2010--武汉理工--满足摩托车国Ⅲ排放标准的碳罐匹配技.pdf

武汉理工大学硕士学位论文满足摩托车国排放标准的碳罐匹配技术研究姓名：王平申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：颜伏伍20100501摘要近年来，我国摩托车工业飞速发展，2 0 0 8 年产销量突破2 7 0 0 万辆，出口突破8 0 0 万辆，成为世界摩托车产业大国。与此同时，国内摩托车保有量也稳步增长，已突破8 8 0 0 万辆。如此庞大的数字背后，摩托车排放物对环境的污染越来越严重。国家已经颁布出台了摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法(G B2 0 9 9 8-2 0 0 7)、摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第三阶段，G B l 4 6 2 2 q 0 0 7)，标准中明确规定两轮摩托车自2 0 1 0 年7 月1 日起严格执行国三及燃油蒸发标准，摩托车行业将面临严峻的挑战。目前，我国的摩托车行业现状是化油器式摩托车和电喷式摩托车共存，因此，从技术上解决好两种型式摩托车的燃油蒸发控制问题很有必要而且势在必行。本文首先对化油器式摩托车燃油蒸发控制的发展状况进行了分析。分析表明，摩托车燃油蒸发控制的关键技术主要集中在活性碳罐的工作性能研究及优化、燃油蒸发控制系统与摩托车匹配技术研究。本文对影响活性碳罐工作性能的各种因素进行了研究，并对碳罐内部流场进行了仿真计算，通过对碳罐内部结果的优化来提高其工作能力，通过大量实验验证了提高碳罐工作性能的关键技术路线的正确性。本文对摩托车进气系统的压力分布进行了模拟计算，得到了摩托车进气道系统压力分布规律。进气管内压力与曲轴转角的变化关系的获得为确定碳罐P c V阀开启时间，以及脱附效果提供了理论依据。根据计算及试验结果搭建了化油器式摩托车燃油蒸发控制系统，通过对系统进行国三排放试验、燃油蒸发控制试验，探索了摩托车燃油蒸发控制系统对排发动机排放的影响规律，研究表明该设计理论及燃油蒸发控制系统能够满足国三及燃油蒸发控制标准要求。关键词：摩托车，碳罐，燃油蒸发控制系统，整车匹配，排放控制A b s t r a c tD u r i n gr e s e n ty e a r s，a l o n gw i mt h ei m p r o v e m e n to fm o t o r c y c l ei n d u s t r y,t h ep r o d u c ea n ds a l ea m o u n to ft h em o t o r c y c l ee x c e e d2 7m i l l i o na n dt h ee x p o r ta m o u n te x c e e d8m i l l i o ni n2 0 0 8 A tt h es a m et i m e，t h en u m b e ro fr e t a i n e dm o t o r c y c l eg r e wu ps t e a d i l ya n dr e a c h e d8 8m i l l i o n T h en u m b e rs h o w saf a c tt h a tp o l l u t i o no fm o t o r c y c l ed i s c h a r g ei sd e t e r i o r a t i n g：T h en a t i o nh a sp r o m u l g a t e d m o t o r c y c l ea n dl i g h tm o t o r c y c l ef u e le v a p o r a n te m i s s i o nl i m i t v a l u ea n dt e x t i n gm e t h o d s)(G B2 0 9 9 8-2 0 0 7)、m o t o r c y c l ef u e le v a p o r a n te m i s s i o nl i m i t v a l u ea n dt e x t i n gm e t h o d s)(n a t i o n a lt h i r ds t a g e s，G B14 6 2 2 2 0 0 7)，W h i c hr e q u i r et w o-w h e e lm o t o r c y c l e si m p l e m e n t e dt h eC h i n e s eE m i s s i o nR e g u l a t i o nH Is t a n d a r d sa n df u e le v a p o r a t i v es t a n d a r d ss t r i c t l ys i n c eJ u l y1，2 010 T h em o t o r c y c l ei n d u s t r yw i l lf a c es e r i o u sc h a l l e n g e s C a r b u r e t o rm o t o r c y c l ea n dE F Im o t o r c y c l ec o e x i s t e n c ei st h es t a t u sq u oo fC h i n a sm o t o r c y c l ei n d u s t r y T h e r e f o r e，s o l v et h ef u e le v a p o r a t i o nc o n t r o lp r o b l e m so ft w ot y p e so fm o t o r c y c l ei sn e c e s s a r ya n di m p e r a t i v e F i r s t，f u e lv a p o rc o n t r o lt e c h n o l o g yr e l a t e di s s u e so ft h ec a r b u r e t e dm o t o r c y c l eW a sd e s c r i b e di nt h et h e s i s T h er e s e a r c hi n d i c a t e dt l l a t，t h ek e yt e c h n o l o g yo fm o t o r c y c l ee v a p o r a t i v ee m i s s i o nc o n t r o lf o c u so nt h ea c t i v a t e dc a r b o nc a n i s t e r sp e r f o r m a n c ea n dm a t c h i n ge v a p o r a t i v ee r n i s s i o nc o n t r o ls y s t e mt om o t o r c y c l e T h ee f f e c tf a c t o r so fa c t i v a t e dc a r b o nc a n i s t e r sp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d，a n dh a ss i m u l a t e dt h ef l o wd i s t r i b u t i o ni n s i d et h ec a n i s t e r T h er e s u l t sw e r eu s e dt oo p t i m i z ec a n i s t e r sp e r f o r m a n c e，al o to fe x p e r i m e n t sh a v ev e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft e c h n i c a la p p r o a c h e s S e c o n d，t h es i m u l a t i o ns t u d yw a sc a r r i e do u to nt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fm o t o r c y c l ei n t a k es y s t e m，a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fp r e s s u r eW a sa c q u i r e d T h ei n t a k ep r e s s u r ev i ae n g i n ec r a n ka n g l eh a sp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i st od e t e r m i n et h eo p e n i n gt i m eo f P C Vv a l v ea n dd e s o r p t i o ne f f e c t s Af u e lv a p o rc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fc a r b u r e t e dm o t o r c y c l ew a sb u l i t，w h i c hW a sb a s e do nc a l c u l a t i o n sa n dt e s tr e s u l t s T h r o u g ht h eC h i n e s eE m i s s i o nR e g u l a t i o nI I It e s t i n ga n df u e lv a p o rc o n t r o lt e s t s，t h er u l e sw h i c he v a p o r a t i v ee m i s s i o nc o n t r o ls y s t e ma f f e c tt h ee m i s s i o n sh a sb e e ns t u d i e d，t h er e s e a r c hp r o v e dt h a t：t h i sd e s i g nt h e o r ya n dt h ef u e lv a p o rc o n t r o ls y s t e mC a nm e e tt h eC h i n e s eE m i s s i o nR e g u l a t i o nH Is t a n d a r d sa n df u e lv a p o rI lc o n t r o ls t a n d a r d s K e yw o r d s：m o t o r c y c l e，c a r b o nc a n i s t e r，F u e lE v a p o r a t i v eE m i s s i o nS y s t e m，m a t c h i n ge m i s s i o nc o n t r o lI I I独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文使用授权书沙【。C 厂名本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)(捌：畸聊(群日期训曦武汉理工大学硕士学位论文1 1 项目背景第1 章绪论随着我国摩托车产量及社会保有量的日益增加，摩托车对大气的污染不容忽视。我国政府对摩托车排气治理已迫在眉睫。从1 9 8 5 年我国颁布摩托车排放标准开始，已经走过了二十几年的历程。在这二十几多年里，摩托车的产量和保有量增长迅猛，同时，摩托车技术也有了较大的进步，摩托车品种也趋于多样性，生产能力大幅度提高，行业竞争十分激烈。摩托车的出口量也增长较快，2 0 0 0 年，我国摩托车的出口量就已经达到2 0 0 万辆，出口量约占总产量的1 6，出口主要市场在东南亚、南美和非洲一些国家，欧美一些国家的出口量相对较少。假如能够解决摩托车排放问题，对摩托车的出口将变得更加有利。国家环保总局污染控制司统计数字表明，1 9 9 8 年我国摩托车保有量达4 5 0 0万辆，2 0 0 0 年我国摩托车保有量达6 0 0 0 多万辆。截至2 0 0 9 年6 月底，全国摩托车保有量达9 12 2 66 2 1 辆，中国已成为世界第一摩托车大国。但是，我国的摩托车主要用户是中、小城市及广大农村的低端用户，由于摩托车成本、价格及售后服务等问题，化油器摩托车在我国摩托车行业内产销量仍然占有极其重要地位；另外摩托车报废制度也很不健全，摩托车报废手段主要依靠自然淘汰。很多国家已经下令停止生产的车型仍然还在使用。由此看来，尽管我国的摩托车产销量位居世界第一，但国内的摩托车技术水平和使用摩托车技术现状均较差，加上庞大的保有量数据，势必对大气污染造成了相当严重后果。基于以上形势，国家环保部于2 0 0 7 年颁布了摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法(G B2 0 9 9 8-2 0 0 7)n 1、摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第三阶段，G B l 4 6 2 2 2 0 0 7)，规定自2 0 1 0 年7 月1 日起生产和销售的两轮摩托车必须满足国三排放标准和燃油蒸发控制标准口，。1 2 摩托车燃油蒸发控制系统的基本原理及类型燃油蒸发污染物主要是来自燃油箱及燃油油路中溢出排向大气的燃油蒸汽，其主要成分为H C 化合物。由于汽车执行的排放标准早于摩托车，所以，燃武汉理工大学硕士学位论文油蒸发控制技术在汽车上应用已有多年，是较为成熟的技术。目前汽车上应用的燃油蒸发控制技术主要与电喷发动机相匹配，电喷摩托车的燃油蒸发控制技术也可借鉴该项成熟技术，但化油器式摩托车的燃油蒸发控制与之有较大差别。无论是汽车还是摩托车，利用活性炭吸脱附性能建立的活性碳罐燃油蒸发控制系统是全球公认的最有效的燃油蒸发控制技术。根据摩托车的结构特点和摩托车行业化油器、电喷两种型式发动机并存的现状，目前摩托车燃油蒸发控制系统主要有三种类型：传统的燃油蒸发控制系统、脱附控制型燃油蒸发控制系统、电磁阀控制型燃油蒸发控制系统。1 2 1 传统的燃油蒸发控制系统传统的燃油箱盖上有一小孔(通常称为呼吸孔)。借助该孔可平衡汽油在常温、高温下挥发导致燃油箱压力升高以及燃油消耗时出现的燃油箱真空状况。但汽油是一种极易挥发的液体，在摩托车常温静置或使用过程中都会产生大量燃油蒸汽从油箱小孔中溢出排向大气，此即为燃油蒸发排放污染物。燃料蒸发排放控制系统是将一活性碳罐与燃油箱相连，从燃油箱溢出的燃油蒸汽中的H C被活性炭吸附从而避免了对大气的污染；在活性炭吸附的燃油蒸汽达一定饱和度时，可利用发动机进气系统的真空度将活性炭吸附的燃油蒸汽脱附到进气系统引入气缸内燃烧，同时利用活性炭与大气相通，平衡油箱内压力，防止气锁造成熄火。传统的摩托车燃油蒸发控制系统如图1-1。这种传统的燃油蒸发控制系统虽然能够有效地解决燃油蒸汽直接排入大气，减少污染及节约能源，但由于活性碳罐的脱附过程只受P C V 阀控制，而未对脱附流量进行控制，使得脱附过程将会改变原混合气的空燃比，尤其是在发动机冷启动阶段脱附气流将导致混合气变浓，在加速阶段导致混合气变稀，致使脱附后的混合气成分无法满足发动机正常工作，严重影响发动机尾气排放，所以在国三排放标准即将于2 0 1 0年7 月1 实施的背景下，这种非精确控制方式已经不能适应市场及法规的要求了。2武汉理工大学硕士学位论文图1-1 传统蒸发排放控制系统1 2 2 脱附控制型燃油蒸发控制系统传统燃油蒸发控制系统的脱附过程只受P C V 阀的控制，从发动机一启动就开始脱附，而且只要发动机在工作，吸附在活性炭上的燃油蒸汽就一直在脱附。通过试验测定：在活性炭吸附饱和的状态下，5 0 9 6 的燃油蒸汽会在前2 分钟内脱附，这样脱附气流就会将发动机冷启动初期的可燃混合气加浓，而此时催化剂净化尚未开始进入工作状态，从而导致托车的H c 和C O 排放超标，所以必须要对碳罐内燃油蒸汽的脱附加以控制，使吸附在碳罐内燃油蒸汽均匀分阶段脱附进入摩托车的进气系统，尽可能地减少对摩托车混合气成分的影响，才能满足国三排放法规，达到环保节能的效果。图I-2 就是改进后的燃油蒸发控制系统，与图1-1 不同的是，图卜2 使用了一个P C V 控制限流阀来控制脱附燃油蒸气的流量。当摩托车发动机熄火静止时，燃油箱受环境温度变化的影响，其内的燃油蒸汽溢出进入碳罐，被活性炭粉吸附储存在碳罐内；当摩托车运转时，进气系统产生负压就会打开P C V 控制限流阀，进而根据进气系统的真空度实现吸附在碳罐内的燃油蒸汽进行限量脱附，使得燃油蒸气能够均匀地进入摩托车进气系统，有效地减少了对摩托车尾气排放的影响。由于各种摩托车型的发动机、化油器、进气系统及供油系统结构存在差异，武汉理工大学硕士学位论文燃油蒸发控制系统脱附的燃油蒸汽量对排放影响也不一样，所以必须要对每一种车型的燃油蒸发控制系统进行合理的匹配及优化，得到一个最佳的限流值，既要满足燃油蒸发控制法规；又要尽可能的减少对尾气排放的影响，满足尾气排放法规。该控制系统与传统燃料蒸发排放控制系统相比其优点是：合理控制了碳罐内燃油蒸汽的脱附流量，减少了对摩托车尾气排放的影响，同时也降低了生产成本(P C V 控制限流阀也可与碳罐做成一体)。图1-2 脱附控制型燃油蒸发控制系统1 2 3 电磁阀控制型燃油蒸发控制系统电磁阀控制型燃油蒸发控制系统是专门用于电喷摩托车的燃油蒸发控制系统n 1。在活性碳罐的脱附管路上设置一个由电控E C U 控制的电磁阀来控制活性碳罐的脱附过程。由于该系统中采用了由E C U 控制的电磁阀来控制活性碳罐脱附，因此，可实现燃油蒸发控制系统与发动机电控系统的协调工作，从根本上解决了脱附气流对发动机混合气成分的影响，能够保证同时满足燃油蒸发控制及国三排放法规。该燃油蒸发控制系统与汽车燃油蒸发控制类似。系统如图1-3，它使用了一个电磁阀来控制脱附，使其在需要的时候受E C U 控制开启脱附，避开催化剂净化工作的休眠期。其优点是控制精准，脱附及时，能同时满足燃油蒸发控制标准和排放标准；缺点是只能与带有E C U 的电喷发动机匹配。4武汉理工大学硕士学位论文天图卜3 电磁阀控制型燃油蒸发控制系统1 3 摩托车燃油蒸发控制的研究现状与发展趋势近年来，随着摩托车产业的发展、人们环保意识的增强和日益严格的排放法规，摩托车行业开展了燃油蒸发控制研究工作。摩托车燃油蒸发控制技术的研究主要归结为两方面，其一是活性碳罐的工作性能研究，力求提高活性碳罐的吸、脱附能力，减小吸、脱附流动阻力；其二是活性碳罐与摩托车的匹配技术研究，力求在满足燃油蒸发排放法规的前提下，尽量减小脱附燃油蒸汽对发动机工作的影响，满足摩托车的各项使用性能和排放标准。1 3 1 活性碳罐工作性能研究对于提高碳罐工作能力方面的研究主要有如下几个方向：1、通过提高活性炭的质量来提高碳罐的工作能力。活性炭的小颗粒表面上有很多的微孔，当燃油蒸汽流经这些微孔时，由于分子间存在范德华力，H C 分子就被吸附到活性炭的微孔中。当活性炭的吸附达到一定饱和程度且有新鲜空气流经活性炭表面时，H C 分子将被脱附出来。活性炭吸附和脱附H C 的过程是一种物理吸、脱附过程，一般来说，只要是影响活性炭脱附、吸附的因素都应考武汉理工大学硕士学位论文虑到。研究表明，活性炭的吸、脱附性能将直接影响碳罐的工作性能，而要提高碳罐的工作效率，就必须提高活性炭的比表面积，孔的容积率以及孔径的利用率，实验结果表明采用高的比表面积和高的孔容积率材料的活性炭，能大大的提高碳罐的性能。2、通过优化碳罐内部气体流通结构可以增强碳罐活性炭的吸、脱附性能。由于燃油蒸汽中的H C 分子容易扩散以及活性炭具有很强吸附性能，因此通过对活性碳罐进行数值模拟计算，改善活性碳罐内部结构的流动特性，来提高碳罐的工作能力。但计算分析结果还需经过大量的试验验证才能最后确定适合本系统需要的碳罐几何特性。3、碳罐所处的环境温度会很大程度的影响碳罐的工作性能。研究表明，活性炭的吸附的过程是一个吸热过程，H c 分子的吸附伴随着对环境的吸热，如何找到碳罐的合理安装位置，是提高碳罐工作性能的有力措施。通过合理布置活性碳罐的安装位置，实现活性碳罐合理的进出口温度，以及碳罐所处的环境温度将显著提高活性碳罐的工作能力。4、通过改变活性碳罐内部填充成分以及优化活性碳罐内部几何尺寸来提高活性碳罐的工作性能。研究表明，在碳罐中采用不同材料的活性炭对碳罐的工作性能很大，当然碳罐的内部结构尺寸的优化也能大大提高活性炭的吸附能力，继而提高碳罐的工作性能。5、通过提高活性碳罐的脱附性能能有效地提高碳罐的工作性能。活性炭是碳罐的主要工作物质，活性炭的吸、脱附性能决定了碳罐的工作性能。在不改变活性炭成分的况下，提高活性炭的脱附性能将大大提高活性碳罐的工作能力。不改变活性炭成分，提高碳罐的总体空气脱附量是能提高碳罐脱附能力从而提高活性碳罐工作能力的最佳方法。1 3 2 活性碳罐与摩托车的匹配技术研究将活性碳罐应用于摩托车燃油蒸发控制系统，既能将燃油蒸汽吸附在活性碳罐内满足燃油蒸发控制标准的要求，又能将吸附的燃油蒸汽脱附到进气系统引入缸内燃烧，提高燃油经济性。但在摩托车上加装燃油蒸发控制系统不可避免的会改变原有的混合气空燃比，致使已满足国三排放标准的摩托车在使用性能和排放性能方面受到影响。如果细心研读摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法6武汉理工大学硕士学位论文(G B2 0 9 9 8 2 0 0 7)、摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第三阶段，G B l 4 6 2 2 2 0 0 7)标准，不难发现：要同时满足两个标准，对于燃油蒸发控制系统实际存在个矛盾，那就是燃油蒸发控制系统如果吸、脱附量大将易于通过燃油蒸发控制标准，但脱附的燃油蒸汽将对混合气成分有较大影响，对通过国三排放标准不利；反之，如果脱附量小，将对通过国三标准有利而不利于通过燃油蒸发控制标准。因此，活性碳罐与摩托车的匹配技术研究将着力于对燃油蒸发控制系统的脱附过程研究，力求控制脱附时刻、脱附流量使脱附的燃油蒸汽对混合气成分影响尽可能小，结合发动机在不同工况下对可燃混合气成分的要求及三元催化转化器的工作特性，实现加装燃油蒸发控制系统后的摩托车能够满足正常使用性能的要求和国三排放性能要求。1 4 国内外燃油蒸发控制标准情况及燃油蒸发控制现状1 4 1 国外有关燃油蒸发控制标准状况有关国家和地区的摩托车燃油蒸发污染物标准如表1-1 至表1-3 所示。表1-1 美国加州燃油蒸发污染物标准限值摩托车类型车型年H C，g t e s tI 类和I I 类车1 9 8 3 1 9 8 4 年6 0(5 0-2 7 9 m 1)1 9 8 5 年以后2 0I 类2 8 0 m 1)1 9 8 4-1 9 8 5 年6 01 9 8 6 年以后2 0I 类(2 8 0 m 1)1 9 8 6 1 9 8 8 年6 O小批量生产表1-2 美联邦燃油蒸发控制限值排放源实施日期限制，g m 2 d a y实验温度，燃油箱2 0 0 8 年1-52 8油管2 0 0 8 年1 52 3表1-3 泰国摩托车与燃油蒸发相关的标准限值标准号标准限制要求发布日期实施同期T I S l 6 5 0 1 9 9 8蒸发排放2g t e s t1 9 9 9 年7 月2 02 0 0 1 年7 月3 0 日7武汉理工大学硕士学位论文日T I SH C+N O x i 8 9 k m2 0 0 3 年7 月i 日E V A P：2g t e s t或者H C+N O x R 1 4 7，1 4 7 是理想的空燃比系数)，C O 排放很低；过浓混合可燃气状态下(A F 1 4 7)，C 0 排放量随着A F 的减小不断增加。摩托车发动机稳定运转工况时，可燃混合气的A F 值基本稳定在1 4 7，燃料完全燃烧C O 生成量不多。但如其他汽油多缸机的各缸A F 会不同，仍会出现某些气缸A F 2 m m 时选用公式4-1 0 计算A 口。取P=1 0 0 0 0 P a、2 0 0 0 0 P a、3 0 0 0 0 P a、4 0 0 0 0 P a 和5 0 0 0 0 P a，结合公式4-7、4 9、4 1 0 以及D i s c h a r g ec o e f f i c i e n tg e n e r a t o r 工具计算出的A、M 和流量系数值。在环境条件一定的情况下，能否达到超音速只与两端压差P 有关，因此，4 0一石Vr，武汉理工大学硕士学位论文D i s c h a r g ec o e f f i c i e n tg e n e r a t o r 工具同样会在P 达到或超过5 0 0 0 0 P a 时显示达到了超音速条件b 副。4 3 进气压力仿真结果分析通过改变工况边界条件，使发动机转速为7 0 0 0 r m i n 和3 0 0 0 r m i n，节气门开度为1 5 和7 0，由此仿真出高转速下节气门大开度、低转速下节气门大开度，高转速下节气门小开度和低转速下节气门小开度这四种典型工况下的空气质量速度M t(节气门处)和M i v(进气门处)，进气管压力P i m，气缸压力P c y(进气门开启时)和气缸温度T c y 的变化情况。4 3 1 进气压力仿真结果根据有关文献的研究结果m 1，中小节气门开度下的进气压力曲线会在进气行程中相对环境压力发生较大幅度的下降，当发动机转速较高时节气门处会发生超音速现象；而大节气门开度下一般不会发生超音速现象。因此，在仿真1 5 度节气门开度工况时，节气门模块分别使用非超音速条件下和超音速条件下的流量系数值进行计算。在仿真7 0 度节气门开度工况时，节气门模块使用非超音速条件下的流量系数值。由于在气门处了流量系数变化比较复杂，为了简化问题，假设进气管压力与气缸压力在进气门开启过程中跟随性比较好，即进气门处不会发生超音速现象，则进气门模块使用非超音速条件下的流量系数值。这个假设可以在在仿真完成后通过对比进气管压力与气缸压力的仿真结果以验证假设是否成立。图4-5 显示了四种工况下发动机一个循环的进气压力仿真结果。图中，以进气行程开始，即活塞处于上止点时为曲轴O 度转角，显示了从-1 0 度变化到7 1 0度范围内的进气管内的压力变化情况。从进气压力仿真结果图4-5(1)和(2)中可以看到，在1 5 度节气门开度下，无论使用非超音速条件下流量系数值还是超音速条件下流量系数值，7 0 0 0 r m i n和3 0 0 0 r m i n 下的进气管压力下降幅度都超过了5 0 k P a，此时节气门处应该已经发生超音速现象。故使用非超音速条件下流量系数值进行模拟计算的误差会很大。因此在仿真小节气门开度工况时，节气门模块应该选用超音速条件下的流量系数值进行计算。随着发动机转速增加以后，进气管压力下降幅度增大。从使用超音速条件下的流量系数计算获得7 0 0 0 r m i n 和3 0 0 0 r m i n 下的进气管压力曲线中可知，7 0 0 0 r m i n 时的最大压降比3 0 0 0 r m i n 时的最大压降还要大l O k P a 左右，最大压降所对应的曲轴转角也后推了5 度左右。4 1武汉理工大学硕士学位论文从(3)图中可以看到7 0 度节气门开度下，3 0 0 0 r m i n 和7 0 0 0 r m i n 时的进气压力曲线与环境压力的差值小于3 0 k P a，故不会发生超音速现象。说明前面的假设基本正确，计算仿真的结果应该比较接近实际。对比3 0 0 0 r m i n-7 0 度节气门开度工况与7 0 0 0 r m i n：7 0 度节气门开度工况下的进气压力曲线可知，7 0 0 0 r m i n时的最大压降比3 0 0 0 r m i n 时的最大压降还要大2 0 k P a 左右，最大压降所对应的曲轴转角也后推了1 5 度左右，且进气门关闭后，进气管内还会存在较大的压力波。综合图(1)、(2)、(3)可知道，在相同的转速下，小节气门开度时进气管内的压降比大节气门开度时要大的多。但在大节气门开度下，转速变化时，进气管内的压力波动比小节气门开度下压力波动要剧烈得多，而且这个波动会延续到下一个循环的进气过程。1 2 01 I O卜一仿真结果(使，I 攀楣青逮条件下d i 蛔r 即e 币c i M 瞧)卜一仿真结果(使用超音迷蘩件下d i s c h a r g ec o e f f i c i e n t 傻)厂。一7 一-，is点fi，；，拳。仃美葡i 夕f，一、q 一，i01-，1 2 0(1)3 0 0 0 r m i n-1 5 度节气门开度炎竽真荨果使用超寄芋磊件；霎兰“。啪竿e f。e n t 值；，!7 l1，l，歹7f，|，薹，1翁t 夕珂h 关期：一，、-一一(2)7 0 0 0 r m i n-1 5 度节气门开度4 2武汉理工大学硕士学位论文薛、“父，秘。姆。、一，秽气：于一、VI 一洲r 舶w O 度苇气门，f 度仿真站果I 一舢r 州暖节气)开摩嘞聃判(3)3 0 0 0 r m i n 一7 0 度节气门开度与7 0 0 0 r m i n-7 0 度节气门开度图4-5 四种工况下的进气压力仿真结果对比4 3 2 不同工况下的进气压力特性分析四种典型工况下的M P m 以的仿真结果如图3-6 所示，结合进气系统理论模型，分析不同工况下的进气压力特性可以发现：从-1 0 度曲轴转角时进气门提前开启到排气行程的上止点附近，由于缸内残余废气压力高于进气管内新鲜空气压力P。，导致部分废气进入迸气管，因此M h 成负值，P。小幅升高嘶1。排气行程上止点后由于活塞下行，缸内体积膨胀，缸内残余废气压力P。，迅速降低。当P c，低于P。时，新鲜空气开始进入汽缸，M I，为正。吸气过程中，活塞下行速度由快变慢，气缸的抽气作用由强变弱，且由于气门升程是先增大后减少的过程，导致M。，呈现出先上升后下降，并在进气门关闭时回到0 的趋势。节气门开度相同的情况下，M。，的峰值在高转速时要大于低转速时。4 3武汉理工大学硕士学位论文O 0 3晴2o 0 2鹊幽0 0 1嘲驾I t O潮l 一节气f 1 处空气质晕速度I 一进气门处空气质量速度厂厂、=_ 一1 V；富暑邑魁避喇蝥r日H1 8 03 6 05 4 07 1 0曲轴角度(度)：lJ拜厂|弋，一一：，-讲q 门姜铜j、LZ P 一“”“”f _-1 1-m l竺上昱?”一弋砒臆刀1 8 03 6 05 4 07 1 0曲轴角度(度)(1)3 0 0 0 r m i n-1 5 度节气门开度曲轴角度(度lAn，rl l、Z Z 二；堍气门关闭一边气管瑾力一气缸压力，1 8 03 6 05 4 07 1 0曲轴角度(密(2)7 0 0 0 r m i n-1 5 度节气门开度2 119876S432 11 1O O O O O O O OJ 苴vR 递21198765I32 110OOOOOOOo 一五一R 匿武汉理工大学硕士学位论文富高邑魁期喇蜒茸一制怠a邑趟嘲喇1 荟r制一：l。气门关j一：U 7、，!Vi 避气管压力一j=，rn。L 一_、卧皿月(3)3 0 0 0 r m i n 一7 0 度节气门开度l 一种茸t 1 从舟置叠篡喵矗I4I，J u 上、H 皿 霉一I 一进气门处空气质量速度净k、厂，、I 一一、VVyVyV、圈捆用腹魇(4)7 0 0 0 r m in 一7 0 度节气门开度图4 6 四种工况下的M。、M 小P j 和P。，仿真结果对于图4 6 中(1)、(2)所示的小开度工况(1 5 度)，在进气开始阶段，节气门开度较小，因此空气流通面积也比较小，此时的进气截流作用较为明显，使M t 的上升速度低于M j，。当M。与M。，上升到一定限值后，由于产生超音速现象，将不再上升，因此M；=M。一M ，0，进气管内空气质量将减少，P。0，进气管内空气的质量是增加的，P。0 且呈增加趋势。进气门完全关闭后，P h 仍然会小于环境压力凡，此时进气管会继续向环境吸气，而P 佃也会继续上升直到其等于P a。对于图中(3)、(4)所示的大开度情况，由于节气门开度较大，此时截流作用会比较小，由于此时没有达到超音速条件，M t 没有达到限值，故其与M i，始终比较接近，因此M 佃=M。一M i，的值在0 附近变化不大，P。在进气行程中的下降幅度也就要较小节气门开度时小。进气门关闭后，节气门处的M。继续在0 值波动，造成P。在环境压力附近发生震荡。由于M t 波动而造成P。的震荡幅度高转速时要大于低转速时。最后，从P。和仿真的结果可以看到，两者差值小于3 0 k P a，无超音速现象发生。因此4 3 1 节的假设成立，节气门模块应使用非超音速条件下的流量系数值】。4 4 本章小结通过对进气压力建模与验证的研究，得到了如下结论：1)通过进气系统理论模型，反映了进气压力变化率与节气门和进气门处的空气质量速度差值的相关性。2)使用G T P O W E R 模型对摩托车单缸发动机工作状态进行仿真时，在任何工况下，进气门模块都应选用非超音速条件下的流量系数值；而节气门模块在大节气门开度下应选用非超音速条件下流量系数值，在小节气门开度下则选用超音速条件下的流量系数值。3)仿真结果获得了进气管内的压力与曲轴转角的变化情况，该参数的获得，对确定碳罐的脱附阀开启时间、以及可能的脱附效果都有一定的作用。武汉理工大学硕士学位论文第5 章整车匹配实验随着强制性国家标准摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法(G B2 0 9 9 8-2 0 0 7)、摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第三阶段，G B l 4 6 2 2 2 0 0 7)的推出，摩托车安装燃油蒸发控制系统势在必行。我国摩托车行业存在电喷发动机与化油器发动机共存现状，电喷摩托车的燃油蒸发控制可完全借用汽车燃油蒸发控制的成熟技术，而化油器摩托车燃油蒸发控制技术实施起来难度相对较大，只能依靠压力阀控制已吸附燃油蒸汽的脱附过程，结合发动机工作原理和排放控制理论，尽可能减小脱附燃油蒸汽对排放的影响。在前言中作者提到了三种应对燃油蒸发污染控制的系统，大量研究实验和摩托车厂家反馈，目前运用最广的是单向流量型燃油蒸发污染标准H 8 1。作者在和宗申摩托车集团整车匹配实验就是采用了这种方案。5 1 实验设备宗申匹配样车为Z S l 2 5 G Y，柱塞化油器式发动机，排量1 2 5 C C，越野车，油箱容积7 L。底盘测功机，尾气分析仪，碳氢化合物分析仪，燃油箱加热系统，温度记录仪，数据采集器，碳罐。实验设备的技术要求应该都符合摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法(G B2 0 9 9 8-2 0 0 7)和摩托车污染物排放限值及测量方法(中国第三阶段，G B l 4 6 2 2 2 0 0 7)标准。5 2 实验准备a)碳罐选型：根据油箱容积估算燃油蒸发量，碳罐吸附能力是根据燃油箱的容积大小设计确定，其标准为(T P _ 9 0 2)：3 7 8 升的油箱，碳罐要有至少1 4 9 油箱容积(L)的吸附能力；1 9 9