【日】 K.Fujimura T.Kawasaki S.Kishi T.Tokunaga K.Shiraishi

0 前言

久保田公司已在排量1.0L以下柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出工業(yè)用水冷汽油機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)可與柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)尺寸互換，并且具有高可靠性和高耐久性。然而，由于對(duì)更高功率的追求，以及各種不同用途對(duì)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制需求的日益增加，用戶對(duì)全電控和更大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也日益增長(zhǎng)。另一方面，美國(guó)針對(duì)非道路用火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，尤其是計(jì)劃對(duì)排量超過(guò)1.0L的發(fā)動(dòng)機(jī)收緊法規(guī)限值（表1），所以，此類發(fā)動(dòng)機(jī)將被要求使用排放控制設(shè)備，如帶三效催化轉(zhuǎn)化器的電控燃料噴射系統(tǒng)。本文介紹為滿足上述需求和法規(guī)而開(kāi)發(fā)的新型雙燃料（汽油和氣體燃料）發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)。

表1 美國(guó)加州空氣資源局（CARB）排放法規(guī)

1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

新開(kāi)發(fā)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)規(guī)格如表2所列，發(fā)動(dòng)機(jī)外觀如圖1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，通過(guò)擴(kuò)大缸徑1mm來(lái)增大排量。為了將這種發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到工程機(jī)械上，以取代柴油機(jī)，其主體尺寸和輸出功率都與原柴油機(jī)的相同。這種機(jī)型的特征之一是可在運(yùn)行期間切換燃用汽油和液化石油氣（LPG）。

2 降低廢氣排放的技術(shù)

2.1 空燃比反饋系統(tǒng)

圖2為汽油機(jī)的空燃比反饋系統(tǒng)示意圖。根據(jù)進(jìn)氣歧管空氣壓力和空氣溫度計(jì)算進(jìn)氣流量和燃料噴射量?；诖呋D(zhuǎn)化器前氧傳感器的反饋信號(hào)，將混合氣的空燃比精確控制到化學(xué)計(jì)量比，然后利用三效催化轉(zhuǎn)化器降低NOx、CO和HC排放。為減少?gòu)U氣排放，減少各氣缸之間的空燃比變動(dòng)是非常重要的。必須優(yōu)化噴射定時(shí)，并且使各氣缸空氣流量的變動(dòng)最小化，以改善空燃比控制。

圖1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

圖2 空燃比反饋系統(tǒng)

2.2 燃料噴射器

在開(kāi)發(fā)初期，與車用發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，將汽油噴射器設(shè)置在進(jìn)氣道中，但后來(lái)被移到氣缸蓋的上部，以防止燃料附著于進(jìn)氣道（圖3）。

此外，為了優(yōu)化噴射器的技術(shù)規(guī)格，以及給定范圍內(nèi)燃料噴霧的方向，進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析（圖4）。結(jié)果表明，大部分噴霧附著在進(jìn)氣門背面與氣門桿之間的區(qū)域，但自噴霧錐角17°起，有相當(dāng)部分的噴霧在進(jìn)氣道內(nèi)發(fā)生碰撞并附著壁面，增加了瞬態(tài)工況下的HC排放。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，噴霧錐角被確定為10°。10°和17°噴霧錐角的排放測(cè)量結(jié)果如圖5所示，采用10°錐角的噴射器可使HC排放減少17%。

圖3 噴射器布置

圖4 燃料噴霧的分析結(jié)果比較

圖5 排放比較

2.3 進(jìn)氣歧管

進(jìn)氣歧管形狀如圖6所示。通過(guò)保持足夠容積的穩(wěn)壓箱和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度盡可能相等的各獨(dú)立氣道，可使瞬態(tài)循環(huán)的進(jìn)氣壓力脈動(dòng)幅值最小，且每個(gè)氣缸的空燃比更均勻。采用一維CFD分析（Ricardo公司，WAVE軟件）對(duì)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化（圖7）。圖8表示在有和沒(méi)有穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣歧管中進(jìn)行空氣壓力波動(dòng)模擬的結(jié)果。與沒(méi)有穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣歧管相比，有穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣歧管壓力波動(dòng)較均勻。圖9為各氣缸空燃比的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明，采用穩(wěn)壓箱可減小氣缸之間空燃比的差異。

圖6 進(jìn)氣歧管

2.4 催化消聲器

起初，研究人員在新機(jī)型上采用一種催化轉(zhuǎn)化器。但是，催化轉(zhuǎn)化器必須保持水平放置，并且由于使用軟墊結(jié)構(gòu)安裝陶瓷催化劑，催化轉(zhuǎn)化器必須通過(guò)隔振裝置固定在機(jī)器上，而且必須與下游的消聲器一起使用（圖10）。為了克服這些缺陷，開(kāi)發(fā)了一種帶金屬催化劑的催化消聲器，其設(shè)計(jì)能與現(xiàn)有消聲器尺寸匹配，并同時(shí)具有催化轉(zhuǎn)化和消聲的功能。

圖7 一維仿真模型

圖8 進(jìn)氣壓力特性的比較

圖9 各氣缸的空燃比差異

圖11是單一型催化消聲器和串聯(lián)型催化消聲器的截面圖。首先測(cè)試單一型催化消聲器，發(fā)現(xiàn)其噪聲性能能夠滿足目標(biāo)要求，但廢氣排放性能未達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)。然后，采用CFD分析（AVL公司，F(xiàn)IRE軟件）計(jì)算消聲器中的空氣流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)氣流集中在催化消聲器的中心，催化轉(zhuǎn)化功能沒(méi)有完全發(fā)揮作用。因此，將催化消聲器的設(shè)計(jì)由單一型改為串聯(lián)型。流速分布結(jié)果表明，氣流在2個(gè)催化轉(zhuǎn)化器之間的空間膨脹，完全實(shí)現(xiàn)了第2個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的功能。如圖12所示，串聯(lián)型催化消聲器可以有足夠的裕度滿足CARB排放法規(guī)的要求。

圖10 催化轉(zhuǎn)化器的布局

圖11 催化消聲器的結(jié)構(gòu)

圖12 具有充分裕度的廢氣排放值

通過(guò)上述改進(jìn)，縮小了消聲區(qū)域的容積，利用CFD進(jìn)行聲學(xué)分析，并優(yōu)化消聲區(qū)域的設(shè)計(jì)。結(jié)果，串聯(lián)型催化消聲器可以實(shí)現(xiàn)與單一型催化消聲器大致相當(dāng)?shù)脑肼曀?。圖13為傳輸損失的分析結(jié)果。圖14為噪聲測(cè)量結(jié)果。

圖13 噪聲特性

為了能垂直安裝消聲器，對(duì)固定法蘭和支架進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并對(duì)這些零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。為了檢驗(yàn)可靠性，對(duì)零部件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，開(kāi)發(fā)了可自由固定在所有方向的催化消聲器，并能放置在有限的空間中，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)。采用這種催化消聲器，可實(shí)現(xiàn)緊湊的排氣系統(tǒng)布局，使新機(jī)型適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域。圖15為排氣系統(tǒng)的布局實(shí)例。

圖14 噪聲級(jí)的比較

圖15 排氣系統(tǒng)布局實(shí)例

3 緊湊型設(shè)計(jì)

新型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以燃用任何汽油、LPG或天然氣。用戶可以選擇不同燃料適應(yīng)各種現(xiàn)實(shí)情況，例如，在室外工作時(shí)使用汽油，而在室內(nèi)工作時(shí)使用氣體燃料。這種靈活性也使用戶能夠選擇在成本或可得到性方面最為有利的燃料。為了將柴油機(jī)轉(zhuǎn)換為汽油機(jī)或氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，須增加表3所列燃料供給及點(diǎn)火裝置。

表3 主要的附加裝置

燃料系統(tǒng)部件在雙燃料機(jī)型上的布局如圖16所示。重要的是要將這些附加零部件設(shè)置在1個(gè)緊湊的空間中，以保持原機(jī)型與新開(kāi)發(fā)機(jī)型的尺寸和布局相同。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射器通常安裝在進(jìn)氣歧管中，但新機(jī)型的噴射器被放置在氣缸蓋中，并在氣缸蓋旁布置1根燃料輸送管。此外，為了將點(diǎn)火線圈和燃料輸送管放置在氣缸蓋和進(jìn)氣歧管之間的有限空間內(nèi)，設(shè)計(jì)了可以將這些零部件固定在一起的噴射器法蘭（圖17），從而縮小了發(fā)動(dòng)機(jī)的寬度，減少了新零件的數(shù)量和組裝附加裝置的時(shí)間。此外，還實(shí)現(xiàn)了維護(hù)保養(yǎng)的便利性（圖18）。

圖16 附加裝置的布局

圖17 附加裝置在有限空間內(nèi)的位置

圖18 噴射器法蘭的安裝

4 燃用氣體燃料的可靠技術(shù)

與燃用汽油相比，在燃用LPG或天然氣等氣體燃料時(shí)，氣門周圍的潤(rùn)滑性極差。此外，由于燃用氣體燃料在化學(xué)計(jì)量空燃比下工作時(shí)的燃燒溫度較高，往往造成排氣門的氣門錐面和氣門座磨損顯著。為此，測(cè)量排氣門的溫度（圖19），相應(yīng)改變氣門錐面與氣門座的材料。選擇鈷基合金作為排氣門包層材料，這種合金可在高負(fù)荷運(yùn)行期間形成高溫鉬涂層。并且，還增加了氣門座的鐵-鈷基燒結(jié)合金中的自潤(rùn)滑材料含量。

圖19 排氣門溫度

此外，由于氣門落座的沖擊力對(duì)排氣門錐面和氣門座磨損有很大影響，因此，改進(jìn)凸輪設(shè)計(jì)，將排氣門的落座速度降低50%，從而實(shí)現(xiàn)了更好的可靠性和耐久性。圖20為原凸輪和改進(jìn)凸輪的運(yùn)動(dòng)特性。

圖20 氣門運(yùn)動(dòng)特性比較

5 結(jié)語(yǔ)

采用CFD分析，對(duì)燃料噴霧和進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在很短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)改善了新機(jī)型的廢氣排放性能。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)緊湊的催化消聲器，拓展了新機(jī)型的應(yīng)用用途。

為了實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)的互換特性，開(kāi)發(fā)了可燃用汽油和氣體燃料的燃料供給系統(tǒng)等新零部件及點(diǎn)火裝置，這些增加的零部件都被布置在緊湊的空間內(nèi)。

為了改善排氣門錐面和氣門座在燃用氣體燃料時(shí)的磨損，對(duì)這些零部件的材料進(jìn)行優(yōu)化，降低了排氣門的落座速度。通過(guò)這些途徑，確保了新機(jī)型在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。