汽油机的富氧燃烧试验研究

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。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，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：汽油机；富氧燃烧；转速；排放特性；燃烧特性s in of In s of to be a to in in of of of on of 25%as as of in up of 摘要. 引言. 国内外内燃机富氧燃烧的研究现状.外情况.内情况. 汽油发动机机燃烧机理. 本论文研究的意义和主要内容.论文的研究意义.论文的研究内容. 引言. 试验内容及试验装备.试验各测量参数的获得.本章小结. 引言. 汽油机富氧燃烧的燃烧过程.热规律分析. 本章小结. 经济性的影响及分析. 动力性的影响及分析. 本章小结. 引言. 有害气体.有害物质. 有害气体.燃比的控制.化技术降低富氧. 本章小结.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。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耗下降20，而熔化温度提高100。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。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：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988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；德国汉诺威大学备了工业应用的潜力4。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，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，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，国德州农工大学的现当进气氧浓度由21%提高至25%，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，本名古屋大学的究了氧浓度以及混合气的当量比对火焰结构以及成的影响。研究发现对于逆扩散火焰，氧浓度增高，高温区的宽度变大，导致以优化富氧燃烧过程，控制。为了控制富氧燃烧过程中的究人员对各种抑制成的技术措施进行了探讨。日本学者现对于30氧含量的情况下，6。美国阿贡国家实验室的究表明：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8。美国海军研究中心的得了减少效果。美国通用汽车公司的油量和喷射定时进行优化的情况下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。氧浓度对汽油机的影响，发现滞燃期大幅缩短，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。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。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、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。论文的研究内容基于上述目的，本论文要做一下工作：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。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。东安4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O、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。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4立四缸16气门汽油机，安4列、四缸、水冷 最低空载转速 800r/气量 1598大扭矩 136500缸工作顺序 15000程 ）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、排气油温度和水温等信。）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。1012345678体实验装置（4）要仪器设备设备名称 型号 生产厂家汽油发动机 4安发动机电涡流测功机 燃烧分析仪 城电化分析仪器厂排放分析仪 ）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：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。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。安发动机4r/进氧浓度（%） 测量参考1200 25% 气缸压力尾气排放量燃烧放热率2400 25% 气缸压力尾气排放量燃烧放热率3600 25% 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。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。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O、3章 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。）矩为20N轴转角与缸内压力的变化曲线：25%变化，曲轴转角变化360，曲轴转角变化360，缸内压力的峰值达到20气体积分数为25%时，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）矩为20N轴转角与缸内压力的变化图形；25%。，曲轴转角变化360，曲轴转角变化360，缸内压力峰值达到23氧气体积分数为25%时，曲轴转角变化360，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。同氧气浓度下缸内压力曲线（3）轴转角与缸内压力的变化图形；25%时。在氧气体积分数逐渐升高时，可以观察出缸内压力的峰值有了明显的变化。氧浓度增加到25%后，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。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。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。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/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。矩分别为20N25%时等的扭矩下矩增加，随着氧气体积分数增加，是因为氧气进气体积分数升高，促进了着火和燃烧，使得而减少了为转速是3600r/矩分别为20N25%时等的扭矩下矩增加，随着氧气体积分数增加，生原因：充入气缸内的氧气体积分数提升后，产生的内压力增加，缸内分子活动更加剧烈，使得而产生了更多的少了排放的污染。）矩分别为20N气体积不同以观察到：排放尾气中温、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，形成以增加氧气含量会造成气体积分数的增加会导致三元催化转化器对矩在70N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。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O、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。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。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20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/矩为70N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。章小结随着进气氧气体积分数的升高，排放气体中有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，形成以增加氧气含量会造成元催化剂催化氧气体积分数的增高可以使得氧分子的浓度增加，促使氧气分子与少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。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燃烧余氧量为5%的条件下，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0。）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