GDI发动机排气系统性能优化分析

王新建，刘大明，高群

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

0 引言

发动机排气系统管路比较复杂，物理参数较多，参数的变化会直接影响发动机背压、燃烧室内废气残存和可燃混合气的比例，最终导致动力性、经济性和排放性发生变化。传统的排气系统开发过程较为漫长，需要对排气系统的物理参数反复修改，进行大量试制和测试，耗费资源和时间。随着计算机仿真技术的进展，发动机工作过程的开发也取得了长足进步，极大地缩短了研究时间，降低了开发费用。因此，有必要对发动机的排气系统进行相应的仿真计算，以加快排气系统开发过程。清华大学的帅石金、天津大学宋崇林等多位研究人员均对此类发动机的进排气等系统进行了深入研究[1-7]，为后续系列产品的开发奠定了坚实基础。本文作者利用GT-Power模拟仿真软件对Phase110型发动机进行建模仿真，改变排气系统物理参数，通过分析发动机性能的变化情况，确定合适的排气系统参数。

1 GDI发动机仿真模型的建立

为了对发动机的总体性能进行计算和分析，需利用GT-Power软件建立GDI发动机整机工作过程仿真计算模型，如图1所示。发动机计算模型由进排气系统、燃料供给系统、点火系统、曲柄连杆机构、配气机构组成，发动机的结构参数如表1所示。

图1 GDI发动机整机工作过程仿真计算模型

表1 四缸直喷式发动机的结构参数

2 GDI发动机性能仿真

在GT-Power软件中，选择发动机的典型转速3 600 r/min，负荷最大的开度节气门为90%，发动机水油温度设置在GB/T 18297-2001要求的范围内：水温设置为88 ℃，油温为93 ℃。

2.1 排气总管长度对发动机性能的影响

对比不同排气总管长度的发动机缸内压力、NOx浓度，如图2所示，排气总管的长度L1分别取160、210、260、310、360 mm。从图2(a)可知：随着排气总管长度的增加，缸内压力也随之变大，压力峰值逐渐增加，但不明显。从图2(b)可知：NOx浓度随着排气总管增长而变大，排气总管长度较短时，排气相对彻底，进气充分，燃烧较充分，生成的NOx相对较少；当排气总管增长后，滞留在排气管中的废气增加，导致新鲜空气进入发动机气缸的量减少，混合气燃烧不充分，生成的NOx较多。

图2 不同排气总管长度的发动机缸内压力、NOx浓度

2.2 排气总管的直径对发动机工作过程的影响

当排气总管直径D1分别为35、45、55、65、75 mm时，对比不同排气总管直径的发动机缸内压力、CO质量分数，如图3所示。从图3(a)可知：随着排气总管直径的增大，缸内压力先减小后增大，在排气总管直径为45 mm时缸内压力最小。排气总管直径的变化对缸内压力影响较小。

图3 不同排气总管直径的发动机缸内压力和CO排放曲线

从图3(b)可知:随着排气总管直径的增大，在排气总管直径为35 mm时，燃烧的CO质量分数最大，在排气总管直径为75 mm时，燃烧的CO质量分数最小。因为排气总管直径增大，发动机排气就会加快，排放顺畅，有利于排气，从而导致燃烧的CO质量分数变小。

2.3 排气歧管长度对发动机性能的影响

对比不同排气歧管长度的发动机缸内压力、NOx质量分数，如图4所示。排气歧管的长度L2分别为135、185、235、285、335 mm。从图4(a)可知：随着排气歧管长度的增加，缸内压力先减小后增大，在发动机排气歧管长度为235 mm时，缸内压力最小，说明排气歧管过短或者过长都会使发动机缸内压力增加，但增加或减小均不明显。

从图4(b)可知：随着发动机排气歧管长度的增加，NOx质量分数先减小后增大；在排气歧管长度为185、235 mm时，产生的NOx最少；在排气歧管长度为135、335 mm时，产生的NOx较多。当排气歧管过短时，排气相对较快，新鲜空气进入发动机气缸的速度也会加快，气缸内混合气变稀，导致气缸内富氧高温，有利于NOx的生成；当排气歧管太长时，排气相对较慢，新鲜空气进入气缸阻力增大，缸内混合气变浓，燃烧不充分，生成的NOx也会增多。

图4 不同排气歧管长度的发动机缸内压力和NOx排放

2.4 排气歧管直径对发动机性能的影响

对比不同排气歧管直径的发动机缸内压力、NOx质量分数曲线，如图5所示。排气歧管的直径D2分别为32、35、38、41、44 mm。从图5(a)可知：随着发动机排气歧管直径的增加，缸内压力逐渐减小。当发动机排气歧管直径为44 mm时，缸内压力最小。说明排气歧管直径越大，越容易造成发动机缸内压力变小。

从图5(b)可知：NOx质量分数随着排气歧管直径的增大而增大，混合气在发动机气缸内燃烧的时间会相对减少，燃烧不充分，NOx排放量较多；排气歧管直径较小时，混合气在发动机气缸内燃烧的时间较长，燃烧相对充分，所以产生的NOx也相对较少。

图5 不同排气歧管直径的发动机缸内压力、NOx浓度曲线

2.5 排气道长度对发动机性能的影响

对比不同排气道长度的发动机缸内压力、NOx浓度，如图6所示。排气道长度L3分别为75、80、85、90、95 mm。从图6(a)可知，随着排气道长度的增长，流入排气道的废气量就会增加，导致缸内废气相对减少，缸内压力随之减小，缸内最高压力也随之减小。从图6(b)可知，随着排气道长度的增长，燃烧的CO质量分数不断增加。排气道长度较短时，发动机排气顺畅，排放到尾气中的CO较多，所以燃烧的CO质量分数较大；当排气道长度增长后，排气变慢且不顺畅，导致进气阻力增加，燃烧变得不充分，导致CO排放量增加。

图6 不同排气道长度下的缸内压力、CO质量分数曲线

2.6 排气道直径对发动机性能的影响

对比不同排气道直径的发动机缸内压力和NOx质量分数，如图7所示，排气道直径分别选择37、40、43、46、49 mm。

图7 不同排气道直径的发动机缸内压力、NOx排放浓度

从图7(a)可知：随着排气道直径的增大，缸内最高压力随之减小，流入排气道的废气量就会增加，导致缸内废气相对减少，缸内压力也随之减小，但减小幅度较小。从图7(b)可知：排气道直径为37 mm时，NOx排放浓度最高；直径为49 m时，NOx排放浓度最低，NOx浓度随着排气总管直径的增加而变小，排气总管直径较大时，排放阻力较小，排气相对彻底，进气也相对较多，发动机气缸内混合气燃烧相对充分，生成的NOx相对较少。

3 结束语

本文作者利用GT-Power软件对Phase110型发动机进行建模仿真，通过改变排气系统的物理参数，对比分析发动机性能的变化情况，得出排气总管直径和长度的变化对发动机的动力性影响较小，对排放影响较大，排气总管直径为75 mm、长度为160 mm时，排放较低；排气歧管长度和直径的变化对动力性影响不大，但对排放影响较为明显，从节能和环保的角度考虑，长度和直径分别选择185 mm和44 mm时，可以兼顾动力和排放的问题；排气道长度和直径对动力性和排放都有明显影响，在充分满足动力性的情况下，从节能减排的大趋势考虑，选择排气道长度为75 mm、直径为49 mm时，动力性相对更好，排放更低。