车辆工程毕业设计（论文）-汽油机的富氧燃烧试验研究【全套设计】 .doc

i 摘 要 随着我国社会主义现代化建设事业的迅速发展和推进可持续发展战略的需要， 对于社会上应用广泛，在国民经济建设和国防建设中具有十分重要作用的动力机械- 内燃机，也提出了进一步提高性能，减少能源消耗和降低对环境的污染要求，而内 燃机燃烧性能的好坏是直接影响内燃机的能耗性能和排放的重要因素。近年来，我 国广大内燃机工业的科技工作者通过大量的研究，试验工作取得了许多科技成果使 我国国产内燃机的燃烧性能得到了很大的改善和提高。但是，以往对内燃机燃烧的 研究大多集中在内燃机工质的形成燃烧室，缸内气流运动及其三者之间的相互匹配 等方面对于内燃机进气质量方面的研究则较少见。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 在汽油机上应用进气富氧技术不但可以显著降低污染物的排放，而且还能够提 高燃烧热效率、增加发动机功率密度。为此，国内外研究人员对汽油机富氧燃烧技 术和理论进行了积极的探索。本文采取台架试验与模拟计算相结合的研究方法对进 气富氧技术应用开展研究，探索进气富氧对汽油机不同转速工况下燃烧与排放的影 响规律，对进气富氧技术的发展与完善具有重要意义。在汽油机上应用自行设计的 氧气供给系统，进行进气中氧气体积百分数分别为 20.40%、22.45%、25%的富氧燃 烧试验。研究发现：采用增加进气富氧的措施可以实现在有效减少污染物排放。同 过测量缸内压力、高压油管压力以及其它运行参数，获取滞燃期、缸内压力、燃烧 放热规律等燃烧过程信息，分析探讨了进气富氧对燃烧过程的影响。汽油机的着火 ii 滞燃期明显缩短，着火始点和放热始点前移，缸内最高燃烧压力增大，着火急燃期 放热峰值增大。这是因为进气中氧浓度的增加有助于加快燃油分子的先期氧化反应， 加快着火前的化学准备过程，进而缩短滞燃期。而着火的化学准备、预混燃烧速率、 滞燃期内喷油量这三方面的因素共同影响着最大压力升高率和预混放热峰值。 关键字：关键字：汽油机；富氧燃烧；转速；排放特性；燃烧特性 abstract with the rapid development of chinas socialist modernization and the needs of promoting the sustainable development strategy, the community widely in the national economy and national defense construction has a very important role in the construction of power machine-internal-combustion engine, also proposed further improve performance, reduce energy consumption and pollution of the environment requires, combustion performance is good or bad is an important factor directly affect the energy consumption of internal combustion engine performance and emissions. in recent years, chinas vast numbers of industrial workers through a large number of science and technology of internal combustion engine research, experimental work has achieved many scientific and technological achievements for combustion performance of internal combustion engine made in china to be a great deal to improve and enhance. however, in the past on combustion research are mostly concentrated in the formation of refrigerants combustion chamber of internal combustion engine, among the in-cylinder air motion and its matching for internal combustion engine intake air quality research in areas such as the less common. application on the gasoline engine intake oxygen enrichment technology can not only significantly reduce the emission of pollutants, but also to improve combustion efficiency, to increase engine power density. to this end, researchers at home and abroad to the theory of oxygen-enriched combustion technology of gasoline engine and make active explorations. this combination of bench test and simulation study on the application of iii research methods on the intake of oxygen-rich technology, explore intake oxygen-enriched combustion and emission of gasoline engine under different rotating speed conditions influence, significance to development and improvement of intake air oxygen enrichment technology. application on the gasoline engine to design their own oxygen supply system, oxygen in the air intake volume percentages were 20.40%、 22.40%、25% oxygen- enriched combustion test. study: increase the intake of oxygen-rich measures can effectively reduce the pollutants emissions. with the in-cylinder pressure measurement, high pressure oil pipe pressure as well as other operating parameters, get delay period, in- cylinder pressure and combustion process of combustion heat release rate and other information, analysis and discussion on the influence of intake oxygen-enriched combustion process. gasoline engine ignition delay period significantly reduced, fire starting point and heat starting point forward, maximum combustion pressure in the cylinder increases, acute burn period exothermic peak increases on fire. this is because the increase in oxygen concentration in the intake helps speed up advanced oxidation of fuel molecules, accelerate the chemical preparation before the fire, thereby shortening the delay period. and ignition of premixed combustion rate, flame retarding chemical preparation, injection quantity for the period of the three factors affects the maximum rate of pressure rise and premixed exothermic peak. keywords: gasoline engine; oxygen-enriched combustion; speed; emission characteristics; combustion characteristics i 目 录 摘要i abstractii 第 1 章 绪论.1 1.1 引言 1 1.2 国内外内燃机富氧燃烧的研究现状 1 1.2.1 国外情况 1 1.2.2 国内情况 1 1.3 汽油发动机机燃烧机理 2 1.4 本论文研究的意义和主要内容 4 1.4.1 本论文的研究意义 4 1.4.2 本论文的研究内容 5 第 2 章 富氧燃烧对汽油机燃烧与排放影响的试验设计.6 2.1 引言 6 2.2 试验内容及试验装备 6 2.3 试验各测量参数的获得 8 2.4 本章小结 8 第 3 章 富氧燃烧对汽油机燃烧特性试验研究9 3.1 引言 9 3.2 汽油机富氧燃烧的燃烧过程 9 3.2.1 缸内压力 .9 3.3.2 放热规律分析 .11 3.3 本章小结 .11 第 4 章 富氧燃烧对汽油机性能的试验研究12 4.1 hc 的排放特性 12 4.2 co 的排放特性 12 4.3 nox排放特性13 4.4 经济性的影响及分析 .13 4.5 动力性的影响及分析 .14 4.6 本章小结 .15 ii 第 5 章 排放物有害物质的分析.16 5.1 引言 .16 5.2 有害气体 hc 的分析 .17 5.2.1 hc 的生成机理.16 5.2.2 影响 hc 生成的因素 17 5.2.3 汽油机控制 hc 排放的主要净化措施 18 5.3 有害物质 co 的分析19 5.3.1 co 的生成机理 19 5.3.2 co 排放的影响因素 19 5.4 有害气体 nox的分析.20 5.4.1 nox的生成机理20 5.4.2 空燃比的控制 .21 5.4.3 nox转化效率及经济性分析21 5.4.4 催化技术降低富氧 nox排放技术 .22 5.5 本章小结 .23 结论24 参考文献25 致谢27 附录28 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 汽车的动力来源于发动机气缸内燃油燃烧所放出的热能。而燃油燃烧放出热能 为发动机提供动力的同时,其燃烧后产生的废气又会对大气造成污染。近年来由于石 油价格的飞涨和汽车尾气排放造成的环境污染，发动机的燃烧技术提出了越来越高 的要求，此从发动机燃烧技术方面考虑，国内专家及科研院、所都在试图寻找提高 发动机功率、降低燃油消耗、减少排气污染的最有效的方法。富氧燃烧技术能够降 低燃料的燃点,加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的排气量、 提高热量利用率和降低空气过剩系数,具有优越的节能性能与环保性能，但国内外对 富氧助燃技术应用于汽车发动机的针对性研究较少1。 1.2 国内外内燃机富氧燃烧的研究现状 1.2.1 国外情况 早在上世纪 80 年代初，多发达国家都投入了大量人力物力来研究富氧技术， 特别是日本，投入了大量的人力物力研究富氧燃烧。该国曾在以气油、煤燃烧的不 同场合进行了各种富氧应用试验，得出如下结论：用 23的富氧助燃可节能 1025；用 25的富氧助燃可节能 2040，用 27的富氧助燃则节能高达 3050等。联邦德国在一座马蹄型蓄热炉上用 27的富氧试验使熔化率增加 56.2%,耗下降 20，而熔化温度提高 100c c6。瑞典、英国、德国在滚轧和铝熔炉 装置上采用膜法富氧浓度 2527，节约燃料 1228， 而原设备生产率提 高 1739。美国 wolverin 铜冶炼厂，采用 29的膜法富氧节约燃料可大于 309。此外，前苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧用于助燃的报道。值得 一提的是国外绝大部分用的是整体增氧来助燃，所以投资非常大，故国外还没有广 泛推广应用2。 1.2.2 国内情况 我国在上世纪 80 年代中期开始研究此项技术，并取得了可喜的成果。国内在这 方面的研究也有十多家，如清华大学、东北大学、中科院大化所、中科院 广州能源 所、辽宁省锅炉技术研究所等单位对膜法制氧及富氧燃烧技术都进行了积极的探索 与应用。 中科院大连化物所自 1986 年起一直从事国家“七五”和“八五”科技攻关项目： 2 卷式富氧膜、组件、装置及其应用和开发的研究，并且研制成功 ltvps 富氧膜， 1988 年获中国科学院科技进步一等奖。1990 年“用于玻璃窑炉的高分子膜富氧装置 及燃烧技术”的成果又通过了中国科学院和北京市人民政府组织的联合鉴定，被确 定为国家“八五”新技术重点推广项目3。 内燃机富氧燃烧技术中，富氧的来源从一开始就是研究的重点，因为这是涉及 该技术是否具备实际应用潜力的关键问题。在内燃机进气中吸入富氧空气这是内燃 机富氧燃烧研究一开始就采用的技术。美国通用汽车公司的 poola 认为：富氧空气 的利用能否成功，取决于能否获得可靠、紧凑而又经济的渗透膜，该膜应能根据发 动机的需要在车上产生理想的空气成分。近年来，随着材料科学技术的发展，运用 膜技术分离空气得到富氧进气提供内燃机使用的技术日趋成熟，目前在内燃机富氧 燃烧的研究中绝大部分是采取了富氧进气的供氧方式。利用膜分离技术可以达到氧 浓度最高为 35；德国汉诺威大学 hamel、christof 等所开发的用于分离空气得到富 氧气体的钙钛中空纤维膜已经达到 800 小时的运行寿命，具备了工业应用的潜力4。 1.3 汽油发动机机燃烧机理 内燃机因其所用的燃料不同分为汽油机和柴油机。由于燃料性质的不同使得汽 油机与柴油机在结构、压缩比以及燃料着火方式等方面有一定差异，使它们的燃烧 过程也略有不同。下面以汽油机为例，对内燃机燃烧过程各个阶段的特点作简单描 述和分析。汽油机的燃烧过程可分为滞燃期、急燃期、缓燃期三个阶段。 （1）滞燃期 滞燃期是从燃料进入气缸到开始着火的一段时期。在这一阶段中，燃料要完成 从热空气中吸收热量、提前的一系列化学准备过程，包括燃油分子与空气中的氧分 子的一系列预氧化中间反应。一般来，为了使内燃机运转柔和、减轻内燃机的机械 负荷，要求滞燃阶段应该越短越好。这就要求在气缸中的氧气量充足，以利于燃料 分子能够充分与氧分子发生反应，尽快完成化学准备过程。但是，滞燃期过短，又 对混合气的形成不利，反过来又使汽油机性能恶化。 （2）急燃期 从燃料开始着火到气缸内出现最高压力为止的这段时期称为急燃期。在这一阶 段，活塞处于上止点附近，燃料的燃烧速度迅速加快，使工质的压力，温度都急剧 上升，达到最高压力。 （3）后燃期 从气缸内出现最高压力到工质出现最高温度的阶段称为后燃阶段。在这一阶段， 3 燃烧仍以很快的速度进行，工质温度很快升至最高温度。由于活塞已离开上止点继 续下降，气缸容积逐步扩大，故在此阶段工质压力开始下降。如果希望保持工质的 压力不下降，使工质对活塞的推动力不变，就要求在此阶段的燃烧速度能够加快。 但是，由于在燃烧室中的废气和燃烧中间产物增多而氧分子减少，燃料分子与氧分 子进行反应的机会减少，必然使燃烧速度减慢，燃料可能在氧分子不足的情况下进 行燃烧，发生热裂变，造成燃烧不完全，影响燃烧的经济性和排气的净化5。 在内燃机的燃烧过程中，燃料只有完全氧化才能放出全部热量。向气缸中供给 充分的燃料是比较容易的，而向气缸中供给充分的氧气供燃烧用则比较困难。目前， 为保证内燃机燃烧完全，提高动力性能，经常采用的方法是增压技术。增压的优点 是基本保证了燃烧完全，经济性较好，同时由于空气量的增加，使内燃机在同一循 环内可燃烧更多的燃料，动力性能也有较大的提高。但实际上，进一步提高增压压 力受到了与空气压缩有关的复杂性和损失的限制(例如，需要两级涡轮增压和中间冷 却)。采用进气富氧技术可以说是提高功率输出的一种备选的或是辅助的办法，可以 使用小型的涡轮增压器和高分子膜系统(提供富氧空气)联合使用替代现有的涡轮增 压中冷系统，同样起到增加缸内氧气供给的效果。 大量的研究表明，nox的排放增加是制约内燃机富氧燃烧技术进一步发展和应 用的一个关键性的瓶颈问题。由于富氧燃烧对于减少污染物是非常显著的，但是在 未采取特别的技术措施的情况下，nox的排放则会显著增加。美国德州农工大学的 caton 等用热力学循环模拟方法研究了富氧进气对汽油机的影响研究。发现当进气氧 浓度由 21%提高至 25%，nox的排放增多 11。究其原因，主要还是在于使用富氧 则会导致气缸内氧浓度增高，燃烧急剧而充分，火焰温度过高，nox排放升高。日 本名古屋大学的 kishimoto、mamoru 从燃烧机理的角度对使用富氧空气燃烧的火焰 结构以及逆火焰对 nox生成的影响开展了研列。研究了氧浓度以及混合气的当量比 对火焰结构以及 nox，生成的影响。研究发现对于逆扩散火焰，氧浓度增高，高温 区的宽度变大，导致 nox生成的热量增加。所以优化富氧燃烧过程，控制 nox生成 机理和技术成为近年来学术界研究的重点6。 为了控制富氧燃烧过程中的 nox排放增加的问题，研究人员对各种抑制 nox 生 成的技术措施进行了探讨。日本学者 nishimura 等通过控制空燃比来抑制富氧燃烧中 nox的生成，发现对于 30氧含量的情况下，0.6和1.5 的状况下可以实现低 nox排放16。美国阿贡国家实验室的 longman 等开展了富氧空气缸内喷射以降低汽 油机的排放的研究工作。研究表明：空气喷射技术可以在压缩行程取得一个比较低 的富氧浓度，但是在燃油喷射过程中通过优化富氧空气的喷射分布可以取得降低 nox的效果18。美国海军研究中心的 roy 提出了富氧空气和等离子技术减小未燃碳 4 氢以及 nox的新技术，取得了减少 nox排放 70的效果。美国通用汽车公司的 poola 等在对进气氧浓度、供油量和喷射定时进行优化的情况下 nox排放量降低 15%20%7。 在努力将富氧燃烧技术应用于内燃机工程实践的同时，各国研究人员也从未放 弃其对燃烧过程的影响研究。karim 和 ward 研究了高达 50的氧浓度对汽油机的 影响，发现滞燃期大幅缩短，nox的排放也大幅减少。缸内压力随着氧浓度的增加 而增加，压力升高率在含氧 38的时候达到最高，随后就稳定下来。ghojel 研究了 进气富氧使汽油机滞燃期缩短的问题，氧的摩尔分数从 21增加到 40会导致滞燃 期的大幅缩短和减少燃烧噪声。同时，最高燃烧压力、燃料消耗率和排气温度也稍 有变化8。 1.4 本论文研究的意义和主要内容 1.4.1 本论文的研究意义 燃烧是目前人类获取能量的一个最主要的手段，通过燃烧矿物燃料所获取的能 量占世界总能量消耗的百分之九十以上。因此，燃烧过程组织得合理与否在很大程 度上影响到能源的利用程度和能耗的降低。在人类大量燃烧利用矿物质燃料的同时， 产生了大量的温室气体和酸性气体，是全球环境恶化的重要影响因素。21 世纪人类 面临的最大课题是能源和环境问题，特别是像我国这样一个人口多、人均资源少， 正在发展工业化的发展中国家来说，能源和环境问题更为突出。 中国是一个能源并不富裕的国家，节能降耗至关重要。为确立节能的战略地位， 我国已经把节约资源提升到基本国策的高度，并努力建设节约型社会，实现可持续 发展。鉴于我国的现实情况，燃料消耗量较大，因而迫切需要加强燃烧的理论研究， 提高燃烧组织的技术水平。而提高热利用设备的燃烧效率是至关重要的课题。富氧 燃烧是近代燃烧的节能技术之一。富氧燃烧技术能够降低燃料的燃点，加快燃烧速 度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的有害气体排放量、提高热量利用 率和降低过量空气系数，被发达国家称之为“资源创造性技术”。 国内外研究工作 者在自然吸气柴油机和汽油机上应用富氧燃烧技术做了大量的探索性研究。富氧燃 烧技术拥有和增压技术联合应用的技术潜力，在未来可以使用小型的涡轮增压器和 高分子膜系统(提供富氧空气)来替代现有的涡轮增压中冷系统14。所以，在汽油机 上实施进气富氧燃烧试验，考察其经济性、动力性及排放特性，并深入分析产生各 项影响的机理对富氧燃烧技术的应用与发展具有重要意义。内燃机的燃烧过程是一 个极为复杂的物理-化学变化过程，但它对内燃机的性能和排放起着至关重要的影响 作用。滞燃期是燃烧过程的一个重要参数，而燃烧放热规律强烈影响平均有效压力、 5 燃油消耗率、最高燃烧压力、燃烧噪声等性能指标。通过对缸内压力及其它运行参 数进行处理，获取滞燃期、缸内压力、燃烧放热规律等燃烧过程信息，分析进气富 氧对燃烧过程的影响，有助于丰富和发展富氧燃烧理论。 1.4.2 本论文的研究内容 基于上述目的，本论文要做一下工作： 1.汽油机的富氧燃烧试验。在汽油机上应用自行设计的氧气供给系统，进行富 氧试验，开展不同转速、扭矩、和进气浓度下的汽油机性能和排放的试验研究，考 察汽油机进气富氧燃烧的燃油经济性、动力性以及排放性能。 2.通过试验结果讨论进气富氧燃烧对汽油机性能和排放的影响，并分析其影响 因素。通过对缸内压力、高压油管压力以及其它运行参数进行处理，获取滞燃期、 缸内压力、燃烧放热规律等燃烧过程信息，探讨进气富氧对汽油机燃烧过程的影响。 3. 基于 origin7.5 软件，对东安 4g18 型汽油机进气富氧燃烧的工作过程进行模 拟。获得缸内压力、尾气排放特性、经济性、动力性等燃烧过程参数，进一步从理 论上探讨进气富氧对燃烧过程的影响，并对 nox、co、hc 的生成历程进行分析。 6 第 2 章 富氧燃烧对汽油机燃烧与排放影响的试验设计 2.1 引言 为了考察不同进气氧体积分数对汽油机燃烧与排放的影响，本文对试验样机的 进气系统进行改装，实现了在汽油机的进气中均匀混入一定比例的氧气。并通过缸 内压力、高压油管压力、氧浓度等传感器的布置，获取了分析内燃机工作过程所需 的必要数据。通过氧浓度传感器控制进入氧气的浓度，在发动机不同转速的时候测 得不同的排放物的含量。通过对排放物的含量进行测试及比较，再通过计算得出结 果，可以得出结论。 2.2 试验内容及试验装备 （1）试验样机：本试验样机是采取中航工业哈尔滨发动机集团生产的东安发动 机 4g18 单顶置凸轮轴、直立四缸 16 气门汽油机，如表 2.1 其主要参数如下： 表 2.1 东安 4g18 汽油机主要参数 型式直列、四缸、水冷最低空载转速800r/min 凸轮轴型式sohc排气量 1598cm 3 缸径76.0mm最大扭矩136nm/4500rpm 压缩比11.0各缸工作顺序1-3-2-4 最大功率75kw/6000rpm冲程87.3mm （2）试验主要测量参数：转速、扭矩、缸内压力、油管压力、角标信号(转角 信号和基准信号)、进气温度和压力、排气温度和压力、排气、排气 nox含量、机油 温度和水温等信。试验系统示意图见 2.1 （3）供氧系统：为了给汽油机提供持续可控的富氧空气，本试验专门设计了一 套氧气供给系统。液氧罐中为纯度 70%的医业用氧气。进气控氧仪用来实时监测进 入气缸内的氧气含量。此套装置即可以通过对氧气供应量的调节，实现对进气氧浓 度的较精确控制。 7 1-燃烧分析仪；2-测控机；3-气体混合室；4-浮子流量计；5-氧气瓶；6-控氧仪；7-空气流量计；8-排气管；9-排 气分析仪；10-氧气分析仪；11-进气管；12-油门控制器；13-氧传感器；14-三元催化转化器； 15-汽油；16-控油阀；17-油耗仪；18-联轴器；19-测功机 图 2.1 试验系统示意图 图 2.2 具体实验装置 （4）表 2.2 实验仪器及设备： 表 2.2 主要仪器设备 设备名称型号生产厂家 汽油发动机4g18东安发动机 电涡流测功机cw160 燃烧分析仪indimodul621avl 李斯特公司 控氧仪ky-2f梅城电化分析仪器厂 排放分析仪amai60 双路直采avl 李斯特公司 8 （5）试验地点：本试验在黑龙江省工程学院汽车排放试验室进行。 （6）实验方案：从如表 2.3 转速 1200r/m 开始分别喷射 20.40%、22.50%、25% 体积分数的氧气。测得在不同体积分数氧气下转速的排放物以及缸内压力等相关数 据。每增加 1200 转的时候再次喷射体积分数为 20.40%、22.50%、25%的氧气，重复 测量。分析在不同转速的时候排放物的成分和含量。 表 2.3 东安发动机 4g18 实验方案 转速（r/min）进氧浓度（%）测量参考 120020.40%、 22.50%、 25% 气缸压力 尾气排放量 燃烧放热率 240020.40%、 22.50%、 25% 气缸压力 尾气排放量 燃烧放热率 360020.40%、 22.50%、 25% 气缸压力 尾气排放量 燃烧放热率 2.3 试验各测量参数的获得 对控氧仪进行检测观察氧气通入的体积分数，分别在不同的转速下进行试验； 通过观察油耗仪的变化测得汽油的消耗量；利用曲轴传感器对发动机的转矩转角进 行观测；通过测功机对发动机的输出功率进行记录；通过燃烧分析仪对气缸内的燃 烧过程进行分析；通过排放分析仪对尾气的成分及含量进行分析。经过对以上仪器 的分析数据及采集进行实验结果的讨论。 2.4 本章小结 本试验的发动机以及喷射系统未进行任何改动，点火提前角不变。对不同转速工 况下东安 4g18 汽油机在氧气进气体积分数分别为 20.40%、22.50%、25%时的进行 富氧燃烧。 分别记录气缸内压力随曲轴转角的变化值、瞬时放热率随曲轴转角变化的放热 值以及 hc、co、nox排放量随氧气进气体积分数变化的变化值。 9 第 3 章 富氧燃烧对汽油机燃烧特性试验研究 3.1 引言 内燃机台架试验对于研究内燃机富氧燃烧的性能及燃烧过程，发展内燃机富氧 燃烧理论具有重要意义。本章从汽油机进气富氧试验的测试结果入手，分析进气富 氧对汽油机燃烧特性的影响，并根据缸内压力、滞燃期、燃烧放热规律等燃烧过程 信息，探讨进气富氧对燃烧过程的影响。 3.2 汽油机富氧燃烧的燃烧过程 3.2.1 缸内压力 （1）图 3.1 为转速为 1200r/min、扭矩为 20nm 的情况下，曲轴转角与缸内压 力的变化曲线： 图 3.1 不同氧气浓度下缸内压力曲线 氧气体积分数分别为 20.40%、22.50%、25%变化，在氧气体积分数为 20.40%时 曲轴转角变化 360，缸内压力的峰值达到 18.8mpa。氧气体积分数为 22.40%时曲 轴转角变化 360，缸内压力的峰值达到 20mpa。氧气体积分数为 25%时，缸内压 力为 22.0mpa。实验表明：随着氧气含量的增加缸内压力逐渐升高，缸内压力峰值 也在逐步升高。在富氧燃烧条件下压力峰值增大，最大放热相位提前，前期燃烧量 明显增大。 （2）图 3.2 示转速为 2400r/min、扭矩为 20nm 时，曲轴转角与缸内压力的变 10 化图形；氧气进气体积分数分别为 20.40%、22.40%、25%。在氧气体积分数为 20.40%时， 曲轴转角变化 360，缸内压力峰值达到 21.5mpa；氧气体积分数为 22.5%时，曲轴 转角变化 360，缸内压力峰值达到 23mpa。在氧气体积分数为 25%时，曲轴转角 变化 360，缸内压力的峰值达到了 47.5mpa。试验表明：随着氧气浓度的增加，缸 内压力逐渐升高，气缸放热率也逐步升高，富氧燃烧使氧分子与燃料充分燃烧，火 焰传播速度剧烈，使得燃料完全燃烧。 图 3.2 不同氧气浓度下缸内压力曲线 （3）图 3.3 发动机转速在 3600r/min 时，曲轴转角与缸内压力的变化图形； 图 3.3 不同氧气浓度下缸内压力曲线 氧气体积分数分别为 20.40%、22.40%、25%时。在氧气体积分数逐渐升高时， 11 可以观察出缸内压力的峰值有了明显的变化。随着氧浓度的增加缸内压力的峰值从 23.2mpa 逐渐增加，当氧浓度增加到 25%后，缸内峰值达到了 26.2mpa。缸内压力的 增加可影响动力性的增加，使燃料更加充分的燃烧，加快了混合气的燃烧进程，使 缸内压力上升较快。 3.3.2 放热规律分析 由于进气富氧使气缸内各处气体的氧浓度增加。燃料的化学反应速率加快，促 进了预混合燃烧期内的燃烧过程，使火焰传播和放热率加速进行。如图 3.4 图 3.4 不同氧气进气体积分数下瞬时放热率曲线 图 3.4 为发动机转速在 3600r/min 时汽油机的输放热率随进气氧浓度的变化情况。 在试验过程中并未对油泵做任何改动，可以认为最大供油量基本不变。曲轴转角在 达到 8的时候能够达到峰值，这是因为随着进气氧气体积分数的增加，燃料的放热 率在逐渐升高。进气氧气体积分数的增加使得燃料燃烧的更加完全。 3.3 本章小结 （1）发动机在不同转速下，缸内压力随着进气氧气体积分数增加而升高。发动 机的转速为 3600r/min，曲轴转角在 8时，峰值能够达到最大值，气缸功率最大。 （2）随着进气氧气体积分数的升高放热率的峰值逐渐增大，氧气体积分数直接 影响着放热率的升高；进气氧气体积分数的升高促使燃料的瞬时放热率的上止点延 后，达到放热率峰值的曲轴转角延后。 12 第 4 章 富氧燃烧对汽油机性能的试验研究 4.1 hc 的排放特性 图 4.1 为转速是 3600r/min，扭矩分别为 20nm 和 70nm 氧气浓度分别为 20.40%、22.50%、25%时 hc 变化图形； 图 4.1 hc 排放随氧气体积分数的变化 图 4.1 表示出的是 3600r/min 时 hc 的排放随氧气体积分数的变化。同等的扭矩 下 hc 排放随着氧气体积分数增加而降低；扭矩增加，随着氧气体积分数增加，hc 的下降幅度加大。这是因为氧气进气体积分数升高，促进了着火和燃烧，使得 hc 分子与氧分子接触更加充分，从而减少了 hc 的生成。 4.2 co 的排放特性 图 4.2 为转速是 3600r/min，扭矩分别为 20nm 和 70nm 时氧气浓度分别为 20.40%、22.40%、25%时 co 变化图形； 图 4.2 表示出的是 3600r/min 时 co 的排放随氧气体积分数的变化。同等的扭矩 下 co 排放随着氧气体积分数增加而降低；扭矩增加，随着氧气体积分数增加，co 的下降幅度加大。产生原因：充入气缸内的氧气体积分数提升后，产生的 co 再次 于氧气充分接触，缸内压力增加，缸内分子活动更加剧烈，使得 co 分子于氧分子 接触全面，进而产生了更多的 co2，减少了排放的污染。 13 图 4.2 co 排放随氧气体积分数的变化 4.3 nox排放特性 （3）图 4.3 是发动机在转速为 3600r/min，扭矩分别为 20nm 和 70nm 时，氧 气体积不同 nox的变化图形； 图 4.3 nox排放体积随氧气体积分数的变化 随着氧气浓度的不断增加，可以观察到：排放尾气中 nox的含量在氧含量增加 的同时逐渐增大。nox生成的条件是富氧、高温、和停留时间。氧气在汽缸内体积 分数越大，停留时间越长，汽缸内温度升高，形成 nox的必要条件，所以增加氧气 含量会造成 nox体积分数的增大。氧气体积分数的增加会导致三元催化转化器对 nox催化效率减低。 4.4 经济性的影响及分析 图 4.4 是汽油机转速在 3600r/min，扭矩在 70nm 和 20nm 时比油耗的随进气 氧气体积分数变化的特性曲线。由此图可以看出进气氧气体积分数由 20.40增加到 25，比油耗变化可以忽略不计。可见，进气富氧不需要增加汽油机的油耗量，从 而提高汽油机的经济性。 14 燃料利用率的角度而言，进气氧浓度的增加使燃料分子与氧气分子接触的机会 增多有利于燃料的充分燃烧，把 nox、co、hc 排放物占有的能量进一步释放出 来。从热力学的角度而言，进气氧浓度的增加可以加快燃烧的化学反应速率，加快 燃烧过程，使大部分燃料在更接近上止点的位置燃烧放热。形成更高的缸内压力和 温度，提高循环的有效热效率。以上原因可解释为进气富氧可以降低汽油机的比油 耗。 图 4.4 不同氧气进气浓度下比油耗曲线 需要指出的是，由于本试验并未对汽油机的燃烧系统和喷油量、喷油规律做任 何改动。可以说进气富氧的经济性仍有改善的空间。如果根据进气富氧的燃烧特性 对燃烧系统进行改进。并根据进气氧浓度重新标定供油系统，进气富氧燃烧的比油 耗将进一步降低。 4.5 动力性的影响及分析 图 4.5 是不同氧气进气体积分数下累计放热率曲线； 15 图 4.5 不同氧气进气体积分数下累计放热率曲线 由此图可以看出曲轴转角在-2020之间累计放热率上升的速率达到了最高。在 发动机转速为 3600r/min、扭矩为 70nm 时，累计放热量随着氧气进气体积分数的增 加而有明显的增加，放热率的峰值会逐渐升高。发动机的动力性可以看作是由于燃 料放热提供输出功，所以可看作以累计反热量曲线的趋势可以看作是发动机动力性 的变化曲线。可以得出结论：发动机转速一定时，氧气的进气体积分数增加，累计 放热量增加，发动机的输出功率会逐渐增加。 4.6 本章小结 随着进气氧气体积分数的升高，排放气体中 co 和 hc 的排放体积都在逐渐减 少。只有 nox的体积分数随着进气氧气体积分数升高而升高。这是因为氧气在气缸 内体积分数越大，停留时间越长，汽缸内温度升高，形成 nox的必要条件，所以增 加氧气含量会造成 nox体积分数的增大。三元催化剂催化 nox的反应速率能力降低。 而氧气体积分数的增高可以使得氧分子的浓度增加，促使氧气分子与 co 和 hc 的 分子充分接触，减少 co 与 hc 的排放。 随着氧气进气体积分数的增加，发动机油耗率不变，发动机的输出功率增加。 试验说明：富氧燃烧可以提高发动机的输出功率从而达到减少燃料消耗，提高了发 动机的动力性与经济性。 16 第 5 章 排放物有害物质的分析 5.1 引言 目前普遍认为采富氧助燃会导致气缸火焰中心温度和氧含量提高，从而使 nox 排放量增加，而实际情况并非如此：美国芝加哥气体研究所、宾州奥林顿气体化合 物产品公司等进行的联合试验证明富氧燃烧能有效地降低 nox的排放量，在燃烧余 氧量为 5%的条件下，nox的排放量减少了 40%50%9。采用富氧助燃降低了燃料 的燃点温度，不仅能促进燃烧反应完全、使得空气过剩系数显著降低，而且能使 nox排放量降低。车用汽油发动机是大气的主要污染源之一，由于其燃烧方式与柴 油机不一样，造成较大的未燃 hc 排放。随着环境污染的日益严重，人们对发动机 的排放提出了严格的法规，促使对未燃 hc 的生成机理与排放进行更加深入的研究。 co 是一种无色无味对人体有害的气体，co 分子与人体的血红蛋白细胞结合促使人 体中毒10。 5.2 有害气体 hc 的分析 5.2.1 hc 的生成机理 （1）不完全燃烧(氧化)。发动机运转时，若混合气过浓或过稀，或者废气被严 重稀释，或者点火系统发生故障，则火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合气 着火，或者着火后又在传播过程中熄灭，致使混合气中部分燃料，甚至全部燃料以 未燃 hc 形式排出，使 hc 排放明显升高。 （2）壁面淬熄效应。壁面淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷 却(也称激冷)，使活化分子的能力被吸收，链式反应中断，在壁面形成 0.1mm0.2mm 的不燃烧或不完全燃烧的火焰淬熄层，产生大量未燃的 hc。 （3）狭缝效应。狭缝主要指活塞头部、活塞环和气缸壁之间的狭小缝隙，火花 塞中心电极的空隙，火花塞的螺纹、喷油器周围的间隙等处。汽油机工作时总有一 些液态油滴或燃油蒸气隐藏在这些缝隙中，因火焰无法传人其中而不能燃烧，于是 成为未燃烧 hc 的一个来源。 （4）壁面油膜和积炭吸附。在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以 及沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃混 合气和燃料蒸气，在膨胀和排气过程中这些吸附的燃料蒸气柱随之进入气态的燃烧 产物中。这样 hc 的少部分被氧化，大部分则随已燃气体排出气缸。 17 5.2.2 影响 hc 生成的因素 （1）空燃比的影响 空燃比对 hc 排放浓度的影响甚大。通常 hc 排放浓度和数量有随混合气变稀 而下降的趋势，但是，当混合气空燃比大于 14.7：1 时，混合气过分稀薄，易发生火 焰不完全传播以至断火，使 hc 排放量迅速增加。因此，凡影响空燃比和排气后反 应的因素，如大气压力、进气温度、排气温度、排气中的含氧量等，也必然影响 hc 的排放。 （2）点火提前角的影响 点火提前角推迟，后燃严重。一方面，降低了混合气燃烧时的燃烧室面积，激 冷壁面面积减小；另一方面，导致排气温度上升，促进 hc 在排气系统中的氧化。 这些都使最终排出的 hc 减少。 （3）转速的影响 发动机转速对 hc 排放浓度的影响非常明显。转速较高时，增大了混合气的扰 流混合和涡流扩散，同时也增加了排气的扰流和混合，使 hc 排放浓度明显下降。 转速较低时，汽油雾化差、混合气很浓、残余废气系数大，hc 排放浓度较高。 （4）负荷的影响 发动机试验结果表明，当空燃比和转速保持不变，并按最大功率调节点火时间 时，改变负荷对 hc 排放浓度几乎没有影响，但在负荷增加时，hc 排放量会因废气 流量变大而几乎呈线性增长。 （5）冷却水及燃烧室壁面温度的影响 提高汽油机冷却水及燃烧室壁面温度，可降低狭缝容积中储存的 hc 含量，减 少淬熄层的厚度，改善狭缝容积逸出的 hc 及淬熄层扩散出来的燃油的氧化条件， 而且可改善燃油的蒸发、分配，提高排气温度，使 hc 排放物减少。 （6）排气背压的影响 当排气管上装上催化转化器或消声器后，排气背压增加，留在缸内的废气增多， 未燃的烃会在下一循环中被烧掉，排气中的 hc 含量将降低，然而，如果背压过大， 则留在缸内的废气过多，稀释了混合气，燃烧恶化，排出的 hc 会增加。 （7）燃烧室壁面沉积物的影响 沉积在活塞顶部、燃烧室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃 混合气和燃料蒸气，在排气过程中再释放出来。因此，燃烧室壁面沉积物的增加， 使 hc 的排放量增加。 （8）燃烧室面容比及相关结构因素的影响 18 燃烧室面容比通常是指活塞位于上止点时燃烧室的表面积和余隙容积之比，它 既与燃烧室的主要结构参数有关，又是衡量燃烧室激冷效应强弱的一个重要因素。 燃烧室面容比大，单位容积的激冷面积亦随之增大，则壁面激冷层中所包含的未燃 烃总量也随之增加。 （9）燃料性质的影响 汽油的辛烷值、挥发性也会影响 hc 的排放量。辛烷值太低或挥发性太差都会 使 hc 的排放量增加11。 5.2.3 汽油机控制 hc 排放的主要净化措施 （1）燃烧系统的改进 燃烧室面容比越小，结构越紧凑，传热损失就越小，混合气越均匀，燃烧过程 完成得就越稳定且快，hc 排放就越低。因此，圆盘形、浴盆形、楔形燃烧室越来越 多地被半球形、帐篷形、屋顶形等紧凑型燃烧室所代替。现代汽油机大多采用火花 塞布置在燃烧室中央，以缩短火焰传播距离，加速燃烧过程。提高发动机的压缩比， 从而提高缸内混合气温度，可以促进混合气的形成和燃烧，达到减少 hc 排放的目 的。 （2）推迟点火提前角 适当推迟点火提前角会降低 hc 的排放量。但会引起有效压力的下降和燃油消 耗率的上升。因此，靠这种方法降低 hc 的排放有一定限度。 （3）汽油缸内直接喷射(gdi) 进气管低压电控燃油喷射系统发动机在冷启动时，进气管内的气流速度低，燃 油蒸发不良会导致形成油膜，进入缸内会直接附着在进气门底面、缸套壁面等处， 再加上混合气过浓，燃烧不完全，形成大量的未燃 hc 排出机外。采用 gdi 的发动 机改善了油气的混合机理，冷启动时不再需要过量供油，hc 的排量大为降低。gdi 发动机完全避免了在进气门等表面形成油膜，燃油计量准确，属于稀燃。 （4）高能点火与两次、多次点火技术 高能点火对 hc 排放的作用有两方面，一是增大了初始火核半径，有助于提高 燃烧速度和减少循环变动；二是降低混合气较稀时的熄火概率，使发动机可用稍稀 的混合气，从而减少 hc 的排放。采用两次、多次点火技术可以改善启动、怠速工 况下 hc 的排放。 （5）热反应净化器与两次空气供给装置 热反应净化器尽量安装在靠近排气总管出口处的排气管路中，两次空气和排气 中的未燃混合气混合后，利用排气本身的余热保持高温，并给予一定的反应时间， 使 hc 和 co 再燃烧。影响热反应净化的一个重要因素是排气中 o2的浓度，当热反 19 应器内有足够的 o2时，hc 和 co 的净化效果较好。要提高 o2的浓度，可以通过两 次空气供给装置向排气中喷人适量的两次空气，喷射量由排气管中的 hc 和 co 含 量决定。 （6）hc 吸附器与三效催化转化器 在发动机排气尾管中安装 hc 吸附器。通过吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷 启动和怠速时排出的 hc。三效催化转化器是利用催化剂促进发动机排气中 hc、co 和 nox发生反应生成无害的物质。国内广泛使用的是价格低廉的稀土催化剂。发动 机暖机工作一段时间后，吸附介质温度升高，如果达到 hc 的脱附温度，吸附器将 释放吸附的 hc。与此同时，三效催化转化器的温度也会上升，如果在吸附器释放 hc 之前，使三效催化转化器达到起燃温度，则可以使冷启动阶段的 hc 排放大幅降 低。此外还可