一款通用汽油機(jī)的排放優(yōu)化

陳慶全 高振銳

(山東華盛中天機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 山東臨沂 276017)

引言

當(dāng)前全球環(huán)保意識(shí)的顯著提高，與此同時(shí)內(nèi)燃機(jī)的保有量也在持續(xù)增加。內(nèi)燃機(jī)除對(duì)人們的生活提供了很好的便利外，同時(shí)在使用過(guò)程中產(chǎn)生的排放污染對(duì)環(huán)境也造成了很大的影響，越來(lái)越多的國(guó)家針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的排放通過(guò)立法對(duì)其進(jìn)行了限定。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署早在1995年就針對(duì)19kW以下的通用小型火花點(diǎn)燃式汽油機(jī)頒布了第一階段限值，在1997年9月1日后必須持有美國(guó)EPA證書(shū)才能在美國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行銷售;對(duì)于第二階段及第三階段的限值也緊跟出臺(tái)，特別是第三階段的限值在2011年及2012年相繼實(shí)施。對(duì)于通機(jī)行業(yè)的影響很大，主要表現(xiàn)在制造成本上。在EPA第一階段，對(duì)于非手持類汽油機(jī)只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制就能達(dá)到限值要求;在EPA第二階段需要對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化及相應(yīng)的控制才能達(dá)到限值要求;在EPA第三階段需要對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化及增加催化器才能達(dá)到要求。雖然通過(guò)這樣的技術(shù)手段達(dá)到了法規(guī)的要求，但是成本增加很多，降低了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)迫切需要能夠在不增加或很少增加成本的條件下，達(dá)到美國(guó)EPA第三階段排放要求的技術(shù)解決方案。

1 技術(shù)方案制定

EPA通用小型汽油機(jī)第三階段排放限值如表1所示。

表1 EPA通用小型汽油機(jī)第三階段排放限值［1］

通過(guò)對(duì)公司現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行分析，本公司制定的技術(shù)方案還是要立足于盡可能在不增加成本的情況下，還是從最簡(jiǎn)單及最有效的方案入手，來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。首先從非手持式的Ⅰ類入手，目標(biāo)是在不增加催化器的前提下制定方案進(jìn)行實(shí)施。在技術(shù)方案通過(guò)后再在非手持式的Ⅱ類及其他機(jī)型進(jìn)行推廣實(shí)施，使汽油機(jī)達(dá)到美國(guó)EPA第三階段的要求。

根據(jù)本公司與日本富士合作的成熟經(jīng)驗(yàn)，在Ⅰ類汽油機(jī)中，排量大的機(jī)型要比排量小的機(jī)型更容易達(dá)到EPA第三階段的要求，在Ⅰ類非手持式汽油機(jī)規(guī)格中首先要開(kāi)發(fā)出排量較大的汽油機(jī)。根據(jù)目前的機(jī)型，本公司決定對(duì)現(xiàn)有的一款汽油機(jī)進(jìn)行改造，如表2所示。

表2 改造參數(shù)對(duì)比

通過(guò)擴(kuò)缸及增加行程將汽油機(jī)的排量由目前的196mL提高到212mL，這樣就可以將排量做得盡可能大。由于排放數(shù)值的計(jì)算是要將功率計(jì)入的，所以在改造后要盡可能地提高汽油機(jī)的功率。增大排量是提高汽油機(jī)功率的最有效手段，這樣也就相應(yīng)地降低了排放的數(shù)值。剩下的就是要根據(jù)改造后的狀態(tài)對(duì)其他如燃料供給系統(tǒng)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、點(diǎn)火系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行必要的匹配。這樣總體的方案就是要通過(guò)增加排量來(lái)提高汽油機(jī)的功率和采取一些有效的控制措施這兩方面來(lái)降低汽油機(jī)的排放。在這里僅將篩選出的最有效的改進(jìn)措施描述如下。

測(cè)試設(shè)備采用的是杭州中成CWF－11電渦流測(cè)功機(jī)，AVL五組份排放分析儀DiGas4000Light，HORIBA MEXA－7200排放分析儀，頻閃燈等。

2 具體實(shí)施方案

2．1 氣缸蓋進(jìn)排氣道的改造

由于汽油機(jī)排量增加，相應(yīng)地進(jìn)排氣道要進(jìn)行改造，要盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率及加大其流通系數(shù)，減小其進(jìn)排氣的阻力。通過(guò)已有的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有的氣缸蓋進(jìn)行改造。將原進(jìn)排氣道最小截面處突然收縮，導(dǎo)致截流系數(shù)變大的位置進(jìn)行處置。將截面變小的部位進(jìn)行改造加大，將棱角部分進(jìn)行修圓，使之過(guò)渡盡量平滑，并且相應(yīng)地加大了進(jìn)排氣道的截面積，見(jiàn)下圖1、圖2。通過(guò)這樣的改進(jìn)，減少了進(jìn)排氣阻力，增加了充氣效率，能夠有效提升汽油機(jī)的功率，通過(guò)對(duì)比測(cè)試改造前汽油機(jī)的功率為4．27kW(3600r/min)，改造后功率達(dá)到4．39 kW(3600r/min)，功率提升了0．12 kW，具有一定的成效，功率對(duì)比情況見(jiàn)圖3。但是對(duì)于排放改進(jìn)較少，見(jiàn)表3。

圖1 優(yōu)化前進(jìn)排氣道截面圖

圖2 優(yōu)化后進(jìn)排氣道截面圖

表3 改造進(jìn)排氣道前后排放對(duì)比

2．2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的改造

圖3 改造進(jìn)排氣道前后功率對(duì)比

重點(diǎn)是對(duì)活塞組的改造，在活塞組改造完成后對(duì)曲軸的平衡進(jìn)行改造。這里介紹的是活塞組的改造。活塞、活塞環(huán)與氣缸壁形成的間隙對(duì)汽油機(jī)HC的排放有很大影響。因此要在工作可靠的情況下盡量減小火力岸與氣缸壁的間隙，盡量減小頂環(huán)到活塞頂?shù)木嚯x，即減小火力岸的高度［2］。這樣就將活塞壓縮高度由原來(lái)的23．5mm減小到23mm見(jiàn)下圖4、圖5。降低活塞環(huán)的摩擦，可以提高汽油機(jī)的功率。據(jù)介紹活塞系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力約占發(fā)動(dòng)機(jī)總摩擦力的40%，并且活塞系統(tǒng)70%的摩擦力是由活塞環(huán)產(chǎn)生的，所以如何降低活塞環(huán)的摩擦也是需要解決的問(wèn)題。在降低活塞環(huán)摩擦力的同時(shí)也要考慮機(jī)油消耗的問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，將活塞環(huán)的厚度由現(xiàn)在的1．5mm更改為1mm，同時(shí)將活塞環(huán)的切向彈力由現(xiàn)在的10±2N更改為4．3～6．5 N。通過(guò)減小活塞環(huán)的厚度，雖然減小了環(huán)的切向彈力，但是環(huán)的比壓并沒(méi)有降低，對(duì)于機(jī)油消耗量沒(méi)有大的影響。但是汽油機(jī)的摩擦力降低，相應(yīng)地有助于提高汽油機(jī)的功率。通過(guò)這樣的改造匹配，活塞的重量也由原來(lái)的172 g減少到142 g，整個(gè)活塞組的重量都得到了降低，也有效地減小了往復(fù)慣性力。通過(guò)試驗(yàn)前后對(duì)比，功率由4．39 kW(3600r/min)提高到4．48kW(3600r/min)，增加了0．09 kW見(jiàn)下圖6。通過(guò)測(cè)試20h機(jī)油消耗量在2．3g/(kW·h)，與更改前基本一致。相應(yīng)地排放也得到了降低見(jiàn)下表4。

圖4 改造前活塞

圖5 改造后活塞

圖6 活塞組更改功率對(duì)比

2．3 點(diǎn)火系統(tǒng)的改造

點(diǎn)火定時(shí)對(duì)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的性能和排放影響很大，減小點(diǎn)火提前角將降低最高燃燒溫度和循環(huán)效率，提高排氣溫度使NOx的排放減少，同時(shí)還使未燃HC排放下降。這是因?yàn)檫@時(shí)排氣溫度提高使未燃HC在排氣行程和排氣系統(tǒng)中后期氧化作用加強(qiáng)所致。點(diǎn)火提前角增大使最高燃燒溫度提高，使NOx的排放增加［3］。根據(jù)這一指導(dǎo)思想，對(duì)該汽油機(jī)進(jìn)行不同點(diǎn)火提前角測(cè)試，分別在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)火提前角減少2°CA，減少4°CA，減少6°CA 進(jìn)行測(cè)試。點(diǎn)火提前角減小，也相應(yīng)地減小了汽油機(jī)的功率，但是對(duì)于排放的降低是很有效的，這里需要作出一個(gè)平衡就是在犧牲一定功率的前提下，來(lái)達(dá)到降低排放的要求，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 活塞組更改排放對(duì)比

表5 點(diǎn)火提前角改進(jìn)排放對(duì)比

通過(guò)這樣的測(cè)試最終把點(diǎn)火提前角定在19°CA，同時(shí)對(duì)化油器進(jìn)行了精細(xì)匹配，重點(diǎn)控制CO的含量在各工況6～9%，然后裝機(jī)進(jìn)行了125h耐久性測(cè)試見(jiàn)表6。

表6 125h耐久性測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)耐久性測(cè)試，改造后的汽油機(jī)能夠達(dá)到EPA第三階段的要求。隨后進(jìn)行了小批裝配并進(jìn)行了抽檢，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能穩(wěn)定性較好，能夠達(dá)到樣機(jī)水平。現(xiàn)該機(jī)型已經(jīng)生產(chǎn)并銷售一年多的時(shí)間，通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中的PLT抽檢檢測(cè)，產(chǎn)品的排放性能穩(wěn)定，沒(méi)有超出EPA規(guī)定限值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該款汽油機(jī)進(jìn)行改造匹配，最終實(shí)現(xiàn)了在不使用催化器的情況下，僅對(duì)汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造也是能夠達(dá)到美國(guó)EPA第三階段要求的。改造只是在前期需要一定的試驗(yàn)及模具投入，在后續(xù)的零部件制造成本上基本沒(méi)有增加。采用同樣的方法對(duì)非手持式Ⅱ類的一款汽油機(jī)進(jìn)行改造，也同樣獲得了成功。說(shuō)明該技術(shù)方案是有效的，可進(jìn)行復(fù)制的。

1 田冬．EPA第三階段排放法規(guī)要求介紹［EB/OL］．http://wenku．baidu．com/view/a5a4d009f78a6529647d5367．html，2011－03－24

2 蔣德明．內(nèi)燃機(jī)原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988

3 劉巽俊．中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)．內(nèi)燃機(jī)的排放與控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003