姚佳巖，盛 翔，盛革平，齊曉杰，薛大維

（1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林132012）

富氧燃燒技術(shù)的最大特點(diǎn)就是燃燒效率高，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，同時(shí)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒的熱效率在一定程度上隨空燃比增加而增加，且富氧燃燒有利于改善汽油發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷性能，這對(duì)于經(jīng)常工作在部分負(fù)荷工況的汽油機(jī)具有重要意義。汽油機(jī)富氧燃燒，即缸內(nèi)有足夠的氧氣，避免由于發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒產(chǎn)生CO和HC。

1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒模型

1.1 汽油機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)是汽油機(jī)燃燒工作過(guò)程的一大特征。它是在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以某一定工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，本循環(huán)和下一循環(huán)的燃燒過(guò)程進(jìn)行不斷變化，主要具體表現(xiàn)在壓力曲線、火焰?zhèn)鞑ヒ约鞍l(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出不同。為了改善火花點(diǎn)火汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，必須重視對(duì)燃燒循環(huán)波動(dòng)現(xiàn)象的研究，主要因?yàn)?①發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致產(chǎn)生較高的排氣污染；②汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火提前角、空燃比主要是根據(jù)“平均”循環(huán)要求確定的，對(duì)大多數(shù)循環(huán)并不是最佳值，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比和燃料辛烷值主要根據(jù)最傾向于敲缸循環(huán)的要求確定，因此汽油發(fā)動(dòng)機(jī)只有減少燃燒循環(huán)變動(dòng)，才有可能獲得最佳性能；③發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)可導(dǎo)致平均指示壓力和輸出扭矩變動(dòng)，使車輛操縱性能惡化。

表征汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)的參數(shù)可以分成3類:

1）與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒率有關(guān)參數(shù)，如最大燃燒率、火焰發(fā)展角Δφd（通常用10%已燃質(zhì)量率作為火焰發(fā)展角的終點(diǎn)）、速燃角Δφb（通常用90%已燃質(zhì)量率作為火焰發(fā)展角的終點(diǎn)）表示。

2）與氣缸壓力有關(guān)的參數(shù)，如最高氣缸壓力（pmax）；相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸最高壓力的曲軸轉(zhuǎn)角（Capmax）；發(fā) 動(dòng) 機(jī) 最 大 壓 力 升 高 率 （dp／dφ）max或（Dpmax）；相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率曲軸轉(zhuǎn)角（CaDpmax）；汽油發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出變化可用平均指示壓力變化表示。

3）與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)火焰前鋒位置有關(guān)參數(shù):用火焰燃燒半徑、火焰燃燒前鋒面積、發(fā)動(dòng)機(jī)已燃和未燃容積隨時(shí)間變化曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)火焰到達(dá)某一區(qū)域指定位置所需時(shí)間。

由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)壓力參數(shù)比較容易測(cè)量，因此通常用它來(lái)表征汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)。從發(fā)動(dòng)機(jī)壓力參數(shù)出發(fā)，定義發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)一個(gè)重要參數(shù)，即平均指示壓力波動(dòng)系數(shù)

式中:σimep為發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差；imep為發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力的平均值。

其中

式中:pij為j循環(huán)的平均指示壓力，MPa；m為循環(huán)數(shù)。

COVimep是評(píng)價(jià)燃燒穩(wěn)定性的主要參數(shù)。循環(huán)波動(dòng)在燃燒過(guò)程的早期（火花點(diǎn)火至氣缸壓力離開壓縮線，或從點(diǎn)火至形成一個(gè)具有某一臨界尺寸的火核）就已產(chǎn)生，如果達(dá)到火焰臨界尺寸的速率愈高，則燃燒的循環(huán)波動(dòng)愈小。發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差σpi愈小或者發(fā)動(dòng)機(jī)平均指示壓力的平均值ˉpi愈大，則發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的循環(huán)波動(dòng)愈小。即適當(dāng)提高氣流運(yùn)動(dòng)速度和湍流程度可改善混合氣的均勻性，則燃燒的循環(huán)波動(dòng)愈小，而富氧燃燒可改善油氣混合均勻程度，能降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的循環(huán)波動(dòng)。

1.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中有害污染物成分（THC、CO、NOx）的數(shù)量與混合氣的氧濃度有密切關(guān)系?；旌蠚膺^(guò)濃，即氧分子少，氧化反應(yīng)速度不夠，就易超出著火界限。氧濃度增加，使化學(xué)反應(yīng)速度加快，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，將會(huì)使著火界限擴(kuò)大。

1.2.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放

NOx包括NO和NO2，但發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中主要生成NO，另有少量NO2，故這里主要討論NO的計(jì)算。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，NO的生成主要有兩種途徑:一種是熱NO，由空氣中的氮在1 800K以上的高溫環(huán)境下氧化而生成；另一種是瞬發(fā)NO，后者占比例不大，一般不予考慮。NO的生成機(jī)理:

NO的生成率可表示為

式中:［］表示組分的濃度，ki（i＝1，2，…，6）是反應(yīng)率常數(shù)。上式表明，為了計(jì)算NO的生成量，必須知道O、OH、H和N的濃度。通常N原子濃度很小，對(duì)其可采取穩(wěn)態(tài)假設(shè)，即

于是N濃度表示為

得到

汽油機(jī)燃燒過(guò)程進(jìn)行得很快，反應(yīng)層很薄，在火焰區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間很短。NO是在火焰前鋒和火焰后的已燃區(qū)中產(chǎn)生的。所以在進(jìn)行［NO］生成量的預(yù)測(cè)時(shí)，認(rèn)為O、O2、H、OH、N2處于平衡濃度狀態(tài)，直到降到NO的凍結(jié)溫度。根據(jù)熱力學(xué)平衡方程式得到

1.2.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)CO、HC的排放

CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，其生成主要受混合氣氧濃度的影響。如果當(dāng)氧氣量不足時(shí)，就會(huì)有部分燃料不能完全燃燒，而生成CO。但燃?xì)庵械难鯕饬砍渥銜r(shí)，理論上燃料燃燒后不會(huì)存在CO。

車用發(fā)動(dòng)機(jī)中的未燃HC都是在缸內(nèi)的燃燒過(guò)程中產(chǎn)生并隨排氣排放。HC主要是燃燒過(guò)程中未燃燒或燃燒不完全的碳?xì)淙剂稀?/p>

2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒試驗(yàn)

試驗(yàn)采用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸頂置凸輪軸式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油機(jī)技術(shù)參數(shù):氣門數(shù)是16，缸徑、沖程分別是76、87.3mm，排量是1 584cm3，最大扭矩是134／4 500N·m／rpm，壓縮比是9.5∶1。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力測(cè)量采用AVLGU13Z－24型火花塞式發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓信號(hào)采集間隔0.2℃A。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒分析系統(tǒng)采用AVL公司的INDIMODUL－621模塊化高速燃燒分析儀器設(shè)備。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣測(cè)量系統(tǒng)采用AVL公司的AMA I60雙路直采氣體排放分析儀，即時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)排放有害氣體THC、CO和NOx。其中，HC排放采用氫火焰離子化型分析儀（FID），CO和CO2采用非分光紅外線吸收型分析儀（NDIR），NOx采用化學(xué)發(fā)光型分析儀（CLD）。

2.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的循環(huán)波動(dòng)試驗(yàn)

圖1為不同富氧程度對(duì)循環(huán)波動(dòng)率的影響。氧濃度增加，循環(huán)波動(dòng)率下降。這是因?yàn)檫M(jìn)氣中氧濃度增大，火花塞周圍廢氣濃度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中殘余廢氣系數(shù)有所降低，有利于火核的形成和初始生長(zhǎng)，致使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤铀倭嘶鹧媲颁h面內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)速度，改善了混合氣的均勻性，提高了氣流運(yùn)動(dòng)速度和湍流程度，導(dǎo)致循環(huán)波動(dòng)率下降。

圖1 不同富氧程度對(duì)循環(huán)波動(dòng)率的影響

2.2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放物試驗(yàn)

圖2 為不同富氧程度對(duì)THC排放的影響。氧濃度增加，THC的排放明顯下降。主要由2點(diǎn)原因引起的:①進(jìn)氣中氧濃度增加，燃燒過(guò)程中，火焰溫度提高、火焰的傳播速度加快，使活化分子的能量被釋放，燃燒室壁面溫度提高，由于縫隙效應(yīng)和形成很厚的淬熄層大部分燃燒或完全燃燒；②進(jìn)氣中氧濃度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)失火率下降，殘余廢氣系數(shù)減小，使燃料燃燒完全，從而導(dǎo)致THC的排放明顯下降。致使THC的排放明顯下降。

圖2 不同富氧程度對(duì)THC排放的影響

圖3 為不同富氧濃度對(duì)CO排放的影響。CO的生成主要受氧濃度的影響。氧濃度增加，CO的排放明顯下降。進(jìn)氣中增加氧濃度，燃料分子與氧分子有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)了混合氣形成，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中的碳大部分或完全氧化成CO2，從而減少了CO和THC的排放量。

圖3 不同富氧程度對(duì)CO排放的影響

圖4 為不同富氧濃度對(duì)NOx排放的影響。依據(jù)高溫NO反應(yīng)機(jī)理，生成NO的三個(gè)要素是氧濃度、反應(yīng)時(shí)間和溫度，即燃燒開始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞接近上止點(diǎn)，由于增加了氧體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俣仍龃?，致使燃燒溫度增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的氧濃度條件下，溫度越高、反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，則NO生成量增加。所以發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)增加，NOx的排放明顯增加。此時(shí)正好滿足產(chǎn)生NO的三要素，造成NOx的排放明顯上升。

圖4 不同富氧程度對(duì)NOx排放的影響

3 結(jié) 論

1）針對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒進(jìn)行分析，建立了汽油機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)和排放污染物生成模型。

2）通過(guò)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)和排放生成物的理論分析與試驗(yàn)相一致。

3）通過(guò)定性分析和定量分析富氧燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。

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