王新建，劉大明，高群

(天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222)

0 引言

發(fā)動機排氣系統(tǒng)管路比較復雜，物理參數(shù)較多，參數(shù)的變化會直接影響發(fā)動機背壓、燃燒室內廢氣殘存和可燃混合氣的比例，最終導致動力性、經濟性和排放性發(fā)生變化。傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)開發(fā)過程較為漫長，需要對排氣系統(tǒng)的物理參數(shù)反復修改，進行大量試制和測試，耗費資源和時間。隨著計算機仿真技術的進展，發(fā)動機工作過程的開發(fā)也取得了長足進步，極大地縮短了研究時間，降低了開發(fā)費用。因此，有必要對發(fā)動機的排氣系統(tǒng)進行相應的仿真計算，以加快排氣系統(tǒng)開發(fā)過程。清華大學的帥石金、天津大學宋崇林等多位研究人員均對此類發(fā)動機的進排氣等系統(tǒng)進行了深入研究[1-7]，為后續(xù)系列產品的開發(fā)奠定了堅實基礎。本文作者利用GT-Power模擬仿真軟件對Phase110型發(fā)動機進行建模仿真，改變排氣系統(tǒng)物理參數(shù)，通過分析發(fā)動機性能的變化情況，確定合適的排氣系統(tǒng)參數(shù)。

1 GDI發(fā)動機仿真模型的建立

為了對發(fā)動機的總體性能進行計算和分析，需利用GT-Power軟件建立GDI發(fā)動機整機工作過程仿真計算模型，如圖1所示。發(fā)動機計算模型由進排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、曲柄連桿機構、配氣機構組成，發(fā)動機的結構參數(shù)如表1所示。

圖1 GDI發(fā)動機整機工作過程仿真計算模型

表1 四缸直噴式發(fā)動機的結構參數(shù)

2 GDI發(fā)動機性能仿真

在GT-Power軟件中，選擇發(fā)動機的典型轉速3 600 r/min，負荷最大的開度節(jié)氣門為90%，發(fā)動機水油溫度設置在GB/T 18297-2001要求的范圍內：水溫設置為88 ℃，油溫為93 ℃。

2.1 排氣總管長度對發(fā)動機性能的影響

對比不同排氣總管長度的發(fā)動機缸內壓力、NOx濃度，如圖2所示，排氣總管的長度L1分別取160、210、260、310、360 mm。從圖2(a)可知：隨著排氣總管長度的增加，缸內壓力也隨之變大，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而變大，排氣總管長度較短時，排氣相對徹底，進氣充分，燃燒較充分，生成的NOx相對較少；當排氣總管增長后，滯留在排氣管中的廢氣增加，導致新鮮空氣進入發(fā)動機氣缸的量減少，混合氣燃燒不充分，生成的NOx較多。

圖2 不同排氣總管長度的發(fā)動機缸內壓力、NOx濃度

2.2 排氣總管的直徑對發(fā)動機工作過程的影響

當排氣總管直徑D1分別為35、45、55、65、75 mm時，對比不同排氣總管直徑的發(fā)動機缸內壓力、CO質量分數(shù)，如圖3所示。從圖3(a)可知：隨著排氣總管直徑的增大，缸內壓力先減小后增大，在排氣總管直徑為45 mm時缸內壓力最小。排氣總管直徑的變化對缸內壓力影響較小。

圖3 不同排氣總管直徑的發(fā)動機缸內壓力和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，燃燒的CO質量分數(shù)最大，在排氣總管直徑為75 mm時，燃燒的CO質量分數(shù)最小。因為排氣總管直徑增大，發(fā)動機排氣就會加快，排放順暢，有利于排氣，從而導致燃燒的CO質量分數(shù)變小。

2.3 排氣歧管長度對發(fā)動機性能的影響

對比不同排氣歧管長度的發(fā)動機缸內壓力、NOx質量分數(shù)，如圖4所示。排氣歧管的長度L2分別為135、185、235、285、335 mm。從圖4(a)可知：隨著排氣歧管長度的增加，缸內壓力先減小后增大，在發(fā)動機排氣歧管長度為235 mm時，缸內壓力最小，說明排氣歧管過短或者過長都會使發(fā)動機缸內壓力增加，但增加或減小均不明顯。

從圖4(b)可知：隨著發(fā)動機排氣歧管長度的增加，NOx質量分數(shù)先減小后增大；在排氣歧管長度為185、235 mm時，產生的NOx最少；在排氣歧管長度為135、335 mm時，產生的NOx較多。當排氣歧管過短時，排氣相對較快，新鮮空氣進入發(fā)動機氣缸的速度也會加快，氣缸內混合氣變稀，導致氣缸內富氧高溫，有利于NOx的生成；當排氣歧管太長時，排氣相對較慢，新鮮空氣進入氣缸阻力增大，缸內混合氣變濃，燃燒不充分，生成的NOx也會增多。

圖4 不同排氣歧管長度的發(fā)動機缸內壓力和NOx排放

2.4 排氣歧管直徑對發(fā)動機性能的影響

對比不同排氣歧管直徑的發(fā)動機缸內壓力、NOx質量分數(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)動機排氣歧管直徑的增加，缸內壓力逐漸減小。當發(fā)動機排氣歧管直徑為44 mm時，缸內壓力最小。說明排氣歧管直徑越大，越容易造成發(fā)動機缸內壓力變小。

從圖5(b)可知：NOx質量分數(shù)隨著排氣歧管直徑的增大而增大，混合氣在發(fā)動機氣缸內燃燒的時間會相對減少，燃燒不充分，NOx排放量較多；排氣歧管直徑較小時，混合氣在發(fā)動機氣缸內燃燒的時間較長，燃燒相對充分，所以產生的NOx也相對較少。

圖5 不同排氣歧管直徑的發(fā)動機缸內壓力、NOx濃度曲線

2.5 排氣道長度對發(fā)動機性能的影響

對比不同排氣道長度的發(fā)動機缸內壓力、NOx濃度，如圖6所示。排氣道長度L3分別為75、80、85、90、95 mm。從圖6(a)可知，隨著排氣道長度的增長，流入排氣道的廢氣量就會增加，導致缸內廢氣相對減少，缸內壓力隨之減小，缸內最高壓力也隨之減小。從圖6(b)可知，隨著排氣道長度的增長，燃燒的CO質量分數(shù)不斷增加。排氣道長度較短時，發(fā)動機排氣順暢，排放到尾氣中的CO較多，所以燃燒的CO質量分數(shù)較大；當排氣道長度增長后，排氣變慢且不順暢，導致進氣阻力增加，燃燒變得不充分，導致CO排放量增加。

圖6 不同排氣道長度下的缸內壓力、CO質量分數(shù)曲線

2.6 排氣道直徑對發(fā)動機性能的影響

對比不同排氣道直徑的發(fā)動機缸內壓力和NOx質量分數(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)動機缸內壓力、NOx排放濃度

從圖7(a)可知：隨著排氣道直徑的增大，缸內最高壓力隨之減小，流入排氣道的廢氣量就會增加，導致缸內廢氣相對減少，缸內壓力也隨之減小，但減小幅度較小。從圖7(b)可知：排氣道直徑為37 mm時，NOx排放濃度最高；直徑為49 m時，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，排放阻力較小，排氣相對徹底，進氣也相對較多，發(fā)動機氣缸內混合氣燃燒相對充分，生成的NOx相對較少。

3 結束語

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