如今，久保田公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于排量1.0 L以下柴油機(jī)的工業(yè)用水冷汽油機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)具有與柴油機(jī)尺寸的互換性，以及源自柴油機(jī)設(shè)計(jì)的高可靠性和高耐久性。然而，由于對(duì)更高功率和各種不同用途對(duì)先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制的需求日益增加，用戶(hù)對(duì)全電控、更大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的需求日益增長(zhǎng)。另一方面，美國(guó)對(duì)火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排放法規(guī)（非道路）越來(lái)越嚴(yán)格。尤其是計(jì)劃對(duì)排量超過(guò)1.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)的法規(guī)限值極端收緊（表1），所以這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)將被要求使用車(chē)用排放控制設(shè)備，如帶有三效催化器的電控燃料噴射系統(tǒng)。本文說(shuō)明了為滿(mǎn)足上述需求和法規(guī)而開(kāi)發(fā)的新型雙燃料（汽油和氣體燃料）發(fā)動(dòng)機(jī)所使用方法和技術(shù)。

表1加州空氣資源局（CARB）排放法規(guī)

1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格

所開(kāi)發(fā)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)規(guī)格如表2所示，其外觀如圖1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)是基于柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的[1]，并通過(guò)擴(kuò)缸1 mm增大了排量。為了易于將這種發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到工程機(jī)械上，以取代柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的主體尺寸和輸出功率都被設(shè)計(jì)為與原柴油機(jī)相同。這種機(jī)型的特征之一是可在運(yùn)行期間對(duì)汽油和液化石油氣（LPG）進(jìn)行切換。

2 降低廢氣排放的技術(shù)

圖2表示汽油機(jī)的反饋系統(tǒng)示意圖。進(jìn)氣流量和噴射的燃料量根據(jù)進(jìn)氣歧管空氣壓力和空氣溫度計(jì)算，然后由噴射器噴射所需的燃料量。通過(guò)使用從催化器前氧傳感器的反饋信號(hào)，將混合氣的空燃比精確控制到化學(xué)計(jì)量值，然后由三效催化器降低NOx、CO和HC的排放量。為減少?gòu)U氣排放，減小各氣缸之間的空燃比變動(dòng)是非常重要的。噴射定時(shí)必須優(yōu)化，并且必須使各個(gè)氣缸空氣流量的變動(dòng)最小化，以改善空燃比的控制。

在開(kāi)發(fā)之初，像車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)那樣，汽油噴射器被放置在每個(gè)進(jìn)氣道中，但后來(lái)被移到氣缸蓋的上部，以防止燃料附著于進(jìn)氣道（圖3）。

此外，為了優(yōu)化噴射器的技術(shù)規(guī)格和在給定的受限范圍內(nèi)燃料噴霧的方向，進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）計(jì)算（圖4）。結(jié)果表明，大部分噴霧附著在進(jìn)氣門(mén)的背面和氣門(mén)桿之間的區(qū)域，但自噴霧錐角17°起，有相當(dāng)部分的噴霧在進(jìn)氣道的內(nèi)壁發(fā)生碰撞并附著其上，進(jìn)而增加在瞬態(tài)工況測(cè)量期間的HC排放量。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，噴霧錐角被確定為10°。噴霧錐角10°和17°的噴射器的廢氣排放測(cè)量結(jié)果如圖5所示。通過(guò)采用10°錐角的噴射器，HC排放值可以減少17％。

進(jìn)氣歧管的形狀如圖6所示。通過(guò)保持足夠容積的穩(wěn)壓箱和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度盡可能相等的各獨(dú)立氣道，在瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)期間進(jìn)氣壓力脈動(dòng)幅值最小，每個(gè)氣缸的空燃比均勻。采用一維CFD分析（里卡多公司：WAVE軟件）對(duì)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化（圖7）。圖8表示在有和沒(méi)有穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣歧管中空氣壓力波動(dòng)的模擬結(jié)果。與沒(méi)有穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣歧管相比，有穩(wěn)壓箱的壓力波動(dòng)比較均勻。圖9表示各氣缸空燃比的測(cè)量結(jié)果。結(jié)果表明，采用穩(wěn)壓箱使氣缸之間空燃比的差異減小。

一開(kāi)始，研究人員在這種機(jī)型上采用了一種催化轉(zhuǎn)化器。但是催化轉(zhuǎn)化器必須保持水平放置，并且由于其使用軟墊結(jié)構(gòu)，安裝陶瓷催化劑，催化器通過(guò)隔振裝置固定在機(jī)器上，并且還必須與在下游的消聲器一起使用（圖10）。為了克服這些缺陷，試圖開(kāi)發(fā)一種帶有金屬催化劑的催化消聲器。它必須被設(shè)計(jì)為與現(xiàn)有的消聲器尺寸匹配，并同時(shí)具有催化和消聲功能。

圖11是單一型催化器和串聯(lián)型催化器消聲器的截面圖。首先測(cè)試了單一型催化器消聲器，發(fā)現(xiàn)消聲器的噪聲能夠滿(mǎn)足目標(biāo)，但廢氣排放未達(dá)到開(kāi)發(fā)要求的目標(biāo)排放水平。然后，采用CFD分析（AVL公司：FIRE軟件）計(jì)算了消聲器中的空氣流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)氣流集中在催化器的中心，催化器沒(méi)有完全發(fā)揮作用。因此，將消聲器的設(shè)計(jì)由單一型改為串聯(lián)型。流速分布結(jié)果表明,氣流在2個(gè)催化器之間的空間膨脹，完全實(shí)現(xiàn)了第2個(gè)催化器的功能。如圖12所示，通過(guò)這種變化，這種機(jī)型可以有足夠的裕度滿(mǎn)足CARB排放法規(guī)。

通過(guò)這種改進(jìn)，減小了消聲區(qū)域的容積，利用CFD進(jìn)行了聲學(xué)分析，并優(yōu)化了消聲區(qū)域的設(shè)計(jì)。結(jié)果，串聯(lián)型催化器可以實(shí)現(xiàn)與單一型催化器大致相當(dāng)?shù)脑肼曀健D13表示傳輸損失的分析結(jié)果。圖14表示噪聲測(cè)量結(jié)果。

為了實(shí)現(xiàn)消聲器的垂直安裝，對(duì)固定法蘭和支架進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，并對(duì)這些零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。為了檢驗(yàn)可靠性，對(duì)這些零部件進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。基于上述研究的結(jié)果，開(kāi)發(fā)了可在所有方向自由固定的催化消聲器，并可將其放置在有限的空間中，如發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)。通過(guò)開(kāi)發(fā)這種消聲器，我們可以盡量縮減排氣系統(tǒng)的布局，使這種新機(jī)型適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域。圖15表示排氣系統(tǒng)布局的1個(gè)實(shí)例。

3 緊湊型設(shè)計(jì)

這種雙燃料機(jī)型可以燃用任何汽油，LPG和天然氣。用戶(hù)可以選擇不同燃料適應(yīng)各種現(xiàn)實(shí)情況。例如，該功能將有利于在室外工作使用汽油而在室內(nèi)工作使用氣體燃料的用戶(hù)。另外這種靈活性使得用戶(hù)能夠選擇當(dāng)時(shí)在燃料成本或燃料可得到性方面最合適的燃料。為了將柴油機(jī)轉(zhuǎn)換為汽油機(jī)或氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，需要增加如表3所示的燃料供給和點(diǎn)火裝置。

表3主要附加裝置

燃料系統(tǒng)部件在這種雙燃料機(jī)型上的布局如圖16所示。重要的是要將這些額外零部件設(shè)計(jì)和布置到1個(gè)緊湊的空間中，以保持在原機(jī)型和新開(kāi)發(fā)機(jī)型之間機(jī)體的大小和布局相同。

噴射器通常安裝在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管中，但是該機(jī)型放置在氣缸蓋中，并在氣缸蓋近旁布置1根燃料輸送管。此外，為了將點(diǎn)火線圈和燃料輸送管放置到氣缸蓋和進(jìn)氣歧管之間的有限空間內(nèi)，設(shè)計(jì)了可以將這些零部件固定在一起的噴射器法蘭（圖17）。通過(guò)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)該零件，可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的寬度、新零件的數(shù)量和組裝附加裝置的時(shí)間。此外，可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)保養(yǎng)的便利性（圖18）。

4 可靠的燃用氣體燃料技術(shù)

與燃用汽油相比，在燃用諸如LPG或天然氣等氣體燃料時(shí)，在氣門(mén)周?chē)臐?rùn)滑效果極差。此外，由于采用氣體燃料在化學(xué)計(jì)量空燃比下工作，燃燒溫度較高，往往造成排氣門(mén)的氣門(mén)錐面和排氣門(mén)座磨損顯著。因此，通過(guò)測(cè)量排氣門(mén)的溫度（圖19），相應(yīng)改變氣門(mén)錐面與氣門(mén)座的材料。選擇鈷基合金作為排氣門(mén)包層的材料，這種合金可在高負(fù)荷運(yùn)行期間形成高溫鉬涂層，并且，還增加了氣門(mén)座的鐵-鈷基燒結(jié)合金中的自潤(rùn)滑材料含量。

此外，由于氣門(mén)落座的沖擊力對(duì)排氣門(mén)錐面和排氣門(mén)座磨損有很大影響，通過(guò)改進(jìn)凸輪設(shè)計(jì)，將排氣門(mén)的落座速度降低了50%，使配氣機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了更好的可靠性和耐久性。圖22表示原凸輪和改進(jìn)凸輪的運(yùn)動(dòng)特性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用CFD分析進(jìn)行燃料噴霧和進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的優(yōu)化，在很短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廢氣排放性能的改善。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)緊湊的催化消聲器，拓展了新機(jī)型的應(yīng)用用途。

為了實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)原機(jī)型的互換模式，開(kāi)發(fā)了可用于汽油和氣體燃料機(jī)型的諸如燃料供給系統(tǒng)等新零部件和點(diǎn)火裝置，這些零部件被布置在1個(gè)緊湊的空間內(nèi)。

為了改善排氣門(mén)和氣門(mén)座在燃用氣體燃料時(shí)的磨損，對(duì)這些零部件的材料進(jìn)行了優(yōu)化，并降低了排氣門(mén)的落座速度。通過(guò)這些方法，確保了新機(jī)型在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。