舷外機(jī)用汽油機(jī)試驗(yàn)分析

，，，，

(1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州百勝動(dòng)力機(jī)器股份有限公司，江蘇 蘇州 215151)

近年來(lái)游艇、個(gè)人船舶的快速發(fā)展，使國(guó)內(nèi)外舷外機(jī)市場(chǎng)呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)[1- 2]。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的舷外機(jī)已大量出口，但與國(guó)外企業(yè)相比，技術(shù)水平仍存在差距[3- 4]。我國(guó)年產(chǎn)舷外機(jī)10萬(wàn)多臺(tái)，生產(chǎn)企業(yè)10余家，出口量占80%以上。二沖程汽油機(jī)占比較大，以出口俄羅斯、非洲等國(guó)及東南亞國(guó)家居多，機(jī)型的標(biāo)定功率也在不斷增大，最大功率機(jī)型為75 kW。舷外機(jī)用四沖程汽油機(jī)近年比例增大，整機(jī)功率及機(jī)型數(shù)量都在增大，原因是四沖程汽油機(jī)排放相對(duì)較低，通過(guò)低排放技術(shù)研究，能滿足歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)舷外機(jī)用汽油機(jī)排放的日益嚴(yán)格的法規(guī)要求，產(chǎn)品出口北美和歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)對(duì)舷外機(jī)的低排放研究還少見(jiàn)報(bào)道，為使產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)和歐洲的排放環(huán)保認(rèn)證并在生產(chǎn)中保證產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性，以F5汽油機(jī)為例分析舷外機(jī)用汽油機(jī)排放變化規(guī)律和特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)的方法尋找降低排放的途徑。

1 歐美排放相關(guān)法規(guī)

為了有效控制舷外機(jī)的排放，美國(guó)環(huán)保署(EPA)最早制定了舷外機(jī)用汽油機(jī)的排放法規(guī)，并于1998年開(kāi)始實(shí)施第1階段排放，對(duì)HC+NOx實(shí)施有效壽命期內(nèi)的限值要求，2010年開(kāi)始實(shí)施第2階段的排放限值[5]，對(duì)HC+NOx氣體排放加嚴(yán)，并對(duì)CO規(guī)定限值要求。歐盟舷外機(jī)的排放法規(guī)實(shí)施略滯后于美國(guó)，2005年開(kāi)始實(shí)施排放和噪聲要求的2003/44/EC指令，對(duì)二沖程和四沖程汽油機(jī)有不同排放限值，要求高于美國(guó)。2013年對(duì)指令進(jìn)行了修訂，新指令2013/53/EU的要求與美國(guó)法規(guī)基本相同[6]。表1、表2為舷外機(jī)用汽油機(jī)美國(guó)和歐盟現(xiàn)行的排放法規(guī)限值。對(duì)表1美國(guó)EPA法規(guī)的HC+NONOx表達(dá)式進(jìn)行解析，美國(guó)與歐盟法規(guī)兩者的表達(dá)式形式是相同的，常數(shù)項(xiàng)在小數(shù)點(diǎn)后一位略有差異，因此可以認(rèn)為兩者的HC+NONOx限值是相同的。歐盟現(xiàn)行指令與原2003/44/EC指令對(duì)比，CO的限值略有放寬，但HC+NOx排放加嚴(yán)。顯然，傳統(tǒng)二沖程汽油機(jī)已不能滿足歐美排放限值要求，必須使用四沖程汽油機(jī)，且隨著汽油機(jī)功率的增加，排放限值減小、排放要求提高，主要由于小功率汽油機(jī)受結(jié)構(gòu)影響，優(yōu)化燃燒的難度加大，整機(jī)比排放值就略偏高。美國(guó)和歐盟的排放法規(guī)還規(guī)定舷外機(jī)動(dòng)力的有效壽命期都為350 h。

表1 美國(guó)EPA Title 40 Part 1054法規(guī)的排放限值

表2 歐盟2013/53/EU指令中的排放限值

舷外機(jī)用汽油機(jī)排放試驗(yàn)的測(cè)量方法和要求在美國(guó)EPA和歐盟法規(guī)中都有明確規(guī)定。排放試驗(yàn)采用船用的E4試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行[7]，由螺旋槳工作特性的4個(gè)工況和怠速工況組成，螺旋槳按轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的1.5次方特性運(yùn)行，具體見(jiàn)表3，各工況的加權(quán)系數(shù)是怠速及小負(fù)荷的數(shù)值較大。

表3 排放試驗(yàn)E4循環(huán)的試驗(yàn)工況和加權(quán)系數(shù)

2 低排放試驗(yàn)

按美國(guó)或歐盟的法規(guī)要求，對(duì)舷外機(jī)用汽油機(jī)進(jìn)行低排放的試驗(yàn)研究，排放試驗(yàn)中用MEXA- 7200型排放分析儀進(jìn)行尾氣分析，采用不分光紅外分析儀(NDIR)測(cè)定CO和CO2排放濃度；采用加熱型氫火焰離子化分析儀(HFID)測(cè)定HC的排放濃度；采用化學(xué)發(fā)光分析儀(CLD)測(cè)定NOx的排放濃度。采用電渦流測(cè)功系統(tǒng)進(jìn)行功率、燃油消耗率的測(cè)量。試驗(yàn)按E4工況排放測(cè)試循環(huán)進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果按法規(guī)中的計(jì)算方法計(jì)算整機(jī)比排放量值，結(jié)果表明各工況油氣混合氣濃度對(duì)整機(jī)排放影響較大，整機(jī)比排放值與各工況的排放物濃度和加權(quán)系數(shù)密切相關(guān)，為研究舷外機(jī)用汽油機(jī)的低排放特性，引入單工況分擔(dān)率[8]說(shuō)明各個(gè)工況排放量對(duì)整機(jī)排放值的貢獻(xiàn)。

單工況排放物的分擔(dān)率Xi是指試驗(yàn)測(cè)試的各個(gè)工況某種排放物的加權(quán)質(zhì)量排放量與排放試驗(yàn)循環(huán)各工況排放試驗(yàn)總的加權(quán)質(zhì)量排放量的比值，它表征各個(gè)工況的排放量對(duì)所測(cè)工況的比排放量的相對(duì)貢獻(xiàn)大小，表明汽油機(jī)某個(gè)試驗(yàn)工況尾氣排放CO、HC、NOx在表3的5種工況試驗(yàn)中的作用和影響。現(xiàn)以NOx在某一工況下分擔(dān)率為例說(shuō)明，其他排放成分在某一工況下分擔(dān)率的定義類(lèi)同， NOx分擔(dān)率計(jì)算如下。

(1)

式中：XNOxi為NOx在某一工況下的分擔(dān)率；BNOxi為NOx在該工況下加權(quán)比排放量：g/(kW·h)-1，公式為

(2)

式中：GNOxi為該工況下NOx的質(zhì)量排放量，g/h；δi為工況加權(quán)系數(shù)；∑(Pei·δi)為加權(quán)功率，Pei為每個(gè)工況的有效功率，kW。BNO x為NOx5種工況的加權(quán)比排放量，g/(kW·h)，公式為

(3)

表4為F5舷外機(jī)用汽油機(jī)為滿足歐美排放法規(guī)進(jìn)行改進(jìn)的典型方案排放試驗(yàn)結(jié)果，原機(jī)結(jié)果初次排放試驗(yàn)HC+NOx結(jié)果不能滿足排放限值要求，原機(jī)的E4試驗(yàn)循環(huán)各工況排氣中的排放實(shí)測(cè)值(體積濃度)見(jiàn)圖1。

表4 不同改進(jìn)方案F5舷外機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果 (g/kW·h)

圖1 F5汽油機(jī)原機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可見(jiàn)，汽油機(jī)沿船機(jī)的螺旋槳特性工作，高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷工況時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度高，NOx排放高，低怠速小負(fù)荷工況的NOx排放值相對(duì)小的較多，變化的速度比負(fù)荷特性上的工況還要快[9]；HC排放物的變化與NOx相反，它們的數(shù)值變化都較大，CO的變化與過(guò)量空氣系數(shù)值變化趨勢(shì)一致。各種排放物的單工況分擔(dān)率見(jiàn)圖2。

圖2 F5汽油機(jī)排放結(jié)果的單工況分擔(dān)率

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)循環(huán)各工況的加權(quán)系數(shù)與單工況的排放分擔(dān)率是不相同的，單工況的排放分擔(dān)率是上述汽油機(jī)排放的變化規(guī)律與加權(quán)系數(shù)、功率大小的共同作用結(jié)果，如將船用E4排放試驗(yàn)循環(huán)中的第2、3工況進(jìn)行比較，兩者的加權(quán)系數(shù)相近，第2工況較第3工況功率大1倍，但第2工況對(duì)整機(jī)排放的貢獻(xiàn)較第3工況要大得多，工況2的排放情況對(duì)整機(jī)比排放的影響最大。舷外機(jī)用汽油機(jī)的CO 適當(dāng)調(diào)稀混合氣才能達(dá)到法規(guī)要求，NOx各工況分擔(dān)率結(jié)果說(shuō)明整機(jī)NOx主要是受第1、2工況的排放值影響，而HC排放分擔(dān)率各工況都有一定的占比。由于怠速工況HC排放值高，加權(quán)系數(shù)大，因此低怠速工況降低HC排放是主攻目標(biāo)。

依據(jù)單工況排放分擔(dān)率分析，結(jié)合不同工況的HC、NOx排放物生成機(jī)理，高速、大負(fù)荷工況較低NOx排放需采用較濃混合氣或減小點(diǎn)火提前角，而對(duì)低怠速工況，降低HC排放需采用較稀混合氣，在這些工況稀混合氣會(huì)使NOx排放略有增大，但數(shù)值變化很小，據(jù)此可給出F5舷外機(jī)的改進(jìn)方案。

方案1是匹配化油器主供油量孔和怠速量孔得到的排放試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表4)，圖3給出了用排放結(jié)果計(jì)算得出的過(guò)量空氣系數(shù)變化。

方案1較原機(jī)混合氣變稀，CO下降了28.1%，HC下降了25.9%，但NOx上升了7.2%，HC+NOx結(jié)果下降了21.8%，雖然該方案結(jié)果已達(dá)到排放限值要求，但HC+NOx的350 h劣化余量較小。

方案2是進(jìn)一步調(diào)整主供油量孔和怠速量孔尺寸，并對(duì)空氣量孔和泡沫管的小孔尺寸優(yōu)化匹配得出的排放試驗(yàn)結(jié)果，使小負(fù)荷、低怠速工況的過(guò)量空氣系數(shù)得以增大(見(jiàn)圖3)，燃燒改善使汽油機(jī)的HC、CO排放進(jìn)一步降低。

圖3 不同方案F5汽油機(jī)的油氣混合氣濃度特性

方案3是優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng)性能，同時(shí)推遲3°點(diǎn)火提前角，保證汽油機(jī)標(biāo)定功率不變，使排放進(jìn)一步降低的最終結(jié)果。由于汽油機(jī)進(jìn)氣量和燃油耗的改變，過(guò)量空氣系數(shù)量值略有變化，隨工況的變化趨勢(shì)一致。

與方案2相同，方案3 的排放結(jié)果較原機(jī)CO、HC分別下降了54.5%和47.3%。方案3的HC+NOx試驗(yàn)結(jié)果比排放法規(guī)限值低11.88 g/kW·h，有1.66的劣化系數(shù)，但該機(jī)型排量小(112 cm3)、轉(zhuǎn)速高，350 h劣化時(shí)間較通用小型汽油機(jī)要長(zhǎng)得多，此外還需考慮批量生產(chǎn)的生產(chǎn)一致性偏差，因此采用方案3作為最終方案是可行的、合理的。

圖4給出了方案3汽油機(jī)各工況點(diǎn)的排放實(shí)測(cè)結(jié)果(體積濃度)。

圖4 F5汽油機(jī)優(yōu)化后的排放試驗(yàn)結(jié)果

與圖1的原機(jī)結(jié)果相比，CO隨工況的變化趨勢(shì)改變最大，小負(fù)荷、低怠速工況(工況4、5)混合氣變稀后CO濃度明顯變??；HC下降幅度最為明顯，低速小負(fù)荷工況下降更多，說(shuō)明過(guò)量空氣系數(shù)變化對(duì)HC的影響最大；而NOx量值和變化趨勢(shì)基本不變。

我國(guó)舷外機(jī)用汽油機(jī)開(kāi)發(fā)多參考國(guó)外樣機(jī)對(duì)標(biāo)進(jìn)行，因此燃燒室結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)成熟，對(duì)燃燒、性能的影響較小，提高汽油機(jī)性能、降低排放研究主要是油氣混合的數(shù)量關(guān)系和燃燒過(guò)程的時(shí)間優(yōu)化。油氣混合的數(shù)量關(guān)系是如何從性能出發(fā)優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng)提高進(jìn)氣量，并對(duì)每一個(gè)運(yùn)行工況匹配油氣混合比實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)低排放、高性能的呢？我們把圖3中的方案2的過(guò)量空氣系數(shù)隨工況的變化規(guī)律稱(chēng)之為舷外機(jī)用低排放汽油機(jī)的理想油氣混合氣濃度特性，標(biāo)定工況的過(guò)量空氣系數(shù)值依據(jù)機(jī)型的特點(diǎn)，主要以NOx排放值確定，按螺旋槳特性工作，隨著轉(zhuǎn)速的降低，各工況的過(guò)量空氣系數(shù)逐漸增大，低怠速工況的最大值以汽油機(jī)轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定工作、HC排放盡可能降低為確定原則。這一特性與通用小型汽油機(jī)的變化規(guī)律[10]有一定的差異，與車(chē)用汽油機(jī)的要求明顯不同。燃燒過(guò)程的時(shí)間優(yōu)化，是根據(jù)整機(jī)功率、排放要求優(yōu)化點(diǎn)火提前角、提高點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)燃燒始點(diǎn)和終點(diǎn)的最優(yōu)控制。

3 結(jié)論

1)舷外機(jī)用四沖程汽油機(jī)，對(duì)進(jìn)排氣、供油、點(diǎn)火系統(tǒng)匹配、優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過(guò)程，汽油機(jī)排放能滿足美國(guó)、歐盟嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。F5汽油機(jī)經(jīng)燃燒優(yōu)化，排放結(jié)果較原機(jī)CO、HC分別下降了54.5%和47.3%，初次試驗(yàn)結(jié)果CO、HC+NOx分別為208.4 g/kW·h和18.1 g/kW·h，能滿足歐美排放法規(guī)要求。

2)對(duì)照美國(guó)EPA和歐洲法規(guī)的要求，研究表明，試驗(yàn)工況的加權(quán)系數(shù)不能完全反映出試驗(yàn)工況點(diǎn)對(duì)整機(jī)排放的影響，用各工況CO、HC、NOx排放物分擔(dān)率能明確給出各工況的排放值對(duì)整機(jī)比排放的貢獻(xiàn)。對(duì)降低舷外機(jī)用汽油機(jī)的排放和提高整機(jī)性能有指導(dǎo)作用。

3)研究得出舷外機(jī)用四沖程汽油機(jī)低排放理想油氣混合氣濃度特性。標(biāo)定工況的過(guò)量空氣系數(shù)值主要以NOx排放物值確定的，過(guò)量空氣系數(shù)值隨E4排放循環(huán)工況點(diǎn)變化，轉(zhuǎn)速減小混合氣濃度逐漸變稀。汽油機(jī)按此濃度特性運(yùn)行能有較低的整機(jī)比排放。

[1] 周波,汪燕松,廖明彪.舷外機(jī)發(fā)展概況簡(jiǎn)述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2000,29(6):20- 21.

[2] 于學(xué)禮.我國(guó)舷外機(jī)使用市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告[J].船舶,1992(1):14- 16.

[3] SITU R, BROWN R J. Mixing and dispersion of pollutants emitted from an outboard motor[J]. Marine pollution bulletin,2013,69(1- 2):19.

[4] 劉勝吉,李崇尚,王軍,等.滿足EPA排放法規(guī)的高原用小型汽油機(jī)技術(shù)方案[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2015,36(1):227- 229.

[5] U.S.Environmental Protection Agency. Control of emissions from spark- igntion propulsion marine engines and vessels. Title 40 part 1045[EB/OL].[2017- 03- 28]. https://www.ecfr.gov/cgi- bin/text- idx?tpl=/ecfrbrowse/Title40/40tab_02.tpl.

[6] European Union. On requirements relating to gaseous and particulate pollutant emission limits and type- approval for internal combustion engines for non- road mobile machinery: EU 2016/1628[S]. Brussels: Official journal of the EU,2016:9.

[7] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 排放測(cè)量 第4部分：不同用途發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán): GB/T 8190.4—2010 [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[8] WALDMANN E,HERZOG P L. Will the naturally aspirated truck diesel engine survive the turn of the century[J]．XXV fisita congress Technical Paper 945114．

[9] 王建，劉勝吉.不同排量小型四沖程通用汽油機(jī)的排放控制策略[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2009，38(6)：60- 62.

[10] 劉勝吉,田晶,王建.通用小型汽油機(jī)油氣混合兩相流動(dòng)分析與低排放研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(6):100- 104.