脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張更娥，滕慶慶 ，周清 ，陳艷梅

（1.南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530000）

脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張更娥1，滕慶慶2，周清2，陳艷梅2

（1.南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530000）

為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，采用AVL FIRE與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，并在臺(tái)架上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)出一種能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低油耗并減少排放的脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)。

脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；研究

1 汽車尾氣的排放及污染

根據(jù)美國(guó)的研究報(bào)導(dǎo)，空氣中的污染排放物，50%來(lái)源于汽車，機(jī)動(dòng)車排氣污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極其嚴(yán)重的污染，并且直接、持續(xù)不斷地危害人體健康。汽車對(duì)環(huán)境空氣污染的大小與汽車的總數(shù)量及汽車排出的有害物（一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锏龋⒄舭l(fā)排放物的濃度有關(guān)。

目前，全世界的汽車保有量已超過(guò)6億輛，全世界每1000人擁有汽車110輛。全世界的汽車保有量以每年3000萬(wàn)輛的速度增長(zhǎng)。中國(guó)的汽車保有量已超過(guò)l000萬(wàn)輛，哈爾濱市機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)二十三萬(wàn)余輛，并以每年 10%的數(shù)量增加。隨著我國(guó)汽車保有量的增加，汽車污染也日趨嚴(yán)重。早在“九五”期間，對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)城市汽車污染的調(diào)查就顯示，汽車已成為城市大氣中最重要的污染源，而且其貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他污染源[1][2](如表1)。

表1 汽車尾氣污染率

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)汽車排放污染物進(jìn)行控制的要求越來(lái)越迫切，自從1983年我國(guó)頒布了第一批機(jī)動(dòng)車尾氣污染控制排放標(biāo)準(zhǔn)開始，到目前為止，我國(guó)汽車尾氣法規(guī)大體上采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系[3]（如表2）。

表2 我國(guó)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)

2 脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)原理

脈沖型二次空氣噴射系統(tǒng)的工作原理是利用排氣背壓，在一定的工況下，將新鮮空氣引入到排氣尾管中，使廢氣污染物中的中的HC化合物和CO在排氣管內(nèi)與新鮮空氣進(jìn)一步氧化，反應(yīng)生成無(wú)色無(wú)味的水和CO2。通常我們所使用的空氣噴射裝置主要可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，其工作原理如圖1、圖2所示。在電控發(fā)動(dòng)機(jī)上主要安裝被動(dòng)式空氣噴射裝置（不帶空氣泵）[4]。

圖1 主動(dòng)式脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)

圖2 電控脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)

電磁閥與單向閥接在進(jìn)氣管中，當(dāng)排氣中的壓力為脈沖壓力波，排氣壓力為負(fù)時(shí)，ECU控制電磁閥打開，使新鮮空氣進(jìn)入排氣管中；排氣壓力為正時(shí)，單向閥關(guān)閉，防止空氣倒流。

3 脈沖空氣噴射系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

3.1 脈沖空氣噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

該脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)是在現(xiàn)有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一個(gè)旋流增壓器和一個(gè)旋流減壓器，將旋流增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)新鮮空氣進(jìn)行增壓，而旋流減壓器安裝在排氣管后三元催化器之前進(jìn)行減壓，補(bǔ)氣管一端安裝在旋流增壓器之后，另一端安裝在旋流減壓器之后，新鮮空氣在經(jīng)過(guò)旋流增壓器增壓及旋流減壓器減壓造成的壓力差后，形成一個(gè)負(fù)壓脈沖，從補(bǔ)氣管對(duì)排氣管進(jìn)行二次補(bǔ)氣，從而使 CO、HC和 Nox等污染物在三元催化器中催化劑的催化反應(yīng)下進(jìn)行氧化—還原化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到降低排放，減小發(fā)動(dòng)機(jī)損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的功用。

本文利用AVL FIRE軟件，以電子計(jì)算機(jī)為工具，運(yùn)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)空氣流力學(xué)中的的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、仿真模擬和分析研究。由于其數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如成本低、周期短、能獲得完整的數(shù)據(jù)、能模擬出各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)、改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用[5]。

AVL FIRE 的工作流程圖[6]，如下圖3所示。

圖3 AVL FIRE的工作流程圖

3.2 旋流增壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用proe把畫出三維圖，所繪制的三維圖4所示，從圖4可看出，增壓器的葉型曲面焊接在喇叭形的圓管上的，五片葉型曲面均勻分布。

圖4 增壓器三維圖

AVL FIRE 軟件都配有網(wǎng)格生成(前處理)與流動(dòng)顯示(后處理)模塊。設(shè)置網(wǎng)格自動(dòng)生成，用ALV Fire 軟件中自帶的FAME 工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把它分成四部分。一部分是內(nèi)部，一部分是外殼。一部分是進(jìn)口，一部分是出口，氣流進(jìn)口采用的是質(zhì)量入流(mass-flow-inlet)邊界條件。質(zhì)量流量和總溫均由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)給出，根據(jù)三維模型中的坐標(biāo)情況設(shè)定流動(dòng)方向?yàn)?1,0，0)。氣流出口采用的是壓力出口邊界條件(pressure outlet)，定義出口壓力實(shí)驗(yàn)所測(cè)工況下的排氣背壓。由于進(jìn)氣的流速較高，在計(jì)算中忽視重力對(duì)流場(chǎng)的影響。

不同的葉型曲面角度對(duì)應(yīng)著不同的出口界面壓力。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，葉型曲面的彎曲角度取18o增壓器出口處的壓強(qiáng)最大。

3.3 旋流減壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋流減壓器三維建模結(jié)構(gòu)如圖5所示，開口大的一端為出氣口，小的一端為進(jìn)氣口。

圖5 旋流減壓器結(jié)構(gòu)

利用 AVL FIRE 軟件進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化仿真，得出彎曲角度為，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=80mm的旋流減壓器最優(yōu)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

將該脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)應(yīng)用到1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分析表明，與原機(jī)相比，安裝該脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)之后的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、油耗較都有明顯的提高。其中，功率較原機(jī)平均升高 2.16%。油耗率較原機(jī)相比平均下降 1.44%，尾氣中有害氣體的含量則略低于原機(jī)。由此可以看出，該脈沖二次空氣噴射系統(tǒng)達(dá)到節(jié)能減排的目的效果，通過(guò)后期的進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)，運(yùn)用到整車中，將有很好的應(yīng)用前景。

[1] 戴雯.三元催化轉(zhuǎn)換器與二次空氣噴射控制[J].汽車實(shí)用技術(shù),2003,(07).

[2] 譚寧等.汽車尾氣三效催化劑轉(zhuǎn)化器及其最新進(jìn)展.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2002,9:90- 92.

[3] 周冬,王磊.國(guó)Ⅲ轎車排放達(dá)標(biāo)背景下的排氣系統(tǒng)改進(jìn)措施[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2005,(10).

[4] Peri D, Rossetti M, Campana E F. Design optimization of ship hull via CFD techniques[J]. Journal of Ship Research,2001, 45(2).

[5] 邢世凱.二次空氣噴射系統(tǒng)的原理與檢修[J].汽車維修,2011,(09).

[6] 滕慶慶.基于AVL FIRE的LJ465E發(fā)動(dòng)機(jī)排氣尾管裝置的設(shè)計(jì).廣西大學(xué)碩士研究生論文.2016,5.

The Study and Apply of Pulse Secondary Air Injection System

Zhang Genge1, Teng Qingqing2, Zhou Qing2, Chen Yanmei2
( 1.Nanning University, Guangxi Nanning 530200; 2.Guangxi University, Guangxi Nanning 530000 )

Abstract:In order to achieve the goal of energy conservation and emissions reduction, by adopting the combina-tion of AVL FIRE and engine bench test method, making optimization of structural design for a secondary air injection system on engine pulse, and experimental verification on the bench.Design a pulse secondary air injection system of improving the engine power, reducing fuel consumption and emissions.

pulse secondary air injection system; structure design;study

U468

A

1671-7988(2017)22-67-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.023

張更娥，女（1978.9-），講師，就職于南寧學(xué)院。研究方向：汽車運(yùn)用技術(shù)。

廣西教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目、邕寧區(qū)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、南寧學(xué)院教授培育工程項(xiàng)目。

CLC NO.:U468

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1671-7988(2017)22-67-03