脉冲二次空气喷射系统的研究与应用

张更娥，滕庆庆 ，周清 ，陈艳梅

（1.南宁学院，广西 南宁 530200；2.广西大学机械工程学院，广西 南宁 530000）

脉冲二次空气喷射系统的研究与应用

张更娥1，滕庆庆2，周清2，陈艳梅2

（1.南宁学院，广西 南宁 530200；2.广西大学机械工程学院，广西 南宁 530000）

为了达到节能减排的目的，采用AVL FIRE与发动机台架试验相结合的方法，对发动机脉冲二次空气喷射系统进行结构设计优化分析，并在台架上进行实验验证。设计出一种能够提高发动机功率、降低油耗并减少排放的脉冲二次空气喷射系统。

脉冲二次空气喷射系统；结构设计；研究

1 汽车尾气的排放及污染

根据美国的研究报导，空气中的污染排放物，50%来源于汽车，机动车排气污染物对生态环境产生极其严重的污染，并且直接、持续不断地危害人体健康。汽车对环境空气污染的大小与汽车的总数量及汽车排出的有害物（一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等）、蒸发排放物的浓度有关。

目前，全世界的汽车保有量已超过6亿辆，全世界每1000人拥有汽车110辆。全世界的汽车保有量以每年3000万辆的速度增长。中国的汽车保有量已超过l000万辆，哈尔滨市机动车保有量达二十三万余辆，并以每年 10%的数量增加。随着我国汽车保有量的增加，汽车污染也日趋严重。早在“九五”期间，对几个重点城市汽车污染的调查就显示，汽车已成为城市大气中最重要的污染源，而且其贡献率远远超过其他污染源[1][2](如表1)。

表1 汽车尾气污染率

随着我国经济的发展，对汽车排放污染物进行控制的要求越来越迫切，自从1983年我国颁布了第一批机动车尾气污染控制排放标准开始，到目前为止，我国汽车尾气法规大体上采用欧洲标准体系[3]（如表2）。

表2 我国尾气排放标准

2 脉冲二次空气喷射系统原理

脉冲型二次空气喷射系统的工作原理是利用排气背压，在一定的工况下，将新鲜空气引入到排气尾管中，使废气污染物中的中的HC化合物和CO在排气管内与新鲜空气进一步氧化，反应生成无色无味的水和CO2。通常我们所使用的空气喷射装置主要可分为主动式和被动式两种，其工作原理如图1、图2所示。在电控发动机上主要安装被动式空气喷射装置（不带空气泵）[4]。

图1 主动式脉冲二次空气喷射系统

图2 电控脉冲二次空气喷射系统

电磁阀与单向阀接在进气管中，当排气中的压力为脉冲压力波，排气压力为负时，ECU控制电磁阀打开，使新鲜空气进入排气管中；排气压力为正时，单向阀关闭，防止空气倒流。

3 脉冲空气喷射系统的研究设计

3.1 脉冲空气喷射系统的设计原理

该脉冲二次空气喷射系统是在现有的系统基础上增加一个旋流增压器和一个旋流减压器，将旋流增压器安装在发动机对新鲜空气进行增压，而旋流减压器安装在排气管后三元催化器之前进行减压，补气管一端安装在旋流增压器之后，另一端安装在旋流减压器之后，新鲜空气在经过旋流增压器增压及旋流减压器减压造成的压力差后，形成一个负压脉冲，从补气管对排气管进行二次补气，从而使 CO、HC和 Nox等污染物在三元催化器中催化剂的催化反应下进行氧化—还原化学反应，达到降低排放，减小发动机损失，提高发动机效率的功用。

本文利用AVL FIRE软件，以电子计算机为工具，运用各种离散化的数学方法，对空气流力学中的的各类问题进行数值实验、仿真模拟和分析研究。由于其数值模拟相对于实验研究有独特的优点，比如成本低、周期短、能获得完整的数据、能模拟出各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用[5]。

AVL FIRE 的工作流程图[6]，如下图3所示。

图3 AVL FIRE的工作流程图

3.2 旋流增压器的结构设计

用proe把画出三维图，所绘制的三维图4所示，从图4可看出，增压器的叶型曲面焊接在喇叭形的圆管上的，五片叶型曲面均匀分布。

图4 增压器三维图

AVL FIRE 软件都配有网格生成(前处理)与流动显示(后处理)模块。设置网格自动生成，用ALV Fire 软件中自带的FAME 工具进行网格划分，把它分成四部分。一部分是内部，一部分是外壳。一部分是进口，一部分是出口，气流进口采用的是质量入流(mass-flow-inlet)边界条件。质量流量和总温均由实验测量得到的数据给出，根据三维模型中的坐标情况设定流动方向为(1,0，0)。气流出口采用的是压力出口边界条件(pressure outlet)，定义出口压力实验所测工况下的排气背压。由于进气的流速较高，在计算中忽视重力对流场的影响。

不同的叶型曲面角度对应着不同的出口界面压力。经过优化设计可知，叶型曲面的弯曲角度取18º增压器出口处的压强最大。

3.3 旋流减压器的结构设计

旋流减压器三维建模结构如图5所示，开口大的一端为出气口，小的一端为进气口。

图5 旋流减压器结构

利用 AVL FIRE 软件进行数值实验、优化仿真，得出弯曲角度为，总长度为L=80mm的旋流减压器最优。

4 实验结论

将该脉冲二次空气喷射系统应用到1.5L发动机上进行台架试验，试验结果分析表明，与原机相比，安装该脉冲二次空气喷射系统之后的发动机输出功率、油耗较都有明显的提高。其中，功率较原机平均升高 2.16%。油耗率较原机相比平均下降 1.44%，尾气中有害气体的含量则略低于原机。由此可以看出，该脉冲二次空气喷射系统达到节能减排的目的效果，通过后期的进一步优化试验，运用到整车中，将有很好的应用前景。

[1] 戴雯.三元催化转换器与二次空气喷射控制[J].汽车实用技术,2003,(07).

[2] 谭宁等.汽车尾气三效催化剂转化器及其最新进展.重庆大学学报,2002,9:90- 92.

[3] 周冬,王磊.国Ⅲ轿车排放达标背景下的排气系统改进措施[J].中国环保产业,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] 邢世凯.二次空气喷射系统的原理与检修[J].汽车维修,2011,(09).

[6] 滕庆庆.基于AVL FIRE的LJ465E发动机排气尾管装置的设计.广西大学硕士研究生论文.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

张更娥，女（1978.9-），讲师，就职于南宁学院。研究方向：汽车运用技术。

广西教育厅高等学校科学研究项目、邕宁区科学研究与技术开发计划项目、南宁学院教授培育工程项目。

CLC NO.:U468

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1671-7988(2017)22-67-03