GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)性能優(yōu)化分析

王新建，劉大明，高群

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)管路比較復(fù)雜，物理參數(shù)較多，參數(shù)的變化會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)背壓、燃燒室內(nèi)廢氣殘存和可燃混合氣的比例，最終導(dǎo)致動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性發(fā)生變化。傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程較為漫長(zhǎng)，需要對(duì)排氣系統(tǒng)的物理參數(shù)反復(fù)修改，進(jìn)行大量試制和測(cè)試，耗費(fèi)資源和時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的開發(fā)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，極大地縮短了研究時(shí)間，降低了開發(fā)費(fèi)用。因此，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的仿真計(jì)算，以加快排氣系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程。清華大學(xué)的帥石金、天津大學(xué)宋崇林等多位研究人員均對(duì)此類發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣等系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究[1-7]，為后續(xù)系列產(chǎn)品的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文作者利用GT-Power模擬仿真軟件對(duì)Phase110型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模仿真，改變排氣系統(tǒng)物理參數(shù)，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化情況，確定合適的排氣系統(tǒng)參數(shù)。

1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型的建立

為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能進(jìn)行計(jì)算和分析，需利用GT-Power軟件建立GDI發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工作過(guò)程仿真計(jì)算模型，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型由進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)組成，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)工作過(guò)程仿真計(jì)算模型

表1 四缸直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真

在GT-Power軟件中，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的典型轉(zhuǎn)速3 600 r/min，負(fù)荷最大的開度節(jié)氣門為90%，發(fā)動(dòng)機(jī)水油溫度設(shè)置在GB/T 18297-2001要求的范圍內(nèi)：水溫設(shè)置為88 ℃，油溫為93 ℃。

2.1 排氣總管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)比不同排氣總管長(zhǎng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx濃度，如圖2所示，排氣總管的長(zhǎng)度L1分別取160、210、260、310、360 mm。從圖2(a)可知：隨著排氣總管長(zhǎng)度的增加，缸內(nèi)壓力也隨之變大，壓力峰值逐漸增加，但不明顯。從圖2(b)可知：NOx濃度隨著排氣總管增長(zhǎng)而變大，排氣總管長(zhǎng)度較短時(shí)，排氣相對(duì)徹底，進(jìn)氣充分，燃燒較充分，生成的NOx相對(duì)較少；當(dāng)排氣總管增長(zhǎng)后，滯留在排氣管中的廢氣增加，導(dǎo)致新鮮空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的量減少，混合氣燃燒不充分，生成的NOx較多。

圖2 不同排氣總管長(zhǎng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx濃度

2.2 排氣總管的直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的影響

當(dāng)排氣總管直徑D1分別為35、45、55、65、75 mm時(shí)，對(duì)比不同排氣總管直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖3所示。從圖3(a)可知：隨著排氣總管直徑的增大，缸內(nèi)壓力先減小后增大，在排氣總管直徑為45 mm時(shí)缸內(nèi)壓力最小。排氣總管直徑的變化對(duì)缸內(nèi)壓力影響較小。

圖3 不同排氣總管直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和CO排放曲線

從圖3(b)可知:隨著排氣總管直徑的增大，在排氣總管直徑為35 mm時(shí)，燃燒的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，在排氣總管直徑為75 mm時(shí)，燃燒的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小。因?yàn)榕艢饪偣苤睆皆龃螅l(fā)動(dòng)機(jī)排氣就會(huì)加快，排放順暢，有利于排氣，從而導(dǎo)致燃燒的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變小。

2.3 排氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)比不同排氣歧管長(zhǎng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖4所示。排氣歧管的長(zhǎng)度L2分別為135、185、235、285、335 mm。從圖4(a)可知：隨著排氣歧管長(zhǎng)度的增加，缸內(nèi)壓力先減小后增大，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管長(zhǎng)度為235 mm時(shí)，缸內(nèi)壓力最小，說(shuō)明排氣歧管過(guò)短或者過(guò)長(zhǎng)都會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力增加，但增加或減小均不明顯。

從圖4(b)可知：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管長(zhǎng)度的增加，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減小后增大；在排氣歧管長(zhǎng)度為185、235 mm時(shí)，產(chǎn)生的NOx最少；在排氣歧管長(zhǎng)度為135、335 mm時(shí)，產(chǎn)生的NOx較多。當(dāng)排氣歧管過(guò)短時(shí)，排氣相對(duì)較快，新鮮空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的速度也會(huì)加快，氣缸內(nèi)混合氣變稀，導(dǎo)致氣缸內(nèi)富氧高溫，有利于NOx的生成；當(dāng)排氣歧管太長(zhǎng)時(shí)，排氣相對(duì)較慢，新鮮空氣進(jìn)入氣缸阻力增大，缸內(nèi)混合氣變濃，燃燒不充分，生成的NOx也會(huì)增多。

圖4 不同排氣歧管長(zhǎng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和NOx排放

2.4 排氣歧管直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)比不同排氣歧管直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線，如圖5所示。排氣歧管的直徑D2分別為32、35、38、41、44 mm。從圖5(a)可知：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管直徑的增加，缸內(nèi)壓力逐漸減小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管直徑為44 mm時(shí)，缸內(nèi)壓力最小。說(shuō)明排氣歧管直徑越大，越容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力變小。

從圖5(b)可知：NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著排氣歧管直徑的增大而增大，混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒的時(shí)間會(huì)相對(duì)減少，燃燒不充分，NOx排放量較多；排氣歧管直徑較小時(shí)，混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒的時(shí)間較長(zhǎng)，燃燒相對(duì)充分，所以產(chǎn)生的NOx也相對(duì)較少。

圖5 不同排氣歧管直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx濃度曲線

2.5 排氣道長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)比不同排氣道長(zhǎng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx濃度，如圖6所示。排氣道長(zhǎng)度L3分別為75、80、85、90、95 mm。從圖6(a)可知，隨著排氣道長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，流入排氣道的廢氣量就會(huì)增加，導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣相對(duì)減少，缸內(nèi)壓力隨之減小，缸內(nèi)最高壓力也隨之減小。從圖6(b)可知，隨著排氣道長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，燃燒的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加。排氣道長(zhǎng)度較短時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣順暢，排放到尾氣中的CO較多，所以燃燒的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大；當(dāng)排氣道長(zhǎng)度增長(zhǎng)后，排氣變慢且不順暢，導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增加，燃燒變得不充分，導(dǎo)致CO排放量增加。

圖6 不同排氣道長(zhǎng)度下的缸內(nèi)壓力、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線

2.6 排氣道直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

對(duì)比不同排氣道直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力和NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如圖7所示，排氣道直徑分別選擇37、40、43、46、49 mm。

圖7 不同排氣道直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、NOx排放濃度

從圖7(a)可知：隨著排氣道直徑的增大，缸內(nèi)最高壓力隨之減小，流入排氣道的廢氣量就會(huì)增加，導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣相對(duì)減少，缸內(nèi)壓力也隨之減小，但減小幅度較小。從圖7(b)可知：排氣道直徑為37 mm時(shí)，NOx排放濃度最高；直徑為49 m時(shí)，NOx排放濃度最低，NOx濃度隨著排氣總管直徑的增加而變小，排氣總管直徑較大時(shí)，排放阻力較小，排氣相對(duì)徹底，進(jìn)氣也相對(duì)較多，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣燃燒相對(duì)充分，生成的NOx相對(duì)較少。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文作者利用GT-Power軟件對(duì)Phase110型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模仿真，通過(guò)改變排氣系統(tǒng)的物理參數(shù)，對(duì)比分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化情況，得出排氣總管直徑和長(zhǎng)度的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性影響較小，對(duì)排放影響較大，排氣總管直徑為75 mm、長(zhǎng)度為160 mm時(shí)，排放較低；排氣歧管長(zhǎng)度和直徑的變化對(duì)動(dòng)力性影響不大，但對(duì)排放影響較為明顯，從節(jié)能和環(huán)保的角度考慮，長(zhǎng)度和直徑分別選擇185 mm和44 mm時(shí)，可以兼顧動(dòng)力和排放的問(wèn)題；排氣道長(zhǎng)度和直徑對(duì)動(dòng)力性和排放都有明顯影響，在充分滿足動(dòng)力性的情況下，從節(jié)能減排的大趨勢(shì)考慮，選擇排氣道長(zhǎng)度為75 mm、直徑為49 mm時(shí)，動(dòng)力性相對(duì)更好，排放更低。