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工程科技学报

Vol. 10, No. 9 (2015) 1188 - 1202

copy;泰勒大学工程学院

改善发动机排放控制的进气歧管设计

摘要

由于其卓越的可驾驶性，性能和最小的维护，火花点火发动机已广泛应用于多方面领域，例如汽车，工业工程等。然而，汽油发动机也有不太好的地方，因为它们释放各种空气污染物，CO，NOx，HC和等有害排放物。在本文中，对这些气体与政府政策或规范进行了比较，那些增加空气污染的参数已使用创新的工程解决方案最小化。本文描述了对进气歧管及其修改的研究，以实现示例性燃料空气涡流。随后在怠速状态（1300rpm）下的分析中，得出了结论，基于文丘里管的进气歧管在将HC水平从180ppm降低至60ppm（在空转范围为66.6％）。该工作还与入口歧管的各种其他设计互补，即修改进口歧管1和修改入口歧管改2，其中得出结论，修改入口歧管2导致更好的减少污染物。

关键词: 进气歧管， 一氧化碳，二氧化碳，碳氢化合物， NOx。

1. 介绍

工业化的到来和引进汽车已经取得了巨大的进步，但对环境的影响已经很严重。 随着过去几十年来汽车数量的增加，污染数字几乎增加了三倍，导致了不利的环境问题和健康影响。在这种情况下，自90年代以来，由于汽车增长超过人口增长和经济发展，情况已经非常严重。

分类

CO 一氧化碳

HC 碳氢化合物

NO_x 氮氧化物

CO₂ 二氧化碳

A/F 空燃比

SO₂ 二氧化硫

O₃ 氧气

缩写

CI 压缩点火

PM 颗粒物

SI 火花点火

据近期趋势，车辆数量已经上升到近360万辆。

汽车排放对空气污染的影响和影响在过去几十年中引起了公众的广泛关注和研究兴趣[1]。世界银行估计,1995年在德里，每隔70分钟都会有人因为空气污染死亡[2]。车辆和非车辆悬浮造成的PM与人群的不良健康状况有关。目前对于这些污染物造成的死亡率估计在洛杉矶的PM水平上为万分之一，在其他类似情况的国家大都会地区也可能会有相同的效果。动物和人类的实验研究表明，臭氧增加气道渗透性和颗粒清除率，引起气道炎症和杀菌能力降低，以及肺结构改变。对臭氧的急性形态学反应涉及整个呼吸道的上皮细胞损伤，导致细胞丢失和替代[3]。

工作的主要动机是从不断上升的车辆污染水平获得，维持一个清洁的环境已成为工业化社会的重要课题。汽车和摩托车造成的空气污染是要解决的重大环境问题之一[4-6]。

发动机废气还含有许多已知或可疑致癌的化合物，例如苯和多环芳族化合物的混合物[2,3,7]。

在过去的60年中，世界车辆数量从约4000万辆增加到超过7亿辆；这个数字预计到2020年将会增加到更大[8]。

表1显示了汽车研究所（ARAI）提出的排放标准。尽管汽车在道路上多了更多的汽车，但减少一氧化碳，氮氧化物和未燃碳氢化合物的车辆效率导致空气污染大幅度减少[9]。 然而，目前仍然存在重大挑战。

表1. 二轮车和三轮车的排放标准历史

（资料来源： - ARAI印度条例手册）

化石燃料燃烧发动机的汽油排放，无论是压缩点火（CI）还是火花点火（SI），都对我们周围的空气质量产生了影响，影响了环境和人类健康。汽车发动机内化石燃料的不完全燃烧导致未燃烧的碳氢化合物（HC），一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx），硫氧化物（主要是），颗粒物和其他化合物排放到环境中是最需要担心的[10]。

然而，还有其他方式将排放量降低到可观的程度，主要是排放燃料的替代来源。氢被认为是未来化石燃料最重要的替代品之一。通过获得通过以适当比例混合氢气和汽油获得的燃料的新方法可以减少排放[11]。

在全球一级，机动车辆的快速增长导致了能源安全和气候变化的严重影响。运输已经消耗了近一半的世界石油。20世纪90年代以来，由于交通运输的能源消耗和二氧化碳排放量在短短十年内增长了近三倍，其中近一半的增长来自低收入国家[12]。

存在一个问题，妨碍了内燃机的效率，并且引起关注。已知的事实是，内燃机的燃烧室内的旋转运动或湍流空气流有助于燃料的蒸发或雾化，从而产生改进的空气 - 燃料混合物。改进的燃料 - 空气混合物的优点导致更高的功率输出，更低的排放和更高的燃料效率。在空气旋转装置的运行范围内仍然存在问题。内燃机的工作范围是从空转，每分钟低转到宽油门，高转速每分钟。诸如涡轮增压充电器和超级充电器之类的装置的存在已经存在，其中迫使额外的空气进入内燃机的燃烧室以产生增加的功率输出。然而，它们是昂贵的，并且需要高技术的安装能力。此外，这些设备适合于不需要的高性能车辆。虽然这些设备的功率输出显着增加，但它们通常对排放影响不大，这在本文中是主要关注的[13]。

进气歧管对车辆的发动机性能和噪声和污染物的排放有重大影响。发动机输出和应用的差异需要不同的进气歧管设计，以获得最佳的体积效率，从而获得最佳的发动机性能和减少的排放[14]。

歧管的主要和最重要的目的是使空气/燃料混合物进入发动机。对于化油器模型来说，这是非常重要的，即通过歧管尽可能地具有良好的混合物并且几乎没有脉动。 歧管在内部也是粗糙的，以提供更好的混合物并防止液滴粘在墙壁上。直径也是获得正确速度的一个重要参数，保持燃料悬浮在气流中[15]。

长期以来，了解到进气歧管的设计对往复式发动机的性能有很大的影响。传感器的不稳定性质意味着歧管对充放电的影响取决于发动机转速。歧管必须设计成使发动机能够吸入空气，因此歧管的内径必须能够容纳大量空气流，以避免体积小的效率。另一方面，如果进气歧管流路太受限制，则不能确保期望的高空气速度和湍流，并且因此将影响其携带燃料液滴的能力以及增强蒸发和空气 - 燃料混合。为了最小化流动阻力，歧管应没有尖锐的弯曲，内壁表面应该是光滑的。此外，歧管的阻抗是进入其的脉冲的频率的函数，因此可以调谐发动机歧管以给出作为速度的函数的特定功率输出特性[16]。

先前已经使用各种设计来研究进气歧管的几何形状，而不改变发动机规格，在油门开度比较大的条件下。流体进入燃烧室的运动对于加速燃料蒸发是重要的，以增强空气 - 燃料混合和提高燃烧速度和效率。 由于所涉及的高速度，发动机系统内的空气流动是湍流，这导致发动机内的热力学热传递速率增加一个数量级。随着发动机转速的增加，流量增加，从而增加涡流，挤压和湍流强度。这增加了燃料蒸发的实时速率，燃料蒸汽与空气的混合和燃烧。当发生点火时，上死点附近的高湍流对于燃烧是非常需要的，因为其分解并且使火焰前端传播速度快许多倍[17]。

在诱导过程中使用两种一般方法来产生涡流。在第一种方法中，通过将气流朝向气缸壁（螺旋形端口）切向气缸中流动而产生涡流，并且在第二种方式中，在歧管流道中产生涡流，使得流体在其进入圆筒。有关IC发动机涡流增强的几项研究报告已经报道，涡流有助于空气燃料混合物的混合并提高燃烧速率。

图 1.有用的空气燃料混合汽油范围[18]。

在压缩结束时旋转，燃烧开始将由于活塞的向上运动而进入湍流运动。较高水平的涡流不会改善燃烧和排放；相反，它会降低体积效率，因为产生的漩涡会降低流动流体的动能[19]。图1和图2显示了有用的空气 - 燃料混合比和设置描述。

目前的工作目标是通过在单缸Bajaj Discover 135 ccreg;发动机上使用不同且独特设计的进气歧管来减少总体排放。重要的参数是NOx，CO2，HC和CO排放以及排放特性的比较分析。

图2.测试引擎线路图设置。

2. 实验装置

实验装置如图1所示。3，由试验机，废气分析仪和各种测量设备组成。单缸四冲程SI发动机用作测试引擎。

表2给出了试验发动机的规格如下：表3给出了废气分析仪的规格。发动机在表2中给出的排气分析仪上进行测试。进气歧管（Bajaj Discover 135cc）的一端连接到化油器，另一端连接到图1所示的燃烧室3。

表2.用于测试进口歧管各种设计的发动机的规格