舷外机用汽油机试验分析

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(1.江苏大学，江苏 镇江 212013；2.苏州百胜动力机器股份有限公司，江苏 苏州 215151)

近年来游艇、个人船舶的快速发展，使国内外舷外机市场呈现明显的增长[1- 2]。 国内生产的舷外机已大量出口，但与国外企业相比，技术水平仍存在差距[3- 4]。我国年产舷外机10万多台，生产企业10余家，出口量占80%以上。二冲程汽油机占比较大，以出口俄罗斯、非洲等国及东南亚国家居多，机型的标定功率也在不断增大，最大功率机型为75 kW。舷外机用四冲程汽油机近年比例增大，整机功率及机型数量都在增大，原因是四冲程汽油机排放相对较低，通过低排放技术研究，能满足欧美发达国家对舷外机用汽油机排放的日益严格的法规要求，产品出口北美和欧盟等发达国家。国内对舷外机的低排放研究还少见报道，为使产品通过美国和欧洲的排放环保认证并在生产中保证产品生产的一致性，以F5汽油机为例分析舷外机用汽油机排放变化规律和特点，通过试验的方法寻找降低排放的途径。

1 欧美排放相关法规

为了有效控制舷外机的排放，美国环保署(EPA)最早制定了舷外机用汽油机的排放法规，并于1998年开始实施第1阶段排放，对HC+NOx实施有效寿命期内的限值要求，2010年开始实施第2阶段的排放限值[5]，对HC+NOx气体排放加严，并对CO规定限值要求。欧盟舷外机的排放法规实施略滞后于美国，2005年开始实施排放和噪声要求的2003/44/EC指令，对二冲程和四冲程汽油机有不同排放限值，要求高于美国。2013年对指令进行了修订，新指令2013/53/EU的要求与美国法规基本相同[6]。表1、表2为舷外机用汽油机美国和欧盟现行的排放法规限值。对表1美国EPA法规的HC+NONOx表达式进行解析，美国与欧盟法规两者的表达式形式是相同的，常数项在小数点后一位略有差异，因此可以认为两者的HC+NONOx限值是相同的。欧盟现行指令与原2003/44/EC指令对比，CO的限值略有放宽，但HC+NOx排放加严。显然，传统二冲程汽油机已不能满足欧美排放限值要求，必须使用四冲程汽油机，且随着汽油机功率的增加，排放限值减小、排放要求提高，主要由于小功率汽油机受结构影响，优化燃烧的难度加大，整机比排放值就略偏高。美国和欧盟的排放法规还规定舷外机动力的有效寿命期都为350 h。

表1 美国EPA Title 40 Part 1054法规的排放限值

表2 欧盟2013/53/EU指令中的排放限值

舷外机用汽油机排放试验的测量方法和要求在美国EPA和欧盟法规中都有明确规定。排放试验采用船用的E4试验循环进行[7]，由螺旋桨工作特性的4个工况和怠速工况组成，螺旋桨按转矩与转速的1.5次方特性运行，具体见表3，各工况的加权系数是怠速及小负荷的数值较大。

表3 排放试验E4循环的试验工况和加权系数

2 低排放试验

按美国或欧盟的法规要求，对舷外机用汽油机进行低排放的试验研究，排放试验中用MEXA- 7200型排放分析仪进行尾气分析，采用不分光红外分析仪(NDIR)测定CO和CO2排放浓度；采用加热型氢火焰离子化分析仪(HFID)测定HC的排放浓度；采用化学发光分析仪(CLD)测定NOx的排放浓度。采用电涡流测功系统进行功率、燃油消耗率的测量。试验按E4工况排放测试循环进行，对试验结果按法规中的计算方法计算整机比排放量值，结果表明各工况油气混合气浓度对整机排放影响较大，整机比排放值与各工况的排放物浓度和加权系数密切相关，为研究舷外机用汽油机的低排放特性，引入单工况分担率[8]说明各个工况排放量对整机排放值的贡献。

单工况排放物的分担率Xi是指试验测试的各个工况某种排放物的加权质量排放量与排放试验循环各工况排放试验总的加权质量排放量的比值，它表征各个工况的排放量对所测工况的比排放量的相对贡献大小，表明汽油机某个试验工况尾气排放CO、HC、NOx在表3的5种工况试验中的作用和影响。现以NOx在某一工况下分担率为例说明，其他排放成分在某一工况下分担率的定义类同， NOx分担率计算如下。

(1)

式中：XNOxi为NOx在某一工况下的分担率；BNOxi为NOx在该工况下加权比排放量：g/(kW·h)-1，公式为

(2)

式中：GNOxi为该工况下NOx的质量排放量，g/h；δi为工况加权系数；∑(Pei·δi)为加权功率，Pei为每个工况的有效功率，kW。BNO x为NOx5种工况的加权比排放量，g/(kW·h)，公式为

(3)

表4为F5舷外机用汽油机为满足欧美排放法规进行改进的典型方案排放试验结果，原机结果初次排放试验HC+NOx结果不能满足排放限值要求，原机的E4试验循环各工况排气中的排放实测值(体积浓度)见图1。

表4 不同改进方案F5舷外机排放试验结果 (g/kW·h)

图1 F5汽油机原机排放试验结果

由图1可见，汽油机沿船机的螺旋桨特性工作，高转速、大负荷工况时缸内燃烧温度高，NOx排放高，低怠速小负荷工况的NOx排放值相对小的较多，变化的速度比负荷特性上的工况还要快[9]；HC排放物的变化与NOx相反，它们的数值变化都较大，CO的变化与过量空气系数值变化趋势一致。各种排放物的单工况分担率见图2。

图2 F5汽油机排放结果的单工况分担率

由图2可见，试验循环各工况的加权系数与单工况的排放分担率是不相同的，单工况的排放分担率是上述汽油机排放的变化规律与加权系数、功率大小的共同作用结果，如将船用E4排放试验循环中的第2、3工况进行比较，两者的加权系数相近，第2工况较第3工况功率大1倍，但第2工况对整机排放的贡献较第3工况要大得多，工况2的排放情况对整机比排放的影响最大。舷外机用汽油机的CO 适当调稀混合气才能达到法规要求，NOx各工况分担率结果说明整机NOx主要是受第1、2工况的排放值影响，而HC排放分担率各工况都有一定的占比。由于怠速工况HC排放值高，加权系数大，因此低怠速工况降低HC排放是主攻目标。

依据单工况排放分担率分析，结合不同工况的HC、NOx排放物生成机理，高速、大负荷工况较低NOx排放需采用较浓混合气或减小点火提前角，而对低怠速工况，降低HC排放需采用较稀混合气，在这些工况稀混合气会使NOx排放略有增大，但数值变化很小，据此可给出F5舷外机的改进方案。

方案1是匹配化油器主供油量孔和怠速量孔得到的排放试验结果(见表4)，图3给出了用排放结果计算得出的过量空气系数变化。

方案1较原机混合气变稀，CO下降了28.1%，HC下降了25.9%，但NOx上升了7.2%，HC+NOx结果下降了21.8%，虽然该方案结果已达到排放限值要求，但HC+NOx的350 h劣化余量较小。

方案2是进一步调整主供油量孔和怠速量孔尺寸，并对空气量孔和泡沫管的小孔尺寸优化匹配得出的排放试验结果，使小负荷、低怠速工况的过量空气系数得以增大(见图3)，燃烧改善使汽油机的HC、CO排放进一步降低。

图3 不同方案F5汽油机的油气混合气浓度特性

方案3是优化进排气系统性能，同时推迟3°点火提前角，保证汽油机标定功率不变，使排放进一步降低的最终结果。由于汽油机进气量和燃油耗的改变，过量空气系数量值略有变化，随工况的变化趋势一致。

与方案2相同，方案3 的排放结果较原机CO、HC分别下降了54.5%和47.3%。方案3的HC+NOx试验结果比排放法规限值低11.88 g/kW·h，有1.66的劣化系数，但该机型排量小(112 cm3)、转速高，350 h劣化时间较通用小型汽油机要长得多，此外还需考虑批量生产的生产一致性偏差，因此采用方案3作为最终方案是可行的、合理的。

图4给出了方案3汽油机各工况点的排放实测结果(体积浓度)。

图4 F5汽油机优化后的排放试验结果

与图1的原机结果相比，CO随工况的变化趋势改变最大，小负荷、低怠速工况(工况4、5)混合气变稀后CO浓度明显变小；HC下降幅度最为明显，低速小负荷工况下降更多，说明过量空气系数变化对HC的影响最大；而NOx量值和变化趋势基本不变。

我国舷外机用汽油机开发多参考国外样机对标进行，因此燃烧室结构等设计技术相对成熟，对燃烧、性能的影响较小，提高汽油机性能、降低排放研究主要是油气混合的数量关系和燃烧过程的时间优化。油气混合的数量关系是如何从性能出发优化进排气系统提高进气量，并对每一个运行工况匹配油气混合比实现汽油机低排放、高性能的呢？我们把图3中的方案2的过量空气系数随工况的变化规律称之为舷外机用低排放汽油机的理想油气混合气浓度特性，标定工况的过量空气系数值依据机型的特点，主要以NOx排放值确定，按螺旋桨特性工作，随着转速的降低，各工况的过量空气系数逐渐增大，低怠速工况的最大值以汽油机转速能稳定工作、HC排放尽可能降低为确定原则。这一特性与通用小型汽油机的变化规律[10]有一定的差异，与车用汽油机的要求明显不同。燃烧过程的时间优化，是根据整机功率、排放要求优化点火提前角、提高点火能量，实现燃烧始点和终点的最优控制。

3 结论

1)舷外机用四冲程汽油机，对进排气、供油、点火系统匹配、优化缸内燃烧过程，汽油机排放能满足美国、欧盟严格的排放法规要求。F5汽油机经燃烧优化，排放结果较原机CO、HC分别下降了54.5%和47.3%，初次试验结果CO、HC+NOx分别为208.4 g/kW·h和18.1 g/kW·h，能满足欧美排放法规要求。

2)对照美国EPA和欧洲法规的要求，研究表明，试验工况的加权系数不能完全反映出试验工况点对整机排放的影响，用各工况CO、HC、NOx排放物分担率能明确给出各工况的排放值对整机比排放的贡献。对降低舷外机用汽油机的排放和提高整机性能有指导作用。

3)研究得出舷外机用四冲程汽油机低排放理想油气混合气浓度特性。标定工况的过量空气系数值主要以NOx排放物值确定的，过量空气系数值随E4排放循环工况点变化，转速减小混合气浓度逐渐变稀。汽油机按此浓度特性运行能有较低的整机比排放。

[1] 周波,汪燕松,廖明彪.舷外机发展概况简述[J].机械设计与制造工程,2000,29(6):20- 21.

[2] 于学礼.我国舷外机使用市场调查报告[J].船舶,1992(1):14- 16.

[3] SITU R, BROWN R J. Mixing and dispersion of pollutants emitted from an outboard motor[J]. Marine pollution bulletin,2013,69(1- 2):19.

[4] 刘胜吉,李崇尚,王军,等.满足EPA排放法规的高原用小型汽油机技术方案[J].中国农机化学报,2015,36(1):227- 229.

[5] U.S.Environmental Protection Agency. Control of emissions from spark- igntion propulsion marine engines and vessels. Title 40 part 1045[EB/OL].[2017- 03- 28]. https://www.ecfr.gov/cgi- bin/text- idx?tpl=/ecfrbrowse/Title40/40tab_02.tpl.

[6] European Union. On requirements relating to gaseous and particulate pollutant emission limits and type- approval for internal combustion engines for non- road mobile machinery: EU 2016/1628[S]. Brussels: Official journal of the EU,2016:9.

[7] 国家质量监督检疫总局,中国国家标准化管理委员会.往复式内燃机 排放测量 第4部分：不同用途发动机的稳态试验循环: GB/T 8190.4—2010 [S].北京:中国标准出版社,2011.

[8] WALDMANN E,HERZOG P L. Will the naturally aspirated truck diesel engine survive the turn of the century[J]．XXV fisita congress Technical Paper 945114．

[9] 王建，刘胜吉.不同排量小型四冲程通用汽油机的排放控制策略[J].小型内燃机与摩托车，2009，38(6)：60- 62.

[10] 刘胜吉,田晶,王建.通用小型汽油机油气混合两相流动分析与低排放研究[J].农业工程学报,2011,27(6):100- 104.