论文部分内容阅读
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249.8 g/kW·h,HC+NOx比排放为8.54 g/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。