不同氣缸首先著火起動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣特性模擬

何邦全，杜寅威

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的排放控制對(duì)于降低整車排放有著至關(guān)重要的作用．隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，減少發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的排放受到人們的廣泛重視．作為氣體燃料，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段的未燃碳?xì)?HC)排放明顯低于傳統(tǒng)汽油機(jī)．但是由于此時(shí)催化器尚未起燃，起動(dòng)階段的HC 排放仍然很高．如何降低起動(dòng)過(guò)程的排放是發(fā)動(dòng)機(jī)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題．降低起動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)HC 排放的主要技術(shù)有：優(yōu)化起動(dòng)點(diǎn)火提前角和過(guò)量空氣系數(shù)[1]；使催化劑快速起燃的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略[2]；優(yōu)化催化器入口溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布特性，縮短催化器整體起燃時(shí)間[3-4]．

近年來(lái)，直接起動(dòng)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用．在直接起動(dòng)過(guò)程中，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)第1 個(gè)著火氣缸的選擇，對(duì)于排氣系統(tǒng)中催化器的熱管理有重要的作用．本文以一維發(fā)動(dòng)機(jī)仿真軟件GT-Power 和三維流體計(jì)算軟件FIRE 為平臺(tái)，以4 缸壓縮天然氣(compressed natural gas，CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，就可能的4 種氣缸首次著火起動(dòng)過(guò)程中，排氣系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng)和溫度分布特性進(jìn)行模擬研究，其目的在于優(yōu)化CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)策略，以降低起動(dòng)過(guò)程中的排放水平．

1 計(jì)算模型及其驗(yàn)證

本研究通過(guò)一維和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行排氣系統(tǒng)內(nèi)部氣體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算分析．用一維模擬軟件計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣狀態(tài)參數(shù)，如排氣歧管入口處的瞬時(shí)排氣流量和排氣溫度，并將這些排氣狀態(tài)參數(shù)作為三維排氣系統(tǒng)模型的入口邊界條件，即把用GT-Power 計(jì)算出來(lái)的缸內(nèi)排氣特性結(jié)果存入文件，然后由FIRE 軟件讀入，并作為排氣歧管的入口邊界條件，以此提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)三維數(shù)值模擬計(jì)算的效率．

對(duì)于4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)過(guò)程中哪個(gè)氣缸先著火存在 4 種情況．這里定義第 1 個(gè)氣缸先著火為case1；第2 個(gè)氣缸先著火為case2；第3 個(gè)氣缸先著火為case3，第4 個(gè)氣缸先著火為case4．在第1 個(gè)氣缸著火以后，隨后的氣缸按正常的發(fā)火次序點(diǎn)火．在這4 種著火情況下，三維模擬均以發(fā)動(dòng)機(jī)第1 個(gè)氣缸排氣門打開(kāi)為計(jì)算起點(diǎn)．

1.1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型

一維仿真用GT-Power 軟件模擬．模擬的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1 所示．仿真模型如圖1 所示．

表1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Specifications of the CNG engine

圖1中Ex.1、Ex.2、Ex.3 和Ex.4 分別代表不同氣缸排氣狀態(tài)參數(shù)的輸出端，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模型選用湍流火焰燃燒模型，一維模型計(jì)算中冷卻液初始溫度設(shè)定為20,℃，進(jìn)排氣管道和缸內(nèi)氣體初始?jí)毫υO(shè)定為0.101,MPa，初始溫度設(shè)定為20,℃．

圖1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型Fig.1 One dimensional model of the CNG engine

1.2 排氣系統(tǒng)三維模型

利用三維造型軟件ProE 構(gòu)建排氣系統(tǒng)幾何模型，然后將STL 格式的表面文件導(dǎo)入到FIRE 軟件中進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的創(chuàng)建．圖2 所示為排氣系統(tǒng)的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為252,966．其中截面A—A 為排氣總管前端；截面B—B 為催化器載體前端；截面C—C 為排氣總管及催化器中心截面；T 為試驗(yàn)溫度測(cè)試點(diǎn)．

圖2 排氣系統(tǒng)三維模型Fig.2 Three-dimensional model of the exhaust system

排氣歧管入口邊界為瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量和排氣溫度；排氣總管出口壓力設(shè)定為0.101,MPa；壁面設(shè)定為不滑脫速度邊界，催化轉(zhuǎn)化器壁面絕熱，其他管路壁面為對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為15,W/(m2·K)．排氣系統(tǒng)內(nèi)初始?xì)怏w溫度設(shè)定為20,℃，初始?jí)毫υO(shè)定為0.101,MPa．蜂窩載體按多孔介質(zhì)處理，孔密度為400目，不考慮催化器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)．

通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣主要由 N2、H2O、CO2以及少量CO、HC、NO 等氣體組成．天然氣燃料主要成分是CH4，因此，排氣中H2O 和CO2的體積比接近2∶1．鑒于CO、HC、NO 等氣體含量較少，計(jì)算廢氣物性時(shí)統(tǒng)一按照體積分?jǐn)?shù)N2占71.5%、H2O 占19.0%、CO2占9.5%進(jìn)行計(jì)算．

1.3 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立的一維和三維模型的可靠性，對(duì)不同怠速工況下模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較．一維模型主要通過(guò)缸內(nèi)壓力和空氣流量來(lái)驗(yàn)證；三維模型驗(yàn)證的是排氣溫度．試驗(yàn)中，通過(guò)K 型溫度傳感器測(cè)量排氣的平均溫度，模擬計(jì)算的排氣溫度是圖2 中T 處的循環(huán)平均溫度．試驗(yàn)工況如表2 所示．

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況Tab.2 Engine operating conditions

圖3為試驗(yàn)及一維模擬計(jì)算得到的示功圖．表3為空氣流量和排氣溫度的驗(yàn)證結(jié)果．從示功圖和空氣流量的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，建立的一維計(jì)算模型能夠較好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，能夠反映進(jìn)氣和缸內(nèi)的燃燒情況．因此，可以認(rèn)為一維模型能夠?yàn)槿S計(jì)算提供可信的排氣流量和排氣溫度邊界條件．

從排氣溫度的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，三維模型參數(shù)的設(shè)置合理，三維模型能夠用來(lái)預(yù)測(cè)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體溫度場(chǎng)的分布情況．

圖3 不同工況下試驗(yàn)與模擬缸壓對(duì)比Fig.3 Comparison of cylinder pressures between simulation and experiment

表3 空氣流量與排氣溫度的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值的比較Tab.3 Comparison of air mass flow rate and exhaust temperature between simulation and experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 排氣系統(tǒng)入口排氣流動(dòng)特性

假設(shè)起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)不存在失火等不正常燃燒情況，且在起動(dòng)最初的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有波動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)速為900,r/min，過(guò)量空氣系數(shù)為0.9，點(diǎn)火提前角為10°,CA BTDC．不同氣缸先點(diǎn)火后，排氣系統(tǒng)入口瞬時(shí)排氣流量計(jì)算結(jié)果如圖4 所示．

對(duì)于case1，第1 缸首先著火后，其余氣缸按照發(fā)動(dòng)機(jī)正常的發(fā)火順序點(diǎn)火，因此，4 個(gè)排氣歧管入口邊界條件一樣，如圖4(a)所示．從圖4(a)可以看到，每個(gè)排氣歧管入口質(zhì)量流量都出現(xiàn)了主流區(qū)a 和次流區(qū)c．其中主流區(qū)a 為發(fā)動(dòng)機(jī)的自由排氣階段，該階段排氣的瞬時(shí)質(zhì)量流量主要與燃燒壓力有關(guān)，此時(shí)瞬時(shí)質(zhì)量流量較大．次流區(qū)c 為強(qiáng)制排氣階段，與活塞的運(yùn)動(dòng)有關(guān)．排氣過(guò)程中的壓力波動(dòng)使自由排氣階段后期出現(xiàn)了氣體回流現(xiàn)象，如圖中b 所示．

對(duì)于case2，在第2 缸著火之前，1、3 和4 此3 個(gè)氣缸均沒(méi)有著火，這3個(gè)氣缸均進(jìn)行的是倒拖循環(huán)，所以缸內(nèi)氣體壓力較低，當(dāng)排氣門在下止點(diǎn)前打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)的氣體壓力低于排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力，排氣管中的廢氣會(huì)流向缸內(nèi)，形成廢氣倒流現(xiàn)象，如圖4(d)所示．廢氣倒流使排氣門剛打開(kāi)時(shí)排氣質(zhì)量流量出現(xiàn)負(fù)值，并且隨著活塞向下運(yùn)動(dòng)而加大．當(dāng)活塞經(jīng)過(guò)下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)后，再將缸內(nèi)的氣體排入排氣系統(tǒng)．

圖4 排氣系統(tǒng)入口排氣質(zhì)量流量Fig.4 Mass flow rates of exhaust gases at the inlet of exhaust ports

case3 和case4 兩種情況下排氣系統(tǒng)入口排氣質(zhì)量流量如圖4(b)和4(c)所示．

通常情況下，排氣后處理系統(tǒng)要捕集發(fā)動(dòng)機(jī)在停機(jī)過(guò)程中幾個(gè)循環(huán)所排出的有害物．這些被捕集到的有害物在下一次起動(dòng)時(shí)將會(huì)被排出，由于起動(dòng)過(guò)程中催化劑尚未起燃，因此，這部分污染物得不到有效的凈化，會(huì)引起排氣污染[5]．在首個(gè)氣缸著火之前其他未著火氣缸排氣門處的廢氣倒流有利于減緩上次停機(jī)時(shí)殘留在排氣系統(tǒng)中有害物的排出，吸入到氣缸內(nèi)的廢氣又與氣缸中的空氣混合，這不但稀釋了排氣中有害物的濃度，而且在缸內(nèi)的壓縮加熱，也有利于未燃HC 的氧化．因此，起動(dòng)過(guò)程中廢氣倒流對(duì)于降低起動(dòng)過(guò)程中有害排放物有積極意義．

2.2 起動(dòng)初期催化器入口排氣溫度場(chǎng)分布特性

催化器入口氣體熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)的分布特性直接關(guān)系著催化器的起燃過(guò)程，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的排放．因此，本文首先分析多缸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中不同氣缸首次著火起動(dòng)后，催化器入口的排氣溫度場(chǎng)分布特性．以case1 為例，廢氣從排氣歧管1 流到催化器入口B—B 截面需要330°,CA，因此，case1的截圖從330°,CA 開(kāi)始．由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序?yàn)?—3—4—2，即相鄰兩缸著火相差180°,CA，所以case3 的每張溫度云圖比case1 推遲了180°,CA，同樣case4 推遲了360°,CA，case2 推遲了540°,CA．為了反映排氣過(guò)程中排氣溫度場(chǎng)的變化，每隔40°,CA 取一張排氣溫度云圖，如圖5 所示．

圖5 起動(dòng)初期B—B 截面排氣溫度分布比較Fig.5 Comparison of the temperature distribution at B—B section at startup

從圖5 中可以看出，在這4 種著火起動(dòng)情況下，催化器入口廢氣溫度的高低和排氣過(guò)程溫度場(chǎng)的分布都有很大差別．扣除不同氣缸著火時(shí)刻的相位差，可以看出，第1 個(gè)著火氣缸排出的廢氣到達(dá)催化器入口B—B 截面時(shí)case1 的溫度最低，case2 的最高，而case3 和case4 位于兩者之間．在排氣過(guò)程中case2 和case4 兩種情況催化器入口的廢氣分布更加均勻，高溫氣體主要分布在中間位置，而case1 和case3 兩種情況高溫氣體集中分布在一側(cè)，另一側(cè)廢氣溫度較低，這不利于整個(gè)催化器的同時(shí)起燃．

催化器入口氣體溫度高低不同的主要原因是，不同的氣缸首次著火起動(dòng)后引起排氣系統(tǒng)內(nèi)的氣體溫度場(chǎng)不同，如圖6 所示．對(duì)比圖6 中第1 行排氣系統(tǒng)溫度圖可以明顯地看出，case2 時(shí)的初始溫度場(chǎng)在排氣系統(tǒng)中分布較均勻，而且高溫氣體最早到達(dá)催化器入口端，這是因?yàn)樵诓煌瑲飧资状沃鹌饎?dòng)后，著火氣缸之前的未著火氣缸的個(gè)數(shù)不同，在case2 中第2缸著火前，吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣經(jīng)歷了3 個(gè)純壓縮和排氣過(guò)程，這些經(jīng)過(guò)了壓縮的空氣排出氣缸后對(duì)排氣系統(tǒng)內(nèi)的氣體加熱，因此第2 缸的排氣流到催化器入口時(shí)氣體溫度高．此外，不同氣缸首次著火起動(dòng)后的初始排氣來(lái)自不同氣缸，氣體流到催化器入口過(guò)程所經(jīng)歷的管路長(zhǎng)度不同，其中排氣歧管1 的管路最長(zhǎng)，排氣歧管2、3 和4 的長(zhǎng)度接近；因此來(lái)自歧管1 的氣體在流動(dòng)過(guò)程中的傳熱損失最大，這也導(dǎo)致了不同氣缸首次著火起動(dòng)后催化器入口溫度的差異．

圖6 排氣系統(tǒng)溫度場(chǎng)Fig.6 Fields of exhaust temperature along exhaust pipe

在相同的排氣條件下，排氣系統(tǒng)中的廢氣溫度分布特性主要受到排氣歧管結(jié)構(gòu)的影響．如圖2 所示，排氣歧管1 與排氣總管之間的夾角較大；排氣歧管2和4 分居排氣總管兩側(cè)，且與排氣總管之間的夾角較小；排氣歧管3 與排氣總管接近同心．因此，第1 個(gè)氣缸著火起動(dòng)后，高溫排氣在排氣系統(tǒng)中的流動(dòng)情況會(huì)有很大差別，如圖7 所示．

圖7 排氣流動(dòng)特性Fig.7 Characteristics of exhaust gas flow

可以看到，來(lái)自1 缸和3 缸的氣體在排氣總管中旋轉(zhuǎn)不強(qiáng)烈，由于流動(dòng)慣性，氣體主要沿著排氣總管的一側(cè)流到催化器入口處，導(dǎo)致催化器入口氣體溫度分布不均勻．來(lái)自2 缸和4 缸的氣體在排氣總管中流動(dòng)時(shí)形成了旋轉(zhuǎn)氣流，其中來(lái)自2 缸的氣體流動(dòng)時(shí)氣流旋轉(zhuǎn)得更強(qiáng)烈．排氣總管中氣流的旋轉(zhuǎn)有利于氣體在管路中充分混合，因此催化器入口處氣體溫度場(chǎng)分布更均勻．

2.3 不同氣缸首次著火起動(dòng)后排氣溫度場(chǎng)的差異

4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段，不同氣缸首次著火起動(dòng)后的前幾個(gè)工作循環(huán)內(nèi)排氣系統(tǒng)溫度場(chǎng)的分布不同，此后，首次著火氣缸對(duì)排氣系統(tǒng)內(nèi)溫度場(chǎng)的影響逐漸變小，直到消失．為了定量地評(píng)價(jià)起動(dòng)階段不同氣缸首次著火起動(dòng)后排氣系統(tǒng)溫度場(chǎng)的差別，本文引入排氣管路不同截面內(nèi)的排氣平均溫度和排氣溫度分布特性來(lái)進(jìn)行分析．

排氣管路截面內(nèi)排氣平均溫度定義為Tavg，

式中：mi為第i 個(gè)網(wǎng)格單元的氣體質(zhì)量；Ti為第i 個(gè)網(wǎng)格單元?dú)怏w溫度；ρi為第i 個(gè)網(wǎng)格單元?dú)怏w密度；Si為第i 個(gè)網(wǎng)格單元的截面面積；d 為網(wǎng)格的厚度；N為截面網(wǎng)格單元總數(shù)．

由式(1)計(jì)算的A—A 截面和B—B 截面處的排氣平均溫度如圖8 所示．

圖8 不同截面排氣平均溫度Fig.8 Average temperatures of exhaust gases at different sections

可以看到，不同氣缸首次著火起動(dòng)主要影響前3個(gè)循環(huán)內(nèi)排氣管路截面排氣平均溫度，到第3 個(gè)工作循環(huán)結(jié)束(2,160°,CA)時(shí)，不同氣缸首次著火起動(dòng)對(duì)排氣平均溫度的影響趨于一致，此時(shí)，在4 種不同氣缸首次著火起動(dòng)情況下，截面A—A 排氣平均溫度最大相差為3,℃，截面B—B 最大差別為13,℃．

圖9為截面B—B 處的氣體溫度場(chǎng)變化過(guò)程．可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到第1 個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)(720°,CA)，4種點(diǎn)火策略下截面B—B 處廢氣溫度分布有很大差別，到第2 個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)(1,440°,CA)4 種情況下廢氣溫度分布的差別明顯變小，而到第3 個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)(2,160,°,CA)4 種情況下截面B—B 處廢氣溫度分布基本相同．

由于不同氣缸首次著火起動(dòng)對(duì)排氣系統(tǒng)中氣體溫度場(chǎng)分布特性的影響主要表現(xiàn)在前3 個(gè)循環(huán)．因此，針對(duì)不同氣缸首次著火對(duì)起動(dòng)過(guò)程中排氣溫度場(chǎng)分布特性的影響規(guī)律，合理地選擇起動(dòng)過(guò)程中的點(diǎn)火策略，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)溫度的有效管理，減少發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段未燃HC 排放．

圖9 截面B—B 排氣溫度分布Fig.9 Temperature distributions of exhaust gases at B—B section

2.4 催化器入口排氣特性評(píng)價(jià)

2.4.1 催化器入口排氣流動(dòng)均勻性評(píng)價(jià)

催化器蜂窩載體各部分起燃時(shí)間受到當(dāng)?shù)胤涓C載體溫度和排氣流速的影響．其中催化器入口排氣溫度和流速的均勻?qū)Υ呋鬏d體整體起燃時(shí)間有較大影響．常用流速均勻性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)催化器入口排氣流動(dòng)特性．流速均勻性指數(shù)降低會(huì)使載體整體起燃時(shí)間增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化效率下降[4]．

本文采用Weltens 等[6]提出的流速均勻性指數(shù)λ作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式為

式中：S 為載體前端面面積；vi為網(wǎng)格單元i 處的氣體流速；為截面氣體平均流速．

λ值在0～1 之間變化；均勻性越好λ值越大，完全均勻的流動(dòng)，λ值為1．

由式(2)計(jì)算的λ值是瞬時(shí)值．為了更充分地說(shuō)明氣流流動(dòng)均勻性的影響，需要加入瞬時(shí)質(zhì)量流量作為權(quán)重進(jìn)行循環(huán)平均計(jì)算，以獲得循環(huán)質(zhì)量平均的λ值[7]．

圖10為催化器入口截面前3個(gè)循環(huán)氣體流速均勻性的循環(huán)質(zhì)量平均計(jì)算結(jié)果．

圖10 截面B—B 排氣流速均勻性指數(shù)Fig.10 Flow uniformity index of exhaust gases at B—B section

可以看到，前3 個(gè)循環(huán)中，case2 的均勻性指數(shù)最大，case1 的最小，并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，排氣系統(tǒng)中氣體流動(dòng)特性差別逐漸變小，流速均勻性指數(shù)的差別也隨之變小．首個(gè)著火循環(huán)中，case2 與case1相差0.051，到了第3 個(gè)循環(huán)它們的值相差僅為0.004．可見(jiàn)，首個(gè)著火氣缸的選擇對(duì)于催化器入口排氣狀態(tài)有一定的調(diào)節(jié)作用．

2.4.2 催化器入口排氣溫度分布特性評(píng)價(jià)

在催化器起燃之前，蜂窩載體溫度的升高主要是靠高溫排氣來(lái)加熱的．因此，催化器入口的廢氣溫度直接影響載體的起燃過(guò)程．不同氣缸首次著火起動(dòng)后，高溫排氣到達(dá)催化器入口的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻不同．為了便于比較高溫排氣流入催化器入口時(shí)溫度大小的特性，以每種情況下首次著火氣缸排氣到達(dá)催化器入口作為比較的起點(diǎn)(同第2.2 節(jié)中的處理)，對(duì)截面B—B 的截面排氣平均溫度進(jìn)行3 個(gè)循環(huán)的統(tǒng)計(jì)分析．截面排氣平均溫度的瞬時(shí)值由式(1)計(jì)算，再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行3 個(gè)循環(huán)的直接平均計(jì)算，獲得循環(huán)平均值．考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣過(guò)程中管路中的氣流質(zhì)量流量是瞬態(tài)變化的，而排氣溫度高的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的排氣質(zhì)量流量不一定大．因此，上述循環(huán)平均結(jié)果不能有效地評(píng)價(jià)排氣對(duì)載體的加熱效果．為此，加入了瞬時(shí)質(zhì)量流量作為權(quán)重對(duì)截面氣體平均溫度的瞬時(shí)值進(jìn)行循環(huán)平均計(jì)算，獲得循環(huán)質(zhì)量平均值．B—B 截面氣體溫度循環(huán)平均和循環(huán)質(zhì)量平均的計(jì)算結(jié)果如圖11 所示．

圖11 截面B—B前3個(gè)循環(huán)排氣溫度Fig.11 Exhaust gas temperatures during the first three cycles at B—B section

可以看出，這兩種不同的統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算的結(jié)果有較大的差別，但兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明，case2 前3個(gè)循環(huán)中流入催化器載體的排氣溫度最高．而且case2比case1 高50,℃，比case3 高35,℃，比case4 高32,℃．

截面氣體溫度循環(huán)統(tǒng)計(jì)僅從排氣熱能大小的角度評(píng)價(jià)了起動(dòng)過(guò)程中不同氣缸先著火起動(dòng)后流入催化器的排氣溫度特性．為了更充分地評(píng)價(jià)排氣溫度特性，對(duì)每一瞬時(shí)，排氣流入催化器載體前端B—B截面時(shí)不同溫度區(qū)間(從300,K 開(kāi)始，每10,K 為1 個(gè)溫度區(qū)間)的氣體所占的截面面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后，再將統(tǒng)計(jì)的瞬時(shí)結(jié)果加入瞬時(shí)質(zhì)量流量作為權(quán)重進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的循環(huán)質(zhì)量平均計(jì)算．平均后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖12 所示．

圖12中的柱狀圖表示處于不同溫度區(qū)間的氣體在B—B 截面上所占面積的比例，所有柱狀圖數(shù)值的總和為100%．可以看出，case1 和case3 處于低溫區(qū)域(300～450,K)的氣體所占的截面面積要比case4和case2 多，處于中高溫(450～600,K)的氣體所占的截面面積相對(duì)較少；而case4 和case2 截面氣體的溫度主要集中在450～600,K 內(nèi)；因此，case1 和case3截面排氣溫度分布比較分散，而case4 和case2 截面排氣溫度分布比較集中，這意味著溫度場(chǎng)更加均勻．

溫度大于473,K 的排氣在催化器入口截面B—B的分布情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示． 從表4 可以更清楚地看出，case2 處于高溫區(qū)間的氣體在截面B—B上分布的面積最大，這有利于高溫排氣對(duì)載體的加熱，在一定程度上可以使起動(dòng)階段催化器載體溫度升高得更快．

圖12 截面B—B前3個(gè)循環(huán)排氣溫度分布統(tǒng)計(jì)Fig.12 Distributions of exhaust gas temperature during the first three cycles at B—B section

3 結(jié) 論

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，未著火氣缸在排氣過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)廢氣倒流回氣缸的現(xiàn)象．起動(dòng)初期的廢氣倒流減緩了排氣系統(tǒng)中殘留廢氣的排出時(shí)間，對(duì)冷起動(dòng)階段排放的降低具有積極意義．

(2) 4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)排氣歧管結(jié)構(gòu)不同，造成在排氣系統(tǒng)中的廢氣流動(dòng)情況有較大的差別．從排氣歧管2 和歧管4 過(guò)來(lái)的氣體在排氣總管中產(chǎn)生的氣流旋轉(zhuǎn)，使得催化器入口處排氣溫度場(chǎng)分布更加均勻，有利于催化器載體均勻加熱．

(3) 在起動(dòng)階段，不同氣缸首次著火起動(dòng)對(duì)排氣系統(tǒng)中氣體溫度場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在前3 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)，此后，首個(gè)著火氣缸對(duì)廢氣流動(dòng)和溫度分布的影響逐漸變小．

(4) 第2 缸先著火起動(dòng)時(shí)，在起動(dòng)初期催化器入口處的氣體流速均勻性指數(shù)更高，氣體的溫度場(chǎng)分布更加均勻，高溫氣體所占的催化器入口截面面積更大；因此，在起動(dòng)階段，首次著火氣缸的優(yōu)化選擇對(duì)于降低起動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)的HC 排放有積極作用．

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