小型通用汽油机排放的研究
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表 2 不同过量空气系数下样机的功率和比油耗 Table 2 Power(Pe) and specific fuel consumption (be) with different coefficients of excess air
过量空气系数 0.85 0.88 0.91 0.94 0.97 1.00 1.05 功率/kW 3.53 3.58 3.62 3.56 3.49 3.43 3.31 3.24 比油耗/g·(kW·h)-1 352.6 336.5 318.8 308.9 301.3 297.1 294.1 299.3
油耗和排放数值，研究发动机的性能变化；性能测试的 同时进行示功图的数据采集，在示功图数据处理的基础 上进行放热规律的计算[8-10] ，研究样机工作过程的变化, 即：采用试验和计算相结合的方法来探讨样机的动力性、 经济性及排放性能的综合优化措施。在研究过程中涉及 到的示功图数据采集和处理、放热规律计算模型的建立 和计算过程在文中不再详述。
3
整机性能优化
从图 7 可以看出随着点火提前角的减小，HC、CO 和 NOx 都呈现下降的趋势。作者分析点火提前角减小，
在上述试验和计算分析的基础上，作者对样机的点 火提前角和过量空气系数进行了优化设置， 按照美国 EPA 对小型通用汽油机排放测试循环的规定进行了试验。点
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农业工程学报
2009 年
对于样机的工作过程，从图 4 可以得到，过量空气 系数在 0.91 时爆发压力最大：为 2.38 MPa，此时样机动 力性最好；过量空气系数在 1.05 时爆发压力最小：为 1.84 MPa，此时样机动力性最差。两种状态比较，爆发压 力下降了 22.7%， 所以混合气浓度对样机动力性影响非常 大。从放热规律的计算（见图 5）可知，过量空气系数在 0.91 时放热率峰值最大；过量空气系数在 1.05 时，放热 率峰值下降明显，且曲线包围区域明显拖后。 通过上述可知，过量空气系数对样机的着火火核的 形成、燃烧速度和燃烧稳定性是有明显影响的，在过量 空气系数小时（浓混合气，如 0.85 时） ，燃烧较不充分， 表现为：爆发压力较小，功率较小、油耗高，由于氧气 不足，HC 和 CO 排放高，NOx 排放少，同时着火火核形 成稳定，燃烧波动小发动机运转稳定；在过量空气系数 大时（稀混合气，如 1.05 时） ，氧气充足，燃烧充分，但
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引
言
中国的小型通用汽油机在近年有了长足的进步，已 逐渐成为世界通用小型汽油机的生产基地，但和欧美相 比仍有较大的差距。中国大部分小型通用汽油机出口欧 美，这就要求必须达到欧美等国家的排放法规及各类安 全标准[1-3]。由于中国相关排放法规的不完善，导致生产 企业控制排放的意识不强，偏面追求发动机运转的稳定 性和动力性，导致发动机油耗高，排放差，而且企业缺 少技术支撑，发动机的相关参数设置不够合理[4,5]。因此， 对小型通用汽油机的工作过程研究和性能优化对提高产 品质量、消除技术壁垒有重要的意义。为了达到欧美国 家的排放法规， 可以对通用汽油机使用尾气后处理技术[6] [7] ，本文的研究重点是不使用尾气后处理，通过机内净化 措施，使得研究样机达到现行的美国 EPA 第二阶段排放 限值，并且具有达到 EPA 第三阶段排放限值的潜力。本 文选取国内产量和出口量都非常大的 168F 汽油机为研究 样机，通过机内措施，即：通过调整过量空气系数和点 火提前角，合理组织混合气的形成和燃烧过程；通过工 作过程的研究，过量空气系数和点火提前角的合理设置， 取得整机综合性能的优化。
表 3 样机优化后排放测试结果 Emission testing results after optimized sample engine
整机排放试验结果/g·(kW·h)-1 10 0.942 0 0.957 CO 336.75 HC 6.10 NOx 3.71 HC+NOx 9.81
EPA 第Ⅱ阶段 B 测试循环工况 100 0.885 75 0.884 50 0.903 25 0.930
第6期
王
建等：小型通用汽油机排放的研究
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是燃烧速度减慢，燃烧滞后，表现为：爆发压力小、功 率小、油耗低，HC 和 CO 排放减少，NOx 排放增加。综 合而言， 过量空气系数在 0.9 左右时， 样机综合性能最优。 2.2 点火提前角的影响 点火提前角是影响汽油机工作性能的主要因素之 一，但是汽油机的不同性能参数对应的最佳点火提前角 是不一样的。所以，有必要研究点火提前角对样机动力 性、经济性、排放性和工作过程的影响，为合理设置点 火提前角提供依据。 试验时保持节气门开度、转速和混合气浓度一定， 采用不同的点火提前角，记录样机的扭矩、转速和排放 数值，同时进行示功图的数据采集。 不同点火提前角时样机的功率和油耗的变化见图 6， 排放的变化见图 7，示功图的变化见图 8，放热规律的计 算结果见图 9， 放热率曲线包围面积的形心位置曲线见图 10，放热率曲线包围面积的形心位置可以表征主燃烧过 程距离上止点的远近。 从样机功率、 油耗可以看出点火提前角在 23CA 时， 功率最大， 油耗最小。 这是因为点火提前角大 （如 33CA） 时， 样机损失了更多的压缩功； 点火提前角小 （如 13CA） 时，燃烧滞后，膨胀功损失增加，这都导致了功率和油 耗的恶化，从图 10 能更加直观的得出相同的结论。
基金项目：常州市科技资助项目（XE120060813） 建（1978－） ，男，江苏徐州人，博士研究生，研究方向： 内燃机工作过程和排放控制。 镇江 江苏大学汽车与交通工程学院， 212013。 Email：wangjian@
Fig.1
图 1 试验装置示意图 Sketch map of testing device
降低了缸内的燃烧温度，抑制了 NOx 的生成；同时燃烧 后移，延长了后燃期，增加了排气温度，增加了 CO 和 HC 的氧化时间和氧化速度， 从而降低了 CO 和 HC 的排 放。
Fig.8
图 8 不同点火提前角下样机的示功图 Cylinder pressure with different ignition timing
Fig.5
图 5 不同过量空气系数下样机放热率 Heat release rate with different coefficients of excess air
对于样机的性能，从表 2 可以看出过量空气系数在 0.88～0.94 之间功率最优，在 1.05 附近经济性最优，功 率和油耗的最佳值对过量空气系数的要求是矛盾的，从 试验过程来看，过量空气系数在 1.07 以后样机的功率和 转速波动增大，运转稳定性变差。同时参考排放数值（见 图 3） ，随着过量空气系数的增大，CO 和 HC 排放呈现下 降的趋势，NOx 排放先增加然后降低的趋势；从数值上 看。过量空气系数在 1.0～1.1 之间，CO 和 HC 排放数值 最低，NOX 排放最高。
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农业工程学报
2009 年
Fig.2
图 2 示功图数据采集示意图 Sketch map of collecting the pressure data
2
试验和计算结果分析
过量空气系数的影响 小型通用汽油机的混合气形成是通过化油器供给， 通过匹配不同化油器的主量孔、怠速量孔和空气量孔调 整样机的过量空气系数[11,12]而形成的。 以样机的标定转速、全负荷为试验工况，点火提前 角定为上止点前 13CA 进行研究。不同过量空气系数下 样机的功率和比油耗见表 2，排放的变化见图 3，示功图 的变化见图 4，放热规律的变化见图 5。
第 25 卷 第 6 期 2009 年 6月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.25 No.6 Jun. 2009
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小型通用汽油机排放的研究
王 建，刘胜吉
（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013） 摘 要：以 168F 汽油机为样机，通过改变点火提前角和混合气浓度供给实测了样机的功率、油耗和排放数值。通过发 动机示功图采集和放热规律计算，研究了点火提前角和混合气浓度对样机工作过程的影响，探讨了与样机匹配的点火提 前角和混合气浓度的最佳值。通过上述试验研究和理论分析，在不使用尾气催化转化器的情况下，使得样机达到 EPA 第 二阶段排放限值，并且具有达到 EPA 第三阶段排放限值的潜力。 关键词：通用汽油机，排放控制，模拟计算方法，点火提前角，混合气浓度 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.06.024 中图分类号：TK411.5 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-6-0131-05 王 建，刘胜吉. 小型通用汽油机排放的研究[J]. 农业工程学报，2009，25(6)：131－135. Wang Jian, Liu Shengji. Investigation on emissions from small utility gasoline engine[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(6)： 131－135.(in Chinese with English abstract)
图 3 不同过量空气系数下样机 HC、CO、NOx 排放 Fig.3 CO, HC and NOx emission with different coefficients of excess air
1.07
Fig.4
图 4 不同过量空气系数下样机的示功图 Cylinder pressure with different coefficients of excess air
Table 1 表 1 168F 汽油机结构参数 Parameters of 168F gasoline engine
单缸、四冲程、顶置气门、 强制风冷、手拉起动 68×45 163.3 8.5 TCI 3.2/3600
结构型式 缸径×行程/mm 总排量/cm3 压缩比 点火系统 标定功率及转速/kW/ r·min-1
过量空气系数 0.85 0.88 0.91 0.94 0.97 1.00 1.05 功率/kW 3.53 3.58 3.62 3.56 3.49 3.43 3.31 3.24 比油耗/g·(kW·h)-1 352.6 336.5 318.8 308.9 301.3 297.1 294.1 299.3
油耗和排放数值，研究发动机的性能变化；性能测试的 同时进行示功图的数据采集，在示功图数据处理的基础 上进行放热规律的计算[8-10] ，研究样机工作过程的变化, 即：采用试验和计算相结合的方法来探讨样机的动力性、 经济性及排放性能的综合优化措施。在研究过程中涉及 到的示功图数据采集和处理、放热规律计算模型的建立 和计算过程在文中不再详述。
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整机性能优化
从图 7 可以看出随着点火提前角的减小，HC、CO 和 NOx 都呈现下降的趋势。作者分析点火提前角减小，
在上述试验和计算分析的基础上，作者对样机的点 火提前角和过量空气系数进行了优化设置， 按照美国 EPA 对小型通用汽油机排放测试循环的规定进行了试验。点
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农业工程学报
2009 年
对于样机的工作过程，从图 4 可以得到，过量空气 系数在 0.91 时爆发压力最大：为 2.38 MPa，此时样机动 力性最好；过量空气系数在 1.05 时爆发压力最小：为 1.84 MPa，此时样机动力性最差。两种状态比较，爆发压 力下降了 22.7%， 所以混合气浓度对样机动力性影响非常 大。从放热规律的计算（见图 5）可知，过量空气系数在 0.91 时放热率峰值最大；过量空气系数在 1.05 时，放热 率峰值下降明显，且曲线包围区域明显拖后。 通过上述可知，过量空气系数对样机的着火火核的 形成、燃烧速度和燃烧稳定性是有明显影响的，在过量 空气系数小时（浓混合气，如 0.85 时） ，燃烧较不充分， 表现为：爆发压力较小，功率较小、油耗高，由于氧气 不足，HC 和 CO 排放高，NOx 排放少，同时着火火核形 成稳定，燃烧波动小发动机运转稳定；在过量空气系数 大时（稀混合气，如 1.05 时） ，氧气充足，燃烧充分，但
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引
言
中国的小型通用汽油机在近年有了长足的进步，已 逐渐成为世界通用小型汽油机的生产基地，但和欧美相 比仍有较大的差距。中国大部分小型通用汽油机出口欧 美，这就要求必须达到欧美等国家的排放法规及各类安 全标准[1-3]。由于中国相关排放法规的不完善，导致生产 企业控制排放的意识不强，偏面追求发动机运转的稳定 性和动力性，导致发动机油耗高，排放差，而且企业缺 少技术支撑，发动机的相关参数设置不够合理[4,5]。因此， 对小型通用汽油机的工作过程研究和性能优化对提高产 品质量、消除技术壁垒有重要的意义。为了达到欧美国 家的排放法规， 可以对通用汽油机使用尾气后处理技术[6] [7] ，本文的研究重点是不使用尾气后处理，通过机内净化 措施，使得研究样机达到现行的美国 EPA 第二阶段排放 限值，并且具有达到 EPA 第三阶段排放限值的潜力。本 文选取国内产量和出口量都非常大的 168F 汽油机为研究 样机，通过机内措施，即：通过调整过量空气系数和点 火提前角，合理组织混合气的形成和燃烧过程；通过工 作过程的研究，过量空气系数和点火提前角的合理设置， 取得整机综合性能的优化。
表 3 样机优化后排放测试结果 Emission testing results after optimized sample engine
整机排放试验结果/g·(kW·h)-1 10 0.942 0 0.957 CO 336.75 HC 6.10 NOx 3.71 HC+NOx 9.81
EPA 第Ⅱ阶段 B 测试循环工况 100 0.885 75 0.884 50 0.903 25 0.930
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王
建等：小型通用汽油机排放的研究
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是燃烧速度减慢，燃烧滞后，表现为：爆发压力小、功 率小、油耗低，HC 和 CO 排放减少，NOx 排放增加。综 合而言， 过量空气系数在 0.9 左右时， 样机综合性能最优。 2.2 点火提前角的影响 点火提前角是影响汽油机工作性能的主要因素之 一，但是汽油机的不同性能参数对应的最佳点火提前角 是不一样的。所以，有必要研究点火提前角对样机动力 性、经济性、排放性和工作过程的影响，为合理设置点 火提前角提供依据。 试验时保持节气门开度、转速和混合气浓度一定， 采用不同的点火提前角，记录样机的扭矩、转速和排放 数值，同时进行示功图的数据采集。 不同点火提前角时样机的功率和油耗的变化见图 6， 排放的变化见图 7，示功图的变化见图 8，放热规律的计 算结果见图 9， 放热率曲线包围面积的形心位置曲线见图 10，放热率曲线包围面积的形心位置可以表征主燃烧过 程距离上止点的远近。 从样机功率、 油耗可以看出点火提前角在 23CA 时， 功率最大， 油耗最小。 这是因为点火提前角大 （如 33CA） 时， 样机损失了更多的压缩功； 点火提前角小 （如 13CA） 时，燃烧滞后，膨胀功损失增加，这都导致了功率和油 耗的恶化，从图 10 能更加直观的得出相同的结论。
基金项目：常州市科技资助项目（XE120060813） 建（1978－） ，男，江苏徐州人，博士研究生，研究方向： 内燃机工作过程和排放控制。 镇江 江苏大学汽车与交通工程学院， 212013。 Email：wangjian@
Fig.1
图 1 试验装置示意图 Sketch map of testing device
降低了缸内的燃烧温度，抑制了 NOx 的生成；同时燃烧 后移，延长了后燃期，增加了排气温度，增加了 CO 和 HC 的氧化时间和氧化速度， 从而降低了 CO 和 HC 的排 放。
Fig.8
图 8 不同点火提前角下样机的示功图 Cylinder pressure with different ignition timing
Fig.5
图 5 不同过量空气系数下样机放热率 Heat release rate with different coefficients of excess air
对于样机的性能，从表 2 可以看出过量空气系数在 0.88～0.94 之间功率最优，在 1.05 附近经济性最优，功 率和油耗的最佳值对过量空气系数的要求是矛盾的，从 试验过程来看，过量空气系数在 1.07 以后样机的功率和 转速波动增大，运转稳定性变差。同时参考排放数值（见 图 3） ，随着过量空气系数的增大，CO 和 HC 排放呈现下 降的趋势，NOx 排放先增加然后降低的趋势；从数值上 看。过量空气系数在 1.0～1.1 之间，CO 和 HC 排放数值 最低，NOX 排放最高。
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农业工程学报
2009 年
Fig.2
图 2 示功图数据采集示意图 Sketch map of collecting the pressure data
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试验和计算结果分析
过量空气系数的影响 小型通用汽油机的混合气形成是通过化油器供给， 通过匹配不同化油器的主量孔、怠速量孔和空气量孔调 整样机的过量空气系数[11,12]而形成的。 以样机的标定转速、全负荷为试验工况，点火提前 角定为上止点前 13CA 进行研究。不同过量空气系数下 样机的功率和比油耗见表 2，排放的变化见图 3，示功图 的变化见图 4，放热规律的变化见图 5。
第 25 卷 第 6 期 2009 年 6月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.25 No.6 Jun. 2009
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小型通用汽油机排放的研究
王 建，刘胜吉
（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013） 摘 要：以 168F 汽油机为样机，通过改变点火提前角和混合气浓度供给实测了样机的功率、油耗和排放数值。通过发 动机示功图采集和放热规律计算，研究了点火提前角和混合气浓度对样机工作过程的影响，探讨了与样机匹配的点火提 前角和混合气浓度的最佳值。通过上述试验研究和理论分析，在不使用尾气催化转化器的情况下，使得样机达到 EPA 第 二阶段排放限值，并且具有达到 EPA 第三阶段排放限值的潜力。 关键词：通用汽油机，排放控制，模拟计算方法，点火提前角，混合气浓度 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.06.024 中图分类号：TK411.5 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-6-0131-05 王 建，刘胜吉. 小型通用汽油机排放的研究[J]. 农业工程学报，2009，25(6)：131－135. Wang Jian, Liu Shengji. Investigation on emissions from small utility gasoline engine[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(6)： 131－135.(in Chinese with English abstract)
图 3 不同过量空气系数下样机 HC、CO、NOx 排放 Fig.3 CO, HC and NOx emission with different coefficients of excess air
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图 4 不同过量空气系数下样机的示功图 Cylinder pressure with different coefficients of excess air
Table 1 表 1 168F 汽油机结构参数 Parameters of 168F gasoline engine
单缸、四冲程、顶置气门、 强制风冷、手拉起动 68×45 163.3 8.5 TCI 3.2/3600
结构型式 缸径×行程/mm 总排量/cm3 压缩比 点火系统 标定功率及转速/kW/ r·min-1
