过量空气系数对四冲程小型通用汽油机排放的影响

第35卷 第5期2006年10月小型内燃机与摩托车

SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEVo.l35No.5

Oc.t2006

过量空气系数对四冲程小型通用汽油机排放的影响

刘胜吉

施万里

王 建

(江苏大学 镇江 212013)

摘

要:本文介绍了国内小型通用汽油机的发展概况和特点,针对美国和欧洲有关小型通用汽油机的排

放限值要求,对188F小型通用汽油机进行台架试验研究,得出了目前国内影响通用汽油机排放的主要因素是各种工况下的油气混合比例,给出了过量空气系数与小型通用汽油机的CO、HC和NOx排放之间的变化规律,提出了兼顾汽油机动力性、经济性、工作稳定性和低的排放性能来优化化油器过量空气系数特性的有效措施。关键词:小型通用汽油机

过量空气系数

化油器

排放

中图分类号:TK411.5 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2006)05-0041-04

TheInfluenceofCoefficientofExcessAirontheEmissionsof

Four strokeNon roadSpark ignitionSmallEngines

LiuShengj,iShiWanl,iWangJianJiangsuUniversity(Zhenjiang212013)

Abstract:ThispaperintroducethedevelopmentandcharacteristicsofNon roadspark ignitionsmallengines.AimingattheAmericaandEurope srequirementsontheemissionlimitsoftheNon roadspark ignitionsmallengines,wecarryouttheteston188Fgasolineengine,andconcludethatthemainfactorinfluencingthegaso lineengineistheair/fuelratio,andgivethechangingrulebetweenthecoefficientofexcessairandtheemis sionofCO,HCandNOxofgasolineengine,andbringforwardtheeffectivemeasurestooptimizethefeatureofcarburetorgivingattentiontothedynamics,economics,stabilityandlowemissionofgasolineengine.Keywords:Non roadspark ignitionsmallengine,Coefficientofexcessair,Carburetor,Emission

前言

小型通用汽油机在我国是指功率在30kW以下的小型发动机,而欧洲和美国等国家及地区是指功率在19kW以下的小型发动机

[1]

较小排量的及要求能翻转的手持式草坪和花园设备,比如剪草机、树叶吹吸机、链锯、及清雪机;四冲程汽油机主要用作水泵、割草机、发电机组、小型便携移动机械及娱乐机械等设备。与二冲程汽油机相比,四冲程汽油机有许多优点:四冲程汽油机的性能受换气过程影响较小,新鲜充量与废气掺混的机会较少,换气终了时残余废气系数小,经济性、排放性能好。所以在通用汽油机总产量中四冲程多于二冲程汽油机,随着技术的发展和排放限值要求的不断提高,四冲程汽油机占总产量的份额有继续扩大的趋势。

,它们主要用作草坪,园林

机械、农业机械、发动机组、工业用小型便携移动机械及非道路用车辆的动力。小型通用汽油机采用二冲程或四冲程的结构,主要冷却方式为风冷,它的特点是结构相对简单、质量轻、机动性好,因此用途特别广泛,但是由于结构特点和成本等因素,许多现代内燃机新技术难以在这一领域应用。二冲程风冷发动机主要用于

作者简介:刘胜吉(1958-),男,教授,研究方向:中小型内燃机工作过程与性能。

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通用小型汽油机的用途广泛,年产量较大,全世界年产量已超过4000万台,其中美国的生产和销售量最大,超过2000万台,日本和欧盟其次

[2]

经济性、工作稳定性以及发动机可靠性及耐久性的要求。一般情况下,为了保证发动机的功率和工作稳定性,化油器配给的混合气浓度比较浓(实验测得过量空气系数 t在0.75~0.82之间),必然导致HC和CO排放量大,难以满足发动机排放法规的要求,同时汽油机油耗偏高,因此需要重点优化过量空气系数,使通用汽油机的HC、CO、NOx满足法规要求。

过量空气系数 t大小对汽油机HC、CO、NOx排放影响的一般规律是

[5]

。中国的通用

小型汽油机行业也已有几十年的历史,但由于种种原因,在2000年以前的数年中,产量一直在几十万台徘徊,与美、欧、日的巨大产量相比有着很大的差距。但近几年我国加入了WTO组织后,国外市场需求急增,特别是随着国外通用小型汽油机生产企业、国内大型摩托车生产企业、新兴民营企业的介入,中国的通用小型汽油机行业呈现出飞速发展的势头,并且产品以各种形式销往国外,据不完全统计,近几年我国通用汽油机的产量连年翻番,2002年通用小型汽油机的产量接近200万台,2005年按有关资料的粗略估计产量激增到1000万台以上,总产量有仅次于美国的趋势。我国生产的小型汽油机很大一部分产品是出口美国、欧洲等国家,而影响产品出口的主要因素是他们严格的排放法规,如美国联邦环保署(EPA)、美国加州大气资源局(CARB)和欧盟都分别制定了非道路用小型发动机排放法规。要满足这些排放法规的限值要求,对通用汽油机的排放性能、动力性、经济性和可靠性都有很高的要求,因此提高小型通用汽油机的综合性能的研究非常紧迫,国内已有文献对此论述

[2][3][4]

:随着 t的增加,CO排放浓

度逐渐下降,当 t 1.05后,CO的值已很低且基本不变;HC排放浓度随 t的变化有一个谷值且出现在较理论过量空气系数较稀的位置(1.2~1.3左右);NOx的浓度有一个最大峰值且出现在理论过量空气系数附近并且靠近稀混合气的一侧(1.05左右)。 上述变化规律对各类汽油机基本趋势应是相同的,但小型通用汽油机的缸径大小、燃烧室结构、点火参数等不同所对应CO、HC、NOx峰值大小也是不同的;不同转速负荷工况的CO、HC、NOx峰值大小及变化规律也会改变;HC、NOx的测试原理、方法不同,其峰值大小也会不同,这些需要我们去试验研究,结合法规要求得出各种测试工况下过量空气系数对通用汽油机排放值的影响。

,但详细的

指导企业生产控制的研究资料还很少。本文以188F小型通用汽油机为例介绍此项研究的部分工作。

2试验样机和试验方法

1影响小型通用汽油机排放的因素

本文以188F通用汽油机为研究对象,研究过量空气系数 t对CO、HC、NOx排放值的影响,188F汽油机的主要结构参数见表1。

排放研究试验主要用OTC公司生产的STARGAS898型废气分析仪进行,即通常所说的五气分析仪,这样研究结果能直接指导企业生产中的质量控制。在正式的排放测试时(如进行美国EPA或欧洲排放试验认证),排放测试设备要符合相关法规要求(如使用HORIBA的7200D型废气分析仪)。由于它们的排放测试原理、方法及精度有所不同,因此它们所测试的排放结果也是有差异的,大量的试验证明它们的测试结果有可比性。

表1 188F汽油机主要结构参数样机型式起动方式

缸径!行程/mm!mm

总排量/mL压缩比

标定功率及转速/(kW/r min-1)

四冲程、风冷手拉式88!643898.5:18.0/3600

小型通用汽油机排气污染物主要受以下几个因素的影响:

1)过量空气系数(或空燃比);

2)混合气形成的质量及油气分布的均匀性;3)点火正时与点火能量;4)燃烧室壁面及活塞顶部积碳;5)润滑油品质和温度;6)发动机标定转速和负荷率。

上述因素中,过量空气系数和点火性能是影响小型通用汽油机排放的主要因素。已有的研究表明两者之中过量空气系数是最主要的影响因素。现生产的通用汽油机绝大多数是采用化油器来形成混合气的,其化油器的结构按功能分仅有主供油装置和怠速供油装置两部分组成,主供油装置通过喉管直径、主供油量孔和空气量孔的优化组合供给大、中负荷各种转速下的可燃混合气;怠速供油装置则保证汽油机在怠速和由怠速过渡到小负荷时供给可燃混合气。对通用汽油机,传统设计思想主要考虑的是:发动机功率的提高、

第5期刘胜吉等:过量空气系数对四冲程小型通用汽油机排放的影响43

对于CO的测量,两种分析仪的测量原理是相同的,都采用不分光红外法(NDIR),只是后者的测试精度比五气分析仪的测试精度高,两者的测试数据基本一致。对于NOx的测量,五气分析仪的测试原理是采用电化学法,只能测出NO的浓度,不对NO2进行测量,而符合法规要求的测试设备一般都采用化学发光分析法,测量的结果是NO与NO2的浓度的总和NOx,但汽油机尾气排放中NO2的占有量相对较少,故而两者的测试数据相差也不是很大的,五气分析仪测得的NOx数值比后者略低,在3~8%左右。而对HC的测量,两者测试原理是完全不同的,五气分析仪采用的是不分光红外线分析法,而符合法规要求的测试设备一般采用的是氢火焰离子化分析法,两者测试数据相差很大,但我们可以用不同工况,两者多次试验找出它们之间的关系,表2是188F汽油机的一个典型试验结果,多次试验表明:对某一种机型的相同工况,两者测量结果的比值变化不大。综上所述使用五气分析仪能进行通用汽油机的排放研究,也可以用于生产的质量控制。

表2 五气分析仪和7200D型废气分析仪的HC值比较负荷率0%10%25%

50%75%100%

五气仪测得数据

1017976677065

7200D测得数据

2925.42136.31850.31443.31459.41410.5

比值29.027.124.421.520.821.7

表3 B试验循环的工况点组成和排放权重转速工况点(i)负荷(%)权重(WFi)整机排放物限值(g/kW h)

11009%

CO%610

27520%

额定转速

35029%

42530%

5107%

怠速605%

图1 188F汽油机标定工况过量空气系

数 t与排放的关系

放结果的贡献率(综合考虑各工况的排放权重和成分浓度等因素)是非常必要的,在确定了贡献率较大的工况以后,再根据这些工况的废气成分特点对化油器进行调整。这是我们试验研究的指导思想。

试验过程中,通过改变188F汽油机的化油器的主量孔的直径和怠速量孔的直径,使汽油机标定转速负荷特性上过量空气系数满足大部分工况下的要求。图2是调试得到的不同化油器特性曲线和它们的排放结果。

HC+NOx%12.1

NOx(欧盟)

%10

3过量空气系数 t对小型通用汽油机排放影响的试验研究

结果表明:在标定工况点过量空气系数值相同的情况下,随着部分负荷工况的过量空气系数增加,CO和HC都呈现下降的趋势,化油器过量空气系数特性1比特性2有较低的HC和CO排放值,NOx在低负荷区略有增加。特别是在25%、50%低负荷工况,混合气的浓度在0.84~0.87之间,氧含量较标定工况点增多使燃烧完全,HC、CO生成量少,油耗也比特性2低,这两个工况对整机HC排放值影响最大。另外,由于在低负荷区域,节气门开度比较小,进入燃烧室内的新鲜混合气的数量较少,气缸压力下降,燃烧温度不高,这就抑制了NOx的生成,而在75%~100%负荷之间,节气门开度大,进气量增加,缸内压力增大,气体燃烧温度比较高,NOx生成量大,所以在低负荷工况下,过量空气系数对HC、CO的影响比较明显;而在高负

影响小型通用汽油机过量空气系数的因素有进排气系统阻力、化油器参数的匹配。一般是用化油器的匹配调试最终找到最优的匹配方案。图1是我们用五气分析仪对一台188F汽油机标定工况进行改变主供油量孔来改变过量空气系数的测试结果,得出了188F通用汽油机的过量空气系数与排放之间的关系。 美国EPA和欧盟排放法规规定固定用途小型通用汽油机采用的试验工况及限值要求

#1

见表3,是标

定转速下的负荷特性及怠速工况,最终整机排放结果是由各个稳态工况下测得的排放值按加权系数求出,因此在调整化油器时,掌握不同工况点排放对最终排

44 小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第35卷

荷工况下,对NOx

的生成影响比较大。的过量空气系数是在0.95~1.15之间。另外,怠速工况下,燃烧温度较低,NOx的生成量很少,因此对整机排放影响可以不必考虑。

4结论

本文通过对188F型通用汽油机排放特性的实验研究,得出如下结论:

1)正确地使用五气分析仪能定量地对小型通用汽油机进行排放试验研究和质量控制。其测量结果与排放法规要求用的发动机废气分析仪的测量结果在各工况点有一定的数量关系。

2)过量空气系数大小对通用汽油机的废气排放值有较大的影响,较低的整机排放值需控制汽油机标定工况点的过量空气系数大小,还要控制负荷特性上

图2 两种化油器特性下排放量的对比

各工况点的过量空气系数特性的变化趋势。

3)综述作者的研究结果,对188F汽油机,满足欧美排放第二阶段限值,发动机各系统工作正常情况下,标定工况的过量空气系数在0.83~0.85左右,负荷特性上有合适的化油器特性,怠速的过量空气系数控制在1.05左右,汽油机能取得较低的整机排放值且在动力性、经济性及工作稳定性等方面有较优的综合性能。

参考文献

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tionofEnvironmentPart90&ControlofEmissionsfromnonroadspark ignitionenginesatorbelow19kilowatts[S],2004.7

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(收稿日期:2006-03-17)

低负荷区增大过量空气系数对整机排放的降低是有利的,但过大的过量空气系数可能会造成汽油机工作不稳定,甚至出现游车现象,因此应根据化油器参数的匹配综合考虑,得到合理的过量空气系数特性。 小型通用汽油机怠速工况的HC、CO排放值也是整机排放的一个重要因素,图3给出188F汽油机以1600r/min怠速运转时,实测排气中CO和HC的生成量随过量空气系数的变化。可见随着混合气调稀(即 t增大),CO、HC排放都不断下降,残余废气稀化了新鲜混合气同时使混合气的温度升高,结果HC排放值较高,当混合气过稀时,HC又会上升,这显然是由于过稀的混合气使燃烧中出现断火造成的燃烧不完全所致,怠速运行时,进入缸内的新鲜混合气量少,缸内残余废气量相对较多,所以怠速工况下,HC、CO

最低

图3 怠速时HC、CO与过量空气系数 t的关系

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