生成量明顯減少，HC 排放變化不大，CO的生成量明顯增加。

6 進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化

從上述模擬結(jié)果可知，30°滾流進(jìn)氣道及直排排氣道有利于增加缸內(nèi)進(jìn)氣量，可有效減少NOx的生成量?？蛇M(jìn)一步討論30°滾流進(jìn)氣道＋直排排氣道組合對(duì)本發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響情況。

圖16 為改進(jìn)后的進(jìn)排氣道的CAD 模型及面網(wǎng)格劃分。

圖16 修改后的進(jìn)排氣道的CAD 模型及面網(wǎng)格

30°滾流進(jìn)氣道、直排排氣道、30°滾流進(jìn)氣道+直排排氣道與原機(jī)污染物排放對(duì)比如圖17 所示。

圖17 改進(jìn)進(jìn)排氣系統(tǒng)后與原機(jī)污染物排放對(duì)比

從圖17 可以看出：

1）30°滾流進(jìn)氣道對(duì)減少NOx的生成效果明顯，但HC 及CO 的生成量增加。這主要是由于缸內(nèi)燃燒溫度降低，且發(fā)生二次燃燒現(xiàn)象，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，缸內(nèi)混合氣燃燒不充分；

2）直排排氣道的NOx及HC 生成量均有一定程度的減少。主要原因是修改為直排排氣道后，缸內(nèi)廢氣順利排出后迅速充入新鮮均質(zhì)混合氣，點(diǎn)火后火焰?zhèn)鞑ニ俣绕椒€(wěn)，缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx及HC 的生成量均有所減少；

3）30°滾流進(jìn)氣道+直排排氣道在降低HC 的生成量上效果最好。

圖18 和圖19 分別為不同進(jìn)排氣道條件下缸內(nèi)燃燒溫度和NOx生成情況的三維圖。

圖18 不同進(jìn)排氣道條件下缸內(nèi)燃燒溫度

圖19 不同進(jìn)排氣道條件下缸內(nèi)NOx 的生成情況

從圖18 和圖19 可以發(fā)現(xiàn)，修改成直排排氣道后，缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑テ椒€(wěn)且燃燒均勻，降低了缸內(nèi)的燃燒溫度，導(dǎo)致直排排氣道發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)NOx明顯降低。因此，直排排氣道對(duì)于降低缸內(nèi)的NOx生成作用明顯。

7 結(jié)論

從發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣道優(yōu)化情況可以看出，滾流進(jìn)氣道的設(shè)置有利于混合氣快速充入氣缸。

模擬結(jié)果表明：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道形狀為圓形或方形對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量、燃燒情況、污染物排放情況無(wú)明顯影響。

2）30°滾流進(jìn)氣道，進(jìn)氣行程湍流強(qiáng)度最高，混合氣與缸內(nèi)殘余廢氣充分混合，燃燒過(guò)程屬于稀薄燃燒，使缸內(nèi)壓力及溫度降低，NOx生成量明顯減少，但缸內(nèi)存在燃燒不充分的情況，CO 的生成量有所增加。

3）渦流進(jìn)氣道進(jìn)氣量最少，氣缸壓力降低，缸內(nèi)平均溫度略有升高，缸內(nèi)局部火焰溫度過(guò)高，NOx生成量增加。

4）可采用30°滾流進(jìn)氣道或?qū)⑴艢獾栏臑橹迸排艢獾赖姆绞绞拱l(fā)動(dòng)機(jī)的NOx+HC 滿足排放限值要求。