GDI發動機排氣系統性能優化分析

王新建，劉大明，高群

(天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222)

0 引言

發動機排氣系統管路比較復雜，物理參數較多，參數的變化會直接影響發動機背壓、燃燒室內廢氣殘存和可燃混合氣的比例，最終導致動力性、經濟性和排放性發生變化。傳統的排氣系統開發過程較為漫長，需要對排氣系統的物理參數反復修改，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，發動機工作過程的開發也取得了長足進步，極大地縮短了研究時間，降低了開發費用。因此，有必要對發動機的排氣系統進行相應的仿真計算，以加快排氣系統開發過程。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動機的進排氣等系統進行了深入研究[1-7]，為后續系列產品的開發奠定了堅實基礎。本文作者利用GT-Power模擬仿真軟件對Phase110型發動機進行建模仿真，改變排氣系統物理參數，通過分析發動機性能的變化情況，確定合適的排氣系統參數。

1 GDI發動機仿真模型的建立

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

圖1 GDI發動機整機工作過程仿真計算模型

表1 四缸直噴式發動機的結構參數

2 GDI發動機性能仿真

在GT-Power軟件中，選擇發動機的典型轉速3 600 r/min，負荷最大的開度節氣門為90%，發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 排氣總管長度對發動機性能的影響

對比不同排氣總管長度的發動機缸內壓力、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動機缸內壓力、NOx濃度

2.2 排氣總管的直徑對發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動機缸內壓力、CO質量分數，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質量分數最大，在排氣總管直徑為75 mm時，燃燒的CO質量分數最小。因為排氣總管直徑增大，發動機排氣就會加快，排放順暢，有利于排氣，從而導致燃燒的CO質量分數變小。

2.3 排氣歧管長度對發動機性能的影響

對比不同排氣歧管長度的發動機缸內壓力、NOx質量分數，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：隨著發動機排氣歧管長度的增加，NOx質量分數先減小后增大；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動機缸內壓力和NOx排放

2.4 排氣歧管直徑對發動機性能的影響

對比不同排氣歧管直徑的發動機缸內壓力、NOx質量分數曲線，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：隨著發動機排氣歧管直徑的增加，缸內壓力逐漸減小。當發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，越容易造成發動機缸內壓力變小。

從圖5(b)可知：NOx質量分數隨著排氣歧管直徑的增大而增大，混合氣在發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動機缸內壓力、NOx濃度曲線

2.5 排氣道長度對發動機性能的影響

對比不同排氣道長度的發動機缸內壓力、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質量分數不斷增加。排氣道長度較短時，發動機排氣順暢，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質量分數曲線

2.6 排氣道直徑對發動機性能的影響

對比不同排氣道直徑的發動機缸內壓力和NOx質量分數，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型發動機進行建模仿真，通過改變排氣系統的物理參數，對比分析發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，從節能和環保的角度考慮，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。