JS12512A摩托车二次空气喷射系统的仿真

JS12512A摩托车二次空气喷射系统的仿真 摩托车二次空气喷射系统的仿真- 12125 JSA 张付军, 韩 恺, 刘波澜, 段晓波 ()北京理工大学 机械与车辆工程学院, 北京 100081 摘 要: 为了 提 高 二 次 空 气 喷 射 系 统 的 补 气 效 果, 建 立 了 摩 托 车 发 动 机 模 型, 应 用 内 燃 机 性 能 分 析 软 件 A V L , 对212型摩托车发动机进行性能计算, 并与试验值进行了对比分析Ζ 在此基础上, 建立二次空气喷 125BOO ST J SA 射系统模型, 并对包括补气孔位置、补气管直径、补气角度以及补气阀簧片刚度等二次空气喷射系统的主要设计参 数进行性能预测和优化Ζ 结果显示, 二次空气喷射点与排气口的距离为 30 , 补气管直径为 8 , 补气角度选择mm mm 30,? 60,? 簧片刚度在 100, 500 之间取值时, 二次空气喷射系统与发动机有最佳匹配ΖƒN m 关键词: 摩托车; 二次空气喷射; 废气排放 T K 402 文献标识码: 中图分类号: A S im ula t ion of the Secon dary A ir In jec t ion Sy stem 125- 12f or JSA M o torcyc le 222, , , ZHA N G F u ju n HA N K a iL IU Bo lan DU A N X iao bo(), , 100081, Schoo l o f M ech an ica l and V eh icu la r E ng inee r ingB e ijing In st itu te o f T ech no lo gyB e ijing C h inaA bstra c t: In o rde r to en h an ce th e a ir com p en sa t in g effec t o f th e seco n da ry a ir in jec t io n sy stem , a 125212m o de l fo r a m o to rcyc le en g in e is se t up an d th e p e rfo rm an ce s o f th e m o de l J SA a re ca lcu la ted an d an a lyzed b y u sin g th e en g in e p e rfo rm an ce an a lyzin g so f tw a re p ack age o f A V L . , , BOO STO n th e b a sisth e m o de l o f th e seco n da ry a ir in jec t io n sy stem is se t up an d th e m a in , de sign fac to r s o f th e seco n da ry a ir in jec t io n sy stem in c lu d in g th e in tak e po sit io n th e d iam e te r o f , , . th e in tak e p ip eth e in tak e an g le an d th e va lve sp r in g ra tea re fo reca sted an d op t im izedT h e re su lt s revea l th a t th e seco n da ry a ir in jec t io n sy stem m a tch e s en g in e w e ll w h en th e d istan ce 30 , b e tw een th e seco n da ry a ir in jec t io n po in t an d th e ex h au st po r t is mm th e d iam e te r o f th e in tak e p ip e is 8 mm , th e in tak e an g le ran ge s f rom 30?, 60a?n d th e va lve sp r in g ra te ran ge s f rom 100, 500 ƒ.N m ex h au st em issio n Key word s: m o to rcyc le; seco n da ry a ir in jec t io n; 2, 3 2004 年 1 月 1 日起, 我国要求新生产的摩托 从 气污染的有效手段之一Ζ二次空气喷射系统是利1 车排放的污染物要符合欧洲 号Ζ 为了满足 ?用排气管中的脉动负压开启补气阀实现二次补气 日趋严格的排放法规, 在排气系统中加装氧化催化 的, 因此, 补气管中气体并非稳态流动, 还存在着气 转化器, 同时进行二次补气, 是大幅度降低摩托车排 4 柱的脉动效应, 致使二次空气喷射系统与发动机 的匹配变得较为复杂Ζ 影响补气效果的因素有补气 孔位置、补气管直径、补气角度、排气温度和补气阀 5 簧片刚度等参数Ζ 为了保证二次空气喷射系统的 补气效果, 并尽可能地降低摩托车的动力消耗, 传统 的方法是进行大量的重复试验研究确定合理, 这大大增加了二次空气喷射系统的研制成本Ζ 作者 应用性能分析软件就影响二次空气 , A V L BOO ST 喷射系统匹配合理性的若干因素在212型摩 125J SA 托车发动机模型上进行预测研究和优化设计, 并给 出了较合理的设计参数Ζ图 2 发动机功率与转速的关系 . 2 F igT h e re la t io n be tw een eng ine pow e r and sp eed 1 发动机模型的建立 212型摩托车发动机主要技术参数见125J SA 1Ζ 对实际发动机的工作过程进行了简化, 应用A V L 软件建立的发动机模型如图1 所示Ζ通过模BOO ST 拟计算和试验验证, 进一步修改了模型, 最后达到实 用Ζ 表 1 发动机主要技术参数 . 1 TabThe m a in techn ica l param e ter s of the en g in e 图 3 发动机有效燃油消耗率与转速的关系 . 3 F igT h e re la t io n be tw een eng ine effec t ive fue l 标定 标定 缸径ƒ冲程ƒ排量ƒ co n sum p t io n and sp eed 压缩比转速 ƒ型号 型式 功率ƒ mm mm mL - 1( )kW rrm in 212单缸、四冲程 5010 4915 124 912 710 9 000 125 J SA 3 二次空气喷射系统模型的建立 311 二次空气喷射系统 目前, 我国摩托车发动机仍以化油器式为主, 为 了追求动力性和工作稳定性, 大多数摩托车化油器 6, 7的混合气都比较浓, 尾气主要成分是 和 Ζ CO H C 图 4 给出了计算的 212 型摩托车发动机排气 125J SA 管中瞬时压力随曲轴转角的变化曲线Ζ以压缩p Υ 终 了 的上止点为曲轴的 0转?角, 则排气门开启时所对 图 1 125212型摩托车发动机模型 J SA 应的曲轴转角为 80Ζ? 当排气门打开时, 排气正压波 212. 1 125F igT h e m o de l o f th e J SA m o to rcyc le eng ine 从排气口进入排气管, 而在排气门开启的后半段时 间里, 排气口附近有一个负压波, 二次空气喷射系统 性能对比分析2 图 2 是利用图 1 所示模型计算出的 212125J SA 型摩托车发动机的功率和实测功率的比较Ζ 由图 2 可见, 计算值与实测值比较吻合Ζ发动机有效燃油消 耗率与转速的变化曲线如图 3 所示, 其计算值和实 测值也基本吻合Ζ 应用性能分析软件建立的2125A V L BOO ST J S 图 4 排气管中瞬时压力变化曲线 型摩托车发动机模型较准确地反映了实际发动 12A . 4 F igT h e cu rve o f th e ch ange o f in stan taneo u s p re ssu re 机的工作过程, 可以作为二次空气喷射系统仿真研 利用下止点附近出现的一段负压波把空气直接导入 , 过大时, 低速时发动机功率的 对比结果可以看出r 排气管, 增加排气系统中的氧含量, 靠燃烧后的高温 计算值与实测值相差较大Ζ这是因为在低速时, 随着 8 的增大, 补气量增加较多, 增加了发动机的排气阻 r 排气氧化和来降低排放ΖCO H C 力, 致使发动机功率下降较多Ζ 而且, 当 = 10 rmm 312 模型的建立时, 发动机功率下降较多, 二次空气对发动机性能影 图 5 是用软件建立的装有二次空 A V L BOO ST 响较大Ζ 经过反复计算, 当 = 30 时, 补气量较 rmm 气喷射系统的212型摩托车发动机模型Ζ 该125J SA 大, 且发动机功率更接近试验值Ζ 模型是在原机模型的基础上, 在空气滤清器后面加 表 2 不同补气位置对发动机功率的影响一进气管, 从此处引进二次空气, 并在排气口附近安 . 2 TabThe ef f ec t of the in take po s it ion 装一补气管, 通过补气管把二次空气导入排气管中, on the en g in e power 进气管和补气管之间通过充当补气阀的簧片阀连 ƒP ekW 接Ζƒ r= 4 000 = 5 000 = 6 000 = 7 000 = 8 000 = 9 000 nnnnnnmm ƒƒƒƒƒƒrm in rm in rm in rm in rm in rm in 10 2193 177 180 171 147 154 34567 3102 3188 4180 5174 6170 7164 30 2191 3178 4173 5173 6165 7161 45 412 补气管直径和长度的优化设计 由于补气管中流动的气体不仅存在稳流中的沿 程阻力, 且还存在着气柱的脉动效应, 因此, 补气阀 图 5 装有二次空气喷射系统的发动机模型 与排气管之间的补气管结构参数是影响补气量的重. 5 F igT h e m o de l o f th e eng ine w ith th e seco nda ry 要因素Ζ 图 7、图 8 分别给出了补气管不同管径 和d a ir in jec t io n sy stem 不同管长时, 补气量随发动机转速变化的关系Ζ从 L 7 可以看出, 随着补气管直径的增大, 补气量增 图 4 影响因素分析和优化设计 加, 并且低速时补气量增加明显Ζ 同时, 当管径 较 d 411 补气孔位置的优化设计 小时, 随着发动机转速的降低, 补气量增加缓慢; 相 二次空气喷射点与发动机排气口的距离 对系 r 反, 当管径 较大时, 随着发动机转速的减小, 补气 d 量增加迅速Ζ 由图 8 可见, 随着补气管长度的减小, 统的性能影响较大Ζ 计算结果表明, 当 < 15 r mm 补气量增加Ζ当管长增加时, 管中气柱的脉动效应 L 时, 由于喷射位置距排气口太近, 会造成空气直接被减弱, 管内阻力增加, 补气量减小, 且随着发动机转 吸入气缸, 从而影响发动机排气气流的稳定性Ζ 图 6 速的变化, 补气量波动较大; 当管长减小时, 管中 L 是 取不同值时, 补气量随发动机转速的变化关系Ζ r 气柱的脉动效应增加, 补气量增大, 且低速时补气量 可以看出, 随着 的增大, 低速时补气量增加明显Ζ r 增加显著Ζ但是在保证更多补气量的同时, 还要考虑 但是, 从表 2 给出的不同补气位置时发动机功率的 尽量降低对发动机性能的影响Ζ 表 3、表 4 给出了不 同管径 和不同管长时发动机功率的对比结果Ζ d L 由表 3 可见, 当管径 较小时, 二次空气喷射对发动 d 机功率的影响较小; 当管径 较大时, 由于低速时补 d 气量增加较多, 二次空气喷射对发动机性能影响较 变化 大, 发动机功率下降较多Ζ 由表 4 可知, 管长 L 时, 低速时补气量变化明显, 对发动机功率影响较 大Ζ 综上所述, 根据计算结果分析, 当补气管直径 = 8 、补气管长= 80 时, 二次空气量占排 d mm L mm 图 6 不同转速下补气位置对补气量的影响 气总量的比例在5%, 20% 之间较为合适, 可以满足 . 6 F igT h e effec t o f th e in tak e po sit io n o n th e seco nda ry 配效果Ζ 413 补气角度的优化设计 补 气管和排气气流反方向的夹角 为补气角 Υ 度Ζ图9 给出了不同补气角度时补气量随转速的Υ 变 化曲线Ζ 由图9 可见, 低速时补气角度对补气量的影 响较大, 且随着补气角度的增加, 进气阻力增加, 补 气量降低明显Ζ经过计算, 补气角度对发动机性能影 响不大Ζ 根据计算结果, 选择补气角度 为 30,? 60? Υ 时, 进气阻力较小, 补气量合适Ζ 图 7 不同转速下补气管直径对补气量的影响 F ig. 7 T h e effec t o f th e d iam e te r o f th e in tak e p ip e o n th e seco nda ry a irf low ra te a t va r io u s sp eed s 图 9 不同转速下补气角度对补气量的影响 . 9 F igT h e effec t o f th e in tak e ang le o n seco nda ry a irf low ra te a t va r io u s sp eed s 414 二次空气喷射对排气温度的影响 图 8 不同转速下补气管长度对补气量的影响 二次空气与排气管中的高温排气混合, 氧化排 . 8 F igT h e effec t o f th e d istance be tw een th e reed va lve 气中的和从而降低排放Ζ 和的氧化, CO H C CO H C and th e in tak e po sit io n o n th e seco nda ry a irf low 需要在一定的温度条件下完成, 在氧化剂的作用下,ra te a t va r io u s sp eed s 温度在 523 以上即可Ζ 二次空气的进入会使排气 K 表 3 不同补气管直径对发动机功率的影响 管中气体的温度降低, 引入二次空气前后排气管温 度的变化情况如图 10 所示Ζ 通过仿真计算发现, 引 . 3 TabThe ef f ec t of the d iam e ter of the in take p ipe on the en g in e power 入二次空气后, 排气管中气体的温度仍高达 730, ƒP ekW 1 070 , 完全可以满足氧化反应的要求Ζ 虽然二次K ƒd = 4 000 = 5 000 = 6 000 = 7 000 = 8 000 = 9 000 nnnnnnmm 和 空 气量的多少影响排气温度, 但并不影响对 CO rm in rm in rm in rm in rm in rm in ƒƒƒƒƒƒ 6 3100 186 181 172 168 159 34567H C 的氧化, 故在本文的优化设计中, 排气温度可以 7 3101 3182 4182 5172 6170 7162 不必考虑Ζ 8 3102 3188 4180 5174 6170 7164 9 2168 3178 4171 5168 6163 7155 表 4 不同补气管长度对发动机功率的影响 Tab. 4 The ef f ec t of the d istan ce be tween the reed va lve an d the in take po s it ion on the en g in e power ƒP ekW ƒL = 4 000 = 5 000 = 6 000 = 7 000 = 8 000 = 9 000 nnnnnn mm 图 10 二次空气对排气温度的影响 rƒm in rƒm in rƒm in rƒm in rƒm in rƒm in . 10 F igT h e effec t o f th e seco nda ry a ir o n th e 2179 178 179 169 170 162 3456760 tem p e ra tu re o f exh au st ga se s 3102 3188 4180 5174 6170 7164 80 415 补气阀簧片刚度的选择 () 措施研究 [. 摩托车技术, 2003 11: 9- 11. J 重要参数, 合理地选择簧片的刚度值, 能够保证簧片 的开启时间和开启高度, 较大限度地增大补气量Ζ通 . 2Q uan Y ifengEm issio n leve l and re sea rch o f in eng ine 过 多次的仿真计算, 当簧片刚度在 100, 500 ƒN m 2[ .em issio n co n t ro l o f dom e st icm ade m o to rcyc le J 取值时, 补进的二次空气较多, 补气阀补气性能较 ( ( ) 9 - 11. , 2003 11 : inM o to rcyc le T ech no lo gy好Ζ 当簧片的刚度变大或者变小时都会引起二次空 )C h ine se 气量的减小Ζ 当簧片刚度大于 500 ƒ时, 补气阀 N m 2 2P eng Yuy in. Em issio n co n t ro l o f fo u rst ro k e 的开启压力随之增加, 单向阀前后的压差就会增 ?p m o to rcyc le eng ine [R . SA E p ap e r 951760, 1995. 加; 当单向阀前后的压差 增大时, 补气阀开启所 ?p , 23 . L a im bo ck J K irch B e rge r SD eve lopm en t o f a 对应的曲轴转角减小, 补气时间缩短, 补气量减小Ζ 150 , 42ccva lve CV T eng ine fo r fu tu re em issio n and 当簧片刚度小于 100 ƒ时, 簧片回闭过程时间延 N m 1998. no ise lim it s [R . SA E p ap e r 982052, 长, 影响补气阀的单向性, 使气体回流加重Ζ另外, 簧 片刚度过小, 工作过程中簧片自由端头部会出现颤 毛华永, 陆 辰, 杨 滨 等. 摩托车催化转化器补气阀 4 () 补气量影响因素的初探 [. 小型内燃机, 2000, 29 2:J 动, 簧片的颤动会影响到气流的有效流通截面积, 进 而影响补气量Ζ 8- 14. , , , . M ao H uayo ngL u C h en Yang B in e t a lA p re lim ina ry inve st iga t io n in to fac to r s inf luenc ing a ir com p en sa t io n o f a ir com p en sa t ing va lve fo r m o to rcyc le ca ta ly t ic co nve r te r [ J . Sm a ll In te rna l Com bu st io n 5 结论 () ( ), 2000, 29 2: 8-14. E ng ine in C h ine se ? 补气孔位置对补气量有较大影响Ζ 在不影响 22, . 5 W u H siao ch ungYang Szem ingEm issio n co n t ro l 发动机性能的前提下, 当补气口和排气口的距离=r50 125 tech no lo g ie s fo r and cc m o to rcyc le in T a iw an 30 时, 可以得到较多的二次空气量Ζmm [. 980938, 1998.R SA E p ap e r 蔡锐彬, 梁精明, 陈子键. 摩托车低排放净化装置的研 6 ? 补气管径和管长对管中气柱的脉动效应影 () 究 [. 小型内燃机与摩托车, 2004, 33 4: 22- 25.J 响较大, 低速时对发动机性能影响较大Ζ 当管径 =d , , . C a i R u ib inL iang J ingm ingC h en Z ijianS tudy o f 8 、管长= 80 时, 二次空气喷射系统与发 mm L mm 2th e p u r if ica t io n equ ipm en t o f low em issio n o n 动机有最佳匹配Ζ [ . m o to rcyc le J Sm a ll In te rna l Com bu st io n E ng ine ? 补气角度对发动机性能影响较小, 所选补气 () ( ), 2004, 33 4: 22- 25. and M o to rcyc lein C h ine se 角度不使喷射受阻即可, 补气角度应在 30?, 60较? 王 建 海, 付 松 青. 催 化 转 化 器 与 二 次 空 气 喷 射 技 术 7 为合适Ζ() 摩托车技术, 2001 3: 5- 6. [J . ? 二次空气量虽然影响排气温度, 但对于本文 W ang J ianh a i, F u So ngq ing. C a ta ly st ic co nve r te r and 的研究对象, 并不影响 和 的氧化, 故在优化 CO H C [ .tech n ic s fo r seco nd a ir in jec t io n sy stem J 设计中, 排气温度可以不必考虑Ζ () ( )2001 3: 5- 6. M o to rcyc le T ech no lo gy, in C h ine se? 补气阀簧片刚度对补气特性有较大影响, 当 毛华永, 雷 丽, 由丽卿 等. 降低摩托车发动机排放的 8 簧片刚度在 100, 500 ƒ之间取值时, 补气性能 N m () 试验研究 [. 小型内燃机, 1999, 28 3: 1- 8.J 较好Ζ , , , . M ao H uayo ngL e i L iYo u L iq inge t a lA n inve st iga t io n in to reduc t io n o f exh au st em issio n s f rom [ . m o to rcyc le eng ine s J Sm a ll In te rna l Com bu st io n 参考文献: () ( )E ng ine, 1999, 28 3: 1- 8. in C h ine se 1 全轶枫. 国产摩托车排气污染物排放水平及机内净化 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56