汽油機(jī)的富氧燃燒試驗(yàn)研究

汽油機(jī)的富氧燃燒試驗(yàn)研究,汽油機(jī),燃燒,焚燒,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn),研究,鉆研 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 I 摘 要 隨著我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展和推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要， 對(duì)于社會(huì)上應(yīng)用廣泛，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中具有十分重要作用的動(dòng)力機(jī)械- 內(nèi)燃機(jī)，也提出了進(jìn)一步提高性能，減少能源消耗和降低對(duì)環(huán)境的污染要求，而內(nèi) 燃機(jī)燃燒性能的好壞是直接影響內(nèi)燃機(jī)的能耗性能和排放的重要因素。近年來，我 國(guó)廣大內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的科技工作者通過大量的研究，試驗(yàn)工作取得了許多科技成果使 我國(guó)國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的燃燒性能得到了很大的改善和提高。但是，以往對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒的 研究大多集中在內(nèi)燃機(jī)工質(zhì)的形成燃燒室，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及其三者之間的相互匹配 等方面對(duì)于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量方面的研究則較少見。 在汽油機(jī)上應(yīng)用進(jìn)氣富氧技術(shù)不但可以顯著降低污染物的排放，而且還能夠提 高燃燒熱效率、增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)汽油機(jī)富氧燃燒技 術(shù)和理論進(jìn)行了積極的探索。本文采取臺(tái)架試驗(yàn)與模擬計(jì)算相結(jié)合的研究方法對(duì)進(jìn) 氣富氧技術(shù)應(yīng)用開展研究，探索進(jìn)氣富氧對(duì)汽油機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下燃燒與排放的影 響規(guī)律，對(duì)進(jìn)氣富氧技術(shù)的發(fā)展與完善具有重要意義。在汽油機(jī)上應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的 氧氣供給系統(tǒng)，進(jìn)行進(jìn)氣中氧氣體積百分?jǐn)?shù)分別為 20.40%、22.45%、25%的富氧燃 燒試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：采用增加進(jìn)氣富氧的措施可以實(shí)現(xiàn)在有效減少污染物排放。同 過測(cè)量缸內(nèi)壓力、高壓油管壓力以及其它運(yùn)行參數(shù)，獲取滯燃期、缸內(nèi)壓力、燃燒 放熱規(guī)律等燃燒過程信息，分析探討了進(jìn)氣富氧對(duì)燃燒過程的影響。汽油機(jī)的著火 滯燃期明顯縮短，著火始點(diǎn)和放熱始點(diǎn)前移，缸內(nèi)最高燃燒壓力增大，著火急燃期 放熱峰值增大。這是因?yàn)檫M(jìn)氣中氧濃度的增加有助于加快燃油分子的先期氧化反應(yīng)， 加快著火前的化學(xué)準(zhǔn)備過程，進(jìn)而縮短滯燃期。而著火的化學(xué)準(zhǔn)備、預(yù)混燃燒速率、 滯燃期內(nèi)噴油量這三方面的因素共同影響著最大壓力升高率和預(yù)混放熱峰值。 關(guān)鍵字：汽油機(jī)；富氧燃燒；轉(zhuǎn)速；排放特性；燃燒特性 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 II ABSTRACT With the rapid development of China's 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, China's 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 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 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 III 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 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 i 目 錄 摘要 I AbstractII 第 1 章 緒論 .1 1.1 引言 1 1.2 國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 國(guó)外情況 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)情況 1 1.3 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)燃燒機(jī)理 2 1.4 本論文研究的意義和主要內(nèi)容 4 1.4.1 本論文的研究意義 4 1.4.2 本論文的研究?jī)?nèi)容 5 第 2 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)燃燒與排放影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì) .6 2.1 引言 6 2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)裝備 6 2.3 試驗(yàn)各測(cè)量參數(shù)的獲得 8 2.4 本章小結(jié) 8 第 3 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)燃燒特性試驗(yàn)研究 9 3.1 引言 9 3.2 汽油機(jī)富氧燃燒的燃燒過程 9 3.2.1 缸內(nèi)壓力 .9 3.3.2 放熱規(guī)律分析 .11 3.3 本章小結(jié) .11 第 4 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)性能的試驗(yàn)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 經(jīng)濟(jì)性的影響及分析 .13 4.5 動(dòng)力性的影響及分析 .14 4.6 本章小結(jié) .15 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 ii 第 5 章 排放物有害物質(zhì)的分析 .16 5.1 引言 .16 5.2 有害氣體 HC 的分析 .17 5.2.1 HC 的生成機(jī)理 .16 5.2.2 影響 HC 生成的因素 17 5.2.3 汽油機(jī)控制 HC 排放的主要凈化措施 18 5.3 有害物質(zhì) CO 的分析 19 5.3.1 CO 的生成機(jī)理 19 5.3.2 CO 排放的影響因素 19 5.4 有害氣體 NOX的分析 .20 5.4.1 NOx 的生成機(jī)理 20 5.4.2 空燃比的控制 .21 5.4.3 NOx 轉(zhuǎn)化效率及經(jīng)濟(jì)性分析 21 5.4.4 催化技術(shù)降低富氧 NOx 排放技術(shù) .22 5.5 本章小結(jié) .23 結(jié)論 24 參考文獻(xiàn) 25 致謝 27 附錄 28 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 1.1 引言 汽車的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃油燃燒所放出的熱能。而燃油燃燒放出熱能 為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的同時(shí),其燃燒后產(chǎn)生的廢氣又會(huì)對(duì)大氣造成污染。近年來由于石 油價(jià)格的飛漲和汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒技術(shù)提出了越來越高 的要求，此從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)方面考慮，國(guó)內(nèi)專家及科研院、所都在試圖尋找提高 發(fā)動(dòng)機(jī)功率、降低燃油消耗、減少排氣污染的最有效的方法。富氧燃燒技術(shù)能夠降 低燃料的燃點(diǎn),加快燃燒速度、促進(jìn)燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的排氣量、 提高熱量利用率和降低空氣過剩系數(shù),具有優(yōu)越的節(jié)能性能與環(huán)保性能，但國(guó)內(nèi)外對(duì) 富氧助燃技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的針對(duì)性研究較少 [1]。 1.2 國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外情況 早在上世紀(jì) 80 年代初，多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量人力物力來研究富氧技術(shù)， 特別是日本，投入了大量的人力物力研究富氧燃燒。該國(guó)曾在以氣油、煤燃燒的不 同場(chǎng)合進(jìn)行了各種富氧應(yīng)用試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：用 23％的富氧助燃可節(jié)能 10％～25％；用 25％的富氧助燃可節(jié)能 20％～40％，用 27％的富氧助燃則節(jié)能高達(dá) 30％～50％等。聯(lián)邦德國(guó)在一座馬蹄型蓄熱爐上用 27％的富氧試驗(yàn)使熔化率增加 56.2%,耗下降 20％，而熔化溫度提高 100c C[6]。瑞典、英國(guó)、德國(guó)在滾軋和鋁熔爐 裝置上采用膜法富氧濃度 25％～27％，節(jié)約燃料 12％～28％， 而原設(shè)備生產(chǎn)率提 高 17％～39％。美國(guó) WOLVERIN 銅冶煉廠，采用 29％的膜法富氧節(jié)約燃料可大于 30％ [9]。此外，前蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)、捷克等均有膜法富氧用于助燃的報(bào)道。值得 一提的是國(guó)外絕大部分用的是整體增氧來助燃，所以投資非常大，故國(guó)外還沒有廣 泛推廣應(yīng)用 [2]。 1.2.2 國(guó)內(nèi)情況 我國(guó)在上世紀(jì) 80 年代中期開始研究此項(xiàng)技術(shù)，并取得了可喜的成果。國(guó)內(nèi)在這 方面的研究也有十多家，如清華大學(xué)、東北大學(xué)、中科院大化所、中科院 廣州能源 所、遼寧省鍋爐技術(shù)研究所等單位對(duì)膜法制氧及富氧燃燒技術(shù)都進(jìn)行了積極的探索 與應(yīng)用。 中科院大連化物所自 1986 年起一直從事國(guó)家“七五”和“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 2 卷式富氧膜、組件、裝置及其應(yīng)用和開發(fā)的研究，并且研制成功 LTV—Ps 富氧膜， 1988 年獲中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。1990 年“用于玻璃窯爐的高分子膜富氧裝置 及燃燒技術(shù)”的成果又通過了中國(guó)科學(xué)院和北京市人民政府組織的聯(lián)合鑒定，被確 定為國(guó)家“八五”新技術(shù)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目 [3]。 內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒技術(shù)中，富氧的來源從一開始就是研究的重點(diǎn)，因?yàn)檫@是涉及 該技術(shù)是否具備實(shí)際應(yīng)用潛力的關(guān)鍵問題。在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣中吸入富氧空氣這是內(nèi)燃 機(jī)富氧燃燒研究一開始就采用的技術(shù)。美國(guó)通用汽車公司的 Poola 認(rèn)為：富氧空氣 的利用能否成功，取決于能否獲得可靠、緊湊而又經(jīng)濟(jì)的滲透膜，該膜應(yīng)能根據(jù)發(fā) 動(dòng)機(jī)的需要在車上產(chǎn)生理想的空氣成分。近年來，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用 膜技術(shù)分離空氣得到富氧進(jìn)氣提供內(nèi)燃機(jī)使用的技術(shù)日趨成熟，目前在內(nèi)燃機(jī)富氧 燃燒的研究中絕大部分是采取了富氧進(jìn)氣的供氧方式。利用膜分離技術(shù)可以達(dá)到氧 濃度最高為 35％；德國(guó)漢諾威大學(xué) Hamel、Christof 等所開發(fā)的用于分離空氣得到富 氧氣體的鈣鈦中空纖維膜已經(jīng)達(dá)到 800 小時(shí)的運(yùn)行壽命，具備了工業(yè)應(yīng)用的潛力 [4]。 1.3 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)燃燒機(jī)理 內(nèi)燃機(jī)因其所用的燃料不同分為汽油機(jī)和柴油機(jī)。由于燃料性質(zhì)的不同使得汽 油機(jī)與柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)、壓縮比以及燃料著火方式等方面有一定差異，使它們的燃燒 過程也略有不同。下面以汽油機(jī)為例，對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程各個(gè)階段的特點(diǎn)作簡(jiǎn)單描 述和分析。汽油機(jī)的燃燒過程可分為滯燃期、急燃期、緩燃期三個(gè)階段。 （1）滯燃期 滯燃期是從燃料進(jìn)入氣缸到開始著火的一段時(shí)期。在這一階段中，燃料要完成 從熱空氣中吸收熱量、提前的一系列化學(xué)準(zhǔn)備過程，包括燃油分子與空氣中的氧分 子的一系列預(yù)氧化中間反應(yīng)。一般來，為了使內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)柔和、減輕內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械 負(fù)荷，要求滯燃階段應(yīng)該越短越好。這就要求在氣缸中的氧氣量充足，以利于燃料 分子能夠充分與氧分子發(fā)生反應(yīng)，盡快完成化學(xué)準(zhǔn)備過程。但是，滯燃期過短，又 對(duì)混合氣的形成不利，反過來又使汽油機(jī)性能惡化。 （2）急燃期 從燃料開始著火到氣缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力為止的這段時(shí)期稱為急燃期。在這一階 段，活塞處于上止點(diǎn)附近，燃料的燃燒速度迅速加快，使工質(zhì)的壓力，溫度都急劇 上升，達(dá)到最高壓力。 （3）后燃期 從氣缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力到工質(zhì)出現(xiàn)最高溫度的階段稱為后燃階段。在這一階段， 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 3 燃燒仍以很快的速度進(jìn)行，工質(zhì)溫度很快升至最高溫度。由于活塞已離開上止點(diǎn)繼 續(xù)下降，氣缸容積逐步擴(kuò)大，故在此階段工質(zhì)壓力開始下降。如果希望保持工質(zhì)的 壓力不下降，使工質(zhì)對(duì)活塞的推動(dòng)力不變，就要求在此階段的燃燒速度能夠加快。 但是，由于在燃燒室中的廢氣和燃燒中間產(chǎn)物增多而氧分子減少，燃料分子與氧分 子進(jìn)行反應(yīng)的機(jī)會(huì)減少，必然使燃燒速度減慢，燃料可能在氧分子不足的情況下進(jìn) 行燃燒，發(fā)生熱裂變，造成燃燒不完全，影響燃燒的經(jīng)濟(jì)性和排氣的凈化 [5]。 在內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程中，燃料只有完全氧化才能放出全部熱量。向氣缸中供給 充分的燃料是比較容易的，而向氣缸中供給充分的氧氣供燃燒用則比較困難。目前， 為保證內(nèi)燃機(jī)燃燒完全，提高動(dòng)力性能，經(jīng)常采用的方法是增壓技術(shù)。增壓的優(yōu)點(diǎn) 是基本保證了燃燒完全，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)由于空氣量的增加，使內(nèi)燃機(jī)在同一循 環(huán)內(nèi)可燃燒更多的燃料，動(dòng)力性能也有較大的提高。但實(shí)際上，進(jìn)一步提高增壓壓 力受到了與空氣壓縮有關(guān)的復(fù)雜性和損失的限制(例如，需要兩級(jí)渦輪增壓和中間冷 卻)。采用進(jìn)氣富氧技術(shù)可以說是提高功率輸出的一種備選的或是輔助的辦法，可以 使用小型的渦輪增壓器和高分子膜系統(tǒng)(提供富氧空氣)聯(lián)合使用替代現(xiàn)有的渦輪增 壓中冷系統(tǒng)，同樣起到增加缸內(nèi)氧氣供給的效果。 大量的研究表明，NO x 的排放增加是制約內(nèi)燃機(jī)富氧燃燒技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng) 用的一個(gè)關(guān)鍵性的瓶頸問題。由于富氧燃燒對(duì)于減少污染物是非常顯著的，但是在 未采取特別的技術(shù)措施的情況下，NO x 的排放則會(huì)顯著增加。美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)的 Caton 等用熱力學(xué)循環(huán)模擬方法研究了富氧進(jìn)氣對(duì)汽油機(jī)的影響研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)氣氧 濃度由 21%提高至 25%， NOx 的排放增多 11％。究其原因，主要還是在于使用富氧 則會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)氧濃度增高，燃燒急劇而充分，火焰溫度過高，NO x 排放升高。日 本名古屋大學(xué)的 Kishimoto、Mamoru 從燃燒機(jī)理的角度對(duì)使用富氧空氣燃燒的火焰 結(jié)構(gòu)以及逆火焰對(duì) NOx 生成的影響開展了研列。研究了氧濃度以及混合氣的當(dāng)量比 對(duì)火焰結(jié)構(gòu)以及 NOx，生成的影響。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于逆擴(kuò)散火焰，氧濃度增高，高溫 區(qū)的寬度變大，導(dǎo)致 NOx 生成的熱量增加。所以優(yōu)化富氧燃燒過程，控制 NOx 生成 機(jī)理和技術(shù)成為近年來學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn) [6]。 為了控制富氧燃燒過程中的 NOx 排放增加的問題，研究人員對(duì)各種抑制 NOx 生 成的技術(shù)措施進(jìn)行了探討。日本學(xué)者 Nishimura 等通過控制空燃比來抑制富氧燃燒中 NOx 的生成，發(fā)現(xiàn)對(duì)于 30％氧含量的情況下， ＜ 0.6 和 ＞1.5 的狀況下可以實(shí)現(xiàn)低? NOx 排放 [16]。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 longman 等開展了富氧空氣缸內(nèi)噴射以降低汽 油機(jī)的排放的研究工作。研究表明：空氣噴射技術(shù)可以在壓縮行程取得一個(gè)比較低 的富氧濃度，但是在燃油噴射過程中通過優(yōu)化富氧空氣的噴射分布可以取得降低 NOx 的效果 [18]。美國(guó)海軍研究中心的 Roy 提出了富氧空氣和等離子技術(shù)減小未燃碳 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 氫以及 NOx 的新技術(shù)，取得了減少 NOx 排放 70％的效果。美國(guó)通用汽車公司的 Poola 等在對(duì)進(jìn)氣氧濃度、供油量和噴射定時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的情況下 NOx 排放量降低 15%~20%[7]。 在努力將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)工程實(shí)踐的同時(shí)，各國(guó)研究人員也從未放 棄其對(duì)燃燒過程的影響研究。Karim 和 Ward 研究了高達(dá) 50％的氧濃度對(duì)汽油機(jī)的 影響，發(fā)現(xiàn)滯燃期大幅縮短，NO x 的排放也大幅減少。缸內(nèi)壓力隨著氧濃度的增加 而增加，壓力升高率在含氧 38％的時(shí)候達(dá)到最高，隨后就穩(wěn)定下來。Ghojel 研究了 進(jìn)氣富氧使汽油機(jī)滯燃期縮短的問題，氧的摩爾分?jǐn)?shù)從 21％增加到 40％會(huì)導(dǎo)致滯燃 期的大幅縮短和減少燃燒噪聲。同時(shí)，最高燃燒壓力、燃料消耗率和排氣溫度也稍 有變化 [8]。 1.4 本論文研究的意義和主要內(nèi)容 1.4.1 本論文的研究意義 燃燒是目前人類獲取能量的一個(gè)最主要的手段，通過燃燒礦物燃料所獲取的能 量占世界總能量消耗的百分之九十以上。因此，燃燒過程組織得合理與否在很大程 度上影響到能源的利用程度和能耗的降低。在人類大量燃燒利用礦物質(zhì)燃料的同時(shí)， 產(chǎn)生了大量的溫室氣體和酸性氣體，是全球環(huán)境惡化的重要影響因素。21 世紀(jì)人類 面臨的最大課題是能源和環(huán)境問題，特別是像我國(guó)這樣一個(gè)人口多、人均資源少， 正在發(fā)展工業(yè)化的發(fā)展中國(guó)家來說，能源和環(huán)境問題更為突出。 中國(guó)是一個(gè)能源并不富裕的國(guó)家，節(jié)能降耗至關(guān)重要。為確立節(jié)能的戰(zhàn)略地位， 我國(guó)已經(jīng)把節(jié)約資源提升到基本國(guó)策的高度，并努力建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù) 發(fā)展。鑒于我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況，燃料消耗量較大，因而迫切需要加強(qiáng)燃燒的理論研究， 提高燃燒組織的技術(shù)水平。而提高熱利用設(shè)備的燃燒效率是至關(guān)重要的課題。富氧 燃燒是近代燃燒的節(jié)能技術(shù)之一。富氧燃燒技術(shù)能夠降低燃料的燃點(diǎn)，加快燃燒速 度、促進(jìn)燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的有害氣體排放量、提高熱量利用 率和降低過量空氣系數(shù)，被發(fā)達(dá)國(guó)家稱之為“資源創(chuàng)造性技術(shù)”。 國(guó)內(nèi)外研究工作 者在自然吸氣柴油機(jī)和汽油機(jī)上應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)做了大量的探索性研究。富氧燃 燒技術(shù)擁有和增壓技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用的技術(shù)潛力，在未來可以使用小型的渦輪增壓器和 高分子膜系統(tǒng)(提供富氧空氣)來替代現(xiàn)有的渦輪增壓中冷系統(tǒng) [14]。所以，在汽油機(jī) 上實(shí)施進(jìn)氣富氧燃燒試驗(yàn)，考察其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放特性，并深入分析產(chǎn)生各 項(xiàng)影響的機(jī)理對(duì)富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是一 個(gè)極為復(fù)雜的物理-化學(xué)變化過程，但它對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能和排放起著至關(guān)重要的影響 作用。滯燃期是燃燒過程的一個(gè)重要參數(shù)，而燃燒放熱規(guī)律強(qiáng)烈影響平均有效壓力、 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 燃油消耗率、最高燃燒壓力、燃燒噪聲等性能指標(biāo)。通過對(duì)缸內(nèi)壓力及其它運(yùn)行參 數(shù)進(jìn)行處理，獲取滯燃期、缸內(nèi)壓力、燃燒放熱規(guī)律等燃燒過程信息，分析進(jìn)氣富 氧對(duì)燃燒過程的影響，有助于豐富和發(fā)展富氧燃燒理論。 1.4.2 本論文的研究?jī)?nèi)容 基于上述目的，本論文要做一下工作： 1.汽油機(jī)的富氧燃燒試驗(yàn)。在汽油機(jī)上應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的氧氣供給系統(tǒng)，進(jìn)行富 氧試驗(yàn)，開展不同轉(zhuǎn)速、扭矩、和進(jìn)氣濃度下的汽油機(jī)性能和排放的試驗(yàn)研究，考 察汽油機(jī)進(jìn)氣富氧燃燒的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及排放性能。 2.通過試驗(yàn)結(jié)果討論進(jìn)氣富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)性能和排放的影響，并分析其影響 因素。通過對(duì)缸內(nèi)壓力、高壓油管壓力以及其它運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行處理，獲取滯燃期、 缸內(nèi)壓力、燃燒放熱規(guī)律等燃燒過程信息，探討進(jìn)氣富氧對(duì)汽油機(jī)燃燒過程的影響。 3. 基于 origin7.5 軟件，對(duì)東安 4G18 型汽油機(jī)進(jìn)氣富氧燃燒的工作過程進(jìn)行模 擬。獲得缸內(nèi)壓力、尾氣排放特性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等燃燒過程參數(shù)，進(jìn)一步從理 論上探討進(jìn)氣富氧對(duì)燃燒過程的影響，并對(duì) NOx、CO、HC 的生成歷程進(jìn)行分析。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 6 第 2 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)燃燒與排放影響的試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2.1 引言 為了考察不同進(jìn)氣氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)汽油機(jī)燃燒與排放的影響，本文對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)的 進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行改裝，實(shí)現(xiàn)了在汽油機(jī)的進(jìn)氣中均勻混入一定比例的氧氣。并通過缸 內(nèi)壓力、高壓油管壓力、氧濃度等傳感器的布置，獲取了分析內(nèi)燃機(jī)工作過程所需 的必要數(shù)據(jù)。通過氧濃度傳感器控制進(jìn)入氧氣的濃度，在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速的時(shí)候測(cè) 得不同的排放物的含量。通過對(duì)排放物的含量進(jìn)行測(cè)試及比較，再通過計(jì)算得出結(jié) 果，可以得出結(jié)論。 2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)裝備 （1）試驗(yàn)樣機(jī)：本試驗(yàn)樣機(jī)是采取中航工業(yè)哈爾濱發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)生產(chǎn)的東安發(fā)動(dòng) 機(jī) 4G18 單頂置凸輪軸、直立四缸 16 氣門汽油機(jī)，如表 2.1 其主要參數(shù)如下： 表 2.1 東安 4G18 汽油機(jī)主要參數(shù) 型式 直列、四缸、水冷 最低空載轉(zhuǎn)速 800r/min 凸輪軸型式 SOHC 排氣量 1598cm3 缸徑 76.0mm 最大扭矩 136nm/4500rpm 壓縮比 11.0 各缸工作順序 1-3-2-4 最大功率 75kw/6000rpm 沖程 87.3mm （2）試驗(yàn)主要測(cè)量參數(shù)：轉(zhuǎn)速、扭矩、缸內(nèi)壓力、油管壓力、角標(biāo)信號(hào)(轉(zhuǎn)角 信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)) 、進(jìn)氣溫度和壓力、排氣溫度和壓力、排氣、排氣 NOx 含量、機(jī)油 溫度和水溫等信。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見 2.1 （3）供氧系統(tǒng)：為了給汽油機(jī)提供持續(xù)可控的富氧空氣，本試驗(yàn)專門設(shè)計(jì)了一 套氧氣供給系統(tǒng)。液氧罐中為純度 70%的醫(yī)業(yè)用氧氣。進(jìn)氣控氧儀用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn) 入氣缸內(nèi)的氧氣含量。此套裝置即可以通過對(duì)氧氣供應(yīng)量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣氧濃 度的較精確控制。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 7 1-燃燒分析儀；2-測(cè)控機(jī)；3-氣體混合室； 4-浮子流量計(jì)；5-氧氣瓶；6- 控氧儀；7-空氣流量計(jì)；8-排氣管；9- 排 氣分析儀；10-氧氣分析儀； 11-進(jìn)氣管；12-油門控制器；13- 氧傳感器；14-三元催化轉(zhuǎn)化器； 15-汽油； 16-控油閥；17-油耗儀；18-聯(lián)軸器；19-測(cè)功機(jī) 圖 2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 圖 2.2 具體實(shí)驗(yàn)裝置 （4）表 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備： 表 2.2 主要儀器設(shè)備 設(shè)備名稱 型號(hào) 生產(chǎn)廠家 汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 4G18 東安發(fā)動(dòng)機(jī) 電渦流測(cè)功機(jī) CW160 — 燃燒分析儀 INDIMODUL621 AVL 李斯特公司 控氧儀 KY-2F 梅城電化分析儀器廠 排放分析儀 AMAI60 雙路直采 AVL 李斯特公司 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 （5）試驗(yàn)地點(diǎn)：本試驗(yàn)在黑龍江省工程學(xué)院汽車排放試驗(yàn)室進(jìn)行。 （6）實(shí)驗(yàn)方案：從如表 2.3 轉(zhuǎn)速 1200r/m 開始分別噴射 20.40%、22.50%、25% 體積分?jǐn)?shù)的氧氣。測(cè)得在不同體積分?jǐn)?shù)氧氣下轉(zhuǎn)速的排放物以及缸內(nèi)壓力等相關(guān)數(shù) 據(jù)。每增加 1200 轉(zhuǎn)的時(shí)候再次噴射體積分?jǐn)?shù)為 20.40%、22.50%、25%的氧氣，重復(fù) 測(cè)量。分析在不同轉(zhuǎn)速的時(shí)候排放物的成分和含量。 表 2.3 東安發(fā)動(dòng)機(jī) 4G18 實(shí)驗(yàn)方案 轉(zhuǎn)速（ r/min） 進(jìn)氧濃度（ %） 測(cè)量參考 1200 20.40%、 22.50%、 25% 氣缸壓力 尾氣排放量 燃燒放熱率 2400 20.40%、 22.50%、 25% 氣缸壓力 尾氣排放量 燃燒放熱率 3600 20.40%、 22.50%、 25% 氣缸壓力 尾氣排放量 燃燒放熱率 2.3 試驗(yàn)各測(cè)量參數(shù)的獲得 對(duì)控氧儀進(jìn)行檢測(cè)觀察氧氣通入的體積分?jǐn)?shù)，分別在不同的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)； 通過觀察油耗儀的變化測(cè)得汽油的消耗量；利用曲軸傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角進(jìn) 行觀測(cè)；通過測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率進(jìn)行記錄；通過燃燒分析儀對(duì)氣缸內(nèi)的燃 燒過程進(jìn)行分析；通過排放分析儀對(duì)尾氣的成分及含量進(jìn)行分析。經(jīng)過對(duì)以上儀器 的分析數(shù)據(jù)及采集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論。 2.4 本章小結(jié) 本試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)以及噴射系統(tǒng)未進(jìn)行任何改動(dòng)，點(diǎn)火提前角不變。對(duì)不同轉(zhuǎn)速工 況下東安 4G18 汽油機(jī)在氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)分別為 20.40%、22.50%、25%時(shí)的進(jìn)行 富氧燃燒。 分別記錄氣缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化值、瞬時(shí)放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的放熱 值以及 HC、CO、NO x 排放量隨氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)變化的變化值。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 第 3 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)燃燒特性試驗(yàn)研究 3.1 引言 內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)于研究?jī)?nèi)燃機(jī)富氧燃燒的性能及燃燒過程，發(fā)展內(nèi)燃機(jī)富氧 燃燒理論具有重要意義。本章從汽油機(jī)進(jìn)氣富氧試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果入手，分析進(jìn)氣富 氧對(duì)汽油機(jī)燃燒特性的影響，并根據(jù)缸內(nèi)壓力、滯燃期、燃燒放熱規(guī)律等燃燒過程 信息，探討進(jìn)氣富氧對(duì)燃燒過程的影響。 3.2 汽油機(jī)富氧燃燒的燃燒過程 3.2.1 缸內(nèi)壓力 （1）圖 3.1 為轉(zhuǎn)速為 1200r/min、扭矩為 20N·m 的情況下，曲軸轉(zhuǎn)角與缸內(nèi)壓 力的變化曲線： 圖 3.1 不同氧氣濃度下缸內(nèi)壓力曲線 氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為 20.40%、22.50%、25%變化，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為 20.40%時(shí) 曲軸轉(zhuǎn)角變化 360°，缸內(nèi)壓力的峰值達(dá)到 18.8Mpa。氧氣體積分?jǐn)?shù)為 22.40%時(shí)曲 軸轉(zhuǎn)角變化 360°，缸內(nèi)壓力的峰值達(dá)到 20Mpa。氧氣體積分?jǐn)?shù)為 25%時(shí)，缸內(nèi)壓 力為 22.0Mpa。實(shí)驗(yàn)表明：隨著氧氣含量的增加缸內(nèi)壓力逐漸升高，缸內(nèi)壓力峰值 也在逐步升高。在富氧燃燒條件下壓力峰值增大，最大放熱相位提前，前期燃燒量 明顯增大。 （2）圖 3.2 示轉(zhuǎn)速為 2400r/min、扭矩為 20N·m 時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角與缸內(nèi)壓力的變 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 化圖形；氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)分別為 20.40%、22.40%、25%。在氧氣體積分?jǐn)?shù)為 20.40%時(shí)， 曲軸轉(zhuǎn)角變化 360°，缸內(nèi)壓力峰值達(dá)到 21.5Mpa；氧氣體積分?jǐn)?shù)為 22.5%時(shí)，曲軸 轉(zhuǎn)角變化 360°，缸內(nèi)壓力峰值達(dá)到 23Mpa。在氧氣體積分?jǐn)?shù)為 25%時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角 變化 360°，缸內(nèi)壓力的峰值達(dá)到了 47.5Mpa。試驗(yàn)表明：隨著氧氣濃度的增加，缸 內(nèi)壓力逐漸升高，氣缸放熱率也逐步升高，富氧燃燒使氧分子與燃料充分燃燒，火 焰?zhèn)鞑ニ俣葎×?，使得燃料完全燃燒?圖 3.2 不同氧氣濃度下缸內(nèi)壓力曲線 （3）圖 3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 3600r/min 時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角與缸內(nèi)壓力的變化圖形； 圖 3.3 不同氧氣濃度下缸內(nèi)壓力曲線 氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為 20.40%、22.40%、25%時(shí)。在氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸升高時(shí)， 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 11 可以觀察出缸內(nèi)壓力的峰值有了明顯的變化。隨著氧濃度的增加缸內(nèi)壓力的峰值從 23.2Mpa 逐漸增加，當(dāng)氧濃度增加到 25%后，缸內(nèi)峰值達(dá)到了 26.2Mpa。缸內(nèi)壓力的 增加可影響動(dòng)力性的增加，使燃料更加充分的燃燒，加快了混合氣的燃燒進(jìn)程，使 缸內(nèi)壓力上升較快。 3.3.2 放熱規(guī)律分析 由于進(jìn)氣富氧使氣缸內(nèi)各處氣體的氧濃度增加。燃料的化學(xué)反應(yīng)速率加快，促 進(jìn)了預(yù)混合燃燒期內(nèi)的燃燒過程，使火焰?zhèn)鞑ズ头艧崧始铀龠M(jìn)行。如圖 3.4 圖 3.4 不同氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)下瞬時(shí)放熱率曲線 圖 3.4 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在 3600r/min 時(shí)汽油機(jī)的輸放熱率隨進(jìn)氣氧濃度的變化情況。 在試驗(yàn)過程中并未對(duì)油泵做任何改動(dòng)，可以認(rèn)為最大供油量基本不變。曲軸轉(zhuǎn)角在 達(dá)到 8°的時(shí)候能夠達(dá)到峰值，這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，燃料的放熱 率在逐漸升高。進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加使得燃料燃燒的更加完全。 3.3 本章小結(jié) （1）發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，缸內(nèi)壓力隨著進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)增加而升高。發(fā)動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速為 3600r/min，曲軸轉(zhuǎn)角在 8°時(shí)，峰值能夠達(dá)到最大值，氣缸功率最大。 （2）隨著進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高放熱率的峰值逐漸增大，氧氣體積分?jǐn)?shù)直接 影響著放熱率的升高；進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高促使燃料的瞬時(shí)放熱率的上止點(diǎn)延 后，達(dá)到放熱率峰值的曲軸轉(zhuǎn)角延后。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 第 4 章 富氧燃燒對(duì)汽油機(jī)性能的試驗(yàn)研究 4.1 HC 的排放特性 圖 4.1 為轉(zhuǎn)速是 3600r/min，扭矩分別為 20N·m 和 70N·m 氧氣濃度分別為 20.40%、22.50%、25%時(shí) HC 變化圖形； 圖 4.1 HC 排放隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化 圖 4.1 表示出的是 3600r/min 時(shí) HC 的排放隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化。同等的扭矩 下 HC 排放隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加而降低；扭矩增加，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加， HC 的下降幅度加大。這是因?yàn)檠鯕膺M(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)升高，促進(jìn)了著火和燃燒，使得 HC 分子與氧分子接觸更加充分，從而減少了 HC 的生成。 4.2 CO 的排放特性 圖 4.2 為轉(zhuǎn)速是 3600r/min，扭矩分別為 20N·m 和 70N·m 時(shí)氧氣濃度分別為 20.40%、22.40%、25%時(shí) CO 變化圖形； 圖 4.2 表示出的是 3600r/min 時(shí) CO 的排放隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化。同等的扭矩 下 CO 排放隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加而降低；扭矩增加，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加， CO 的下降幅度加大。產(chǎn)生原因：充入氣缸內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)提升后，產(chǎn)生的 CO 再次 于氧氣充分接觸，缸內(nèi)壓力增加，缸內(nèi)分子活動(dòng)更加劇烈，使得 CO 分子于氧分子 接觸全面，進(jìn)而產(chǎn)生了更多的 CO2，減少了排放的污染。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 圖 4.2 CO 排放隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化 4.3 NOx 排放特性 （3）圖 4.3 是發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為 3600r/min，扭矩分別為 20N·m 和 70N·m 時(shí)，氧 氣體積不同 NOx 的變化圖形； 圖 4.3 NOx 排放體積隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化 隨著氧氣濃度的不斷增加，可以觀察到：排放尾氣中 NOx 的含量在氧含量增加 的同時(shí)逐漸增大。NO x 生成的條件是富氧、高溫、和停留時(shí)間。氧氣在汽缸內(nèi)體積 分?jǐn)?shù)越大，停留時(shí)間越長(zhǎng)，汽缸內(nèi)溫度升高，形成 NOx 的必要條件，所以增加氧氣 含量會(huì)造成 NOx 體積分?jǐn)?shù)的增大。氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)導(dǎo)致三元催化轉(zhuǎn)化器對(duì) NOx 催化效率減低。 4.4 經(jīng)濟(jì)性的影響及分析 圖 4.4 是汽油機(jī)轉(zhuǎn)速在 3600r/min，扭矩在 70N·m 和 20N·m 時(shí)比油耗的隨進(jìn)氣 氧氣體積分?jǐn)?shù)變化的特性曲線。由此圖可以看出進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)由 20.40％增加到 25％，比油耗變化可以忽略不計(jì)。可見，進(jìn)氣富氧不需要增加汽油機(jī)的油耗量，從 而提高汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 14 燃料利用率的角度而言，進(jìn)氣氧濃度的增加使燃料分子與氧氣分子接觸的機(jī)會(huì) 增多．有利于燃料的充分燃燒，把 NOx、CO、HC 排放物占有的能量進(jìn)一步釋放出 來。從熱力學(xué)的角度而言，進(jìn)氣氧濃度的增加可以加快燃燒的化學(xué)反應(yīng)速率，加快 燃燒過程，使大部分燃料在更接近上止點(diǎn)的位置燃燒放熱。形成更高的缸內(nèi)壓力和 溫度，提高循環(huán)的有效熱效率。以上原因可解釋為進(jìn)氣富氧可以降低汽油機(jī)的比油 耗。 圖 4.4 不同氧氣進(jìn)氣濃度下比油耗曲線 需要指出的是，由于本試驗(yàn)并未對(duì)汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)和噴油量、噴油規(guī)律做任 何改動(dòng)?？梢哉f進(jìn)氣富氧的經(jīng)濟(jì)性仍有改善的空間。如果根據(jù)進(jìn)氣富氧的燃燒特性 對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。并根據(jù)進(jìn)氣氧濃度重新標(biāo)定供油系統(tǒng)，進(jìn)氣富氧燃燒的比油 耗將進(jìn)一步降低。 4.5 動(dòng)力性的影響及分析 圖 4.5 是不同氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)下累計(jì)放熱率曲線； 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 15 圖 4.5 不同氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)下累計(jì)放熱率曲線 由此圖可以看出曲軸轉(zhuǎn)角在-20°~20°之間累計(jì)放熱率上升的速率達(dá)到了最高。在 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 3600r/min、扭矩為 70N·m 時(shí)，累計(jì)放熱量隨著氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)的增 加而有明顯的增加，放熱率的峰值會(huì)逐漸升高。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性可以看作是由于燃 料放熱提供輸出功，所以可看作以累計(jì)反熱量曲線的趨勢(shì)可以看作是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性 的變化曲線。可以得出結(jié)論：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，氧氣的進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)增加，累計(jì) 放熱量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率會(huì)逐漸增加。 4.6 本章小結(jié) 隨著進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，排放氣體中 CO 和 HC 的排放體積都在逐漸減 少。只有 NOx 的體積分?jǐn)?shù)隨著進(jìn)氣氧氣體積分?jǐn)?shù)升高而升高。這是因?yàn)檠鯕庠跉飧?內(nèi)體積分?jǐn)?shù)越大，停留時(shí)間越長(zhǎng)，汽缸內(nèi)溫度升高，形成 NOx 的必要條件，所以增 加氧氣含量會(huì)造成 NOx 體積分?jǐn)?shù)的增大。三元催化劑催化 NOx 的反應(yīng)速率能力降低。 而氧氣體積分?jǐn)?shù)的增高可以使得氧分子的濃度增加，促使氧氣分子與 CO 和 HC 的 分子充分接觸，減少 CO 與 HC 的排放。 隨著氧氣進(jìn)氣體積分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率不變，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率增加。 試驗(yàn)說明：富氧燃燒可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率從而達(dá)到減少燃料消耗，提高了發(fā) 動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 第 5 章 排放物有害物質(zhì)的分析 5.1 引言 目前普遍認(rèn)為采富氧助燃會(huì)導(dǎo)致氣缸火焰中心溫度和氧含量提高，從而使 NOx 排放量增加，而實(shí)際情況并非如此：美國(guó)芝加哥氣體研究所、賓州奧林頓氣體化合 物產(chǎn)品公司等進(jìn)行的聯(lián)合試驗(yàn)證明富氧燃燒能有效地降低 NOx 的排放量，在燃燒余 氧量為 5%的條件下，NO x 的排放量減少了 40%～50% [9]。采用富氧助燃降低了燃料 的燃點(diǎn)溫度，不僅能促進(jìn)燃燒反應(yīng)完全、使得空氣過剩系數(shù)顯著降低，而且能使 NOx 排放量降低。車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是大氣的主要污染源之一，由于其燃燒方式與柴 油機(jī)不一樣，造成較大的未燃 HC 排放。隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 的排放提出了嚴(yán)格的法規(guī)，促使對(duì)未燃 HC 的生成機(jī)理與排放進(jìn)行更加深入的研究。 CO 是一種無色無味對(duì)人體有害的氣體，CO 分子與人體的血紅蛋白細(xì)胞結(jié)合促使人 體中毒 [10]。 5.2 有害氣體 HC 的分析 5.2.1 HC 的生成機(jī)理 （1）不完全燃燒(氧化)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，若混合氣過濃或過稀，或者廢氣被嚴(yán) 重稀釋，或者點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)生故障，則火花塞可能不跳火，或者跳火后不能使混合氣 著火，或者著火后又在傳播過程中熄滅，致使混合氣中部分燃料，甚至全部燃料以 未燃 HC 形式排出，使 HC 排放明顯升高。 （2）壁面淬熄效應(yīng)。壁面淬熄效應(yīng)是指溫度較低的燃燒室壁面對(duì)火焰的迅速冷 卻(也稱激冷)，使活化分子的能力被吸收，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，在壁面形成 0.1mm～0.2mm 的不燃燒或不完全燃燒的火焰淬熄層，產(chǎn)生大量未燃的 HC。 （3）狹縫效應(yīng)。狹縫主要指活塞頭部、活塞環(huán)和氣缸壁之間的狹小縫隙，火花 塞中心電極的空隙，火花塞的螺紋、噴油器周圍的間隙等處。汽油機(jī)工作時(shí)總有一 些液態(tài)油滴或燃油蒸氣隱藏在這些縫隙中，因火焰無法傳人其中而不能燃燒，于是 成為未燃燒 HC 的一個(gè)來源。 （4）壁面油膜和積炭吸附。在進(jìn)氣和壓縮過程中，氣缸壁面上的潤(rùn)滑油膜，以 及沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積炭，會(huì)吸附未燃混 合氣和燃料蒸氣，在膨脹和排氣過程中這些吸附的燃料蒸氣柱隨之進(jìn)入氣態(tài)的燃燒 產(chǎn)物中。這樣 HC 的少部分被氧化，大部分則隨已燃?xì)怏w排出氣缸。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 17 5.2.2 影響 HC 生成的因素 （1）空燃比的影響 空燃比對(duì) HC 排放濃度的影響甚大。通常 HC 排放濃度和數(shù)量有隨混合氣變稀 而下降的趨勢(shì)，但是，當(dāng)混合氣空燃比大于 14.7：1 時(shí)，混合氣過分稀薄，易發(fā)生火 焰不完全傳播以至斷火，使 HC 排放量迅速增加。因此，凡影響空燃比和排氣后反 應(yīng)的因素，如大氣壓力、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、排氣中的含氧量等，也必然影響 HC 的排放。 （2）點(diǎn)火提前角的影響 點(diǎn)火提前角推遲，后燃嚴(yán)重。一方面，降低了混合氣燃燒時(shí)的燃燒室面積，激 冷壁面面積減?。涣硪环矫妫瑢?dǎo)致排氣溫度上升，促進(jìn) HC 在排氣系統(tǒng)中的氧化。 這些都使最終排出的 HC 減少。 （3）轉(zhuǎn)速的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì) HC 排放濃度的影響非常明顯。轉(zhuǎn)速較高時(shí)，增大了混合氣的擾 流混合和渦流擴(kuò)散，同時(shí)也增加了排氣的擾流和混合，使 HC 排放濃度明顯下降。 轉(zhuǎn)速較低時(shí)，汽油霧化差、混合氣很濃、殘余廢氣系數(shù)大，HC 排放濃度較高。 （4）負(fù)荷的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)空燃比和轉(zhuǎn)速保持不變，并按最大功率調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間 時(shí)，改變負(fù)荷對(duì) HC 排放濃度幾乎沒有影響，但在負(fù)荷增加時(shí)， HC 排放量會(huì)因廢氣 流量變大而幾乎呈線性增長(zhǎng)。 （5）冷卻水及燃燒室壁面溫度的影響 提高汽油機(jī)冷卻水及燃燒室壁面溫度，可降低狹縫容積中儲(chǔ)存的 HC 含量，減 少淬熄層的厚度，改善狹縫容積逸出的 HC 及淬熄層擴(kuò)散出來的燃油的氧化條件， 而且可改善燃油的蒸發(fā)、分配，提高排氣溫度，使 HC 排放物減少。 （6）排氣背壓的影響 當(dāng)排氣管上裝上催化轉(zhuǎn)化器或消聲器后，排氣背壓增加，留在缸內(nèi)的廢氣增多， 未燃的烴會(huì)在下一循環(huán)中被燒掉，排氣中的 HC 含量將降低，然而，如果背壓過大， 則留在缸內(nèi)的廢氣過多，稀釋了混合氣，燃燒惡化，排出的 HC 會(huì)增加。 （7）燃燒室壁面沉積物的影響 沉積在活塞頂部、燃燒室壁面和進(jìn)氣門、排氣門上的多孔性積炭，會(huì)吸附未燃 混合氣和燃料蒸氣，在排氣過程中再釋放出來。因此，燃燒室壁面沉積物的增加， 使 HC 的排放量增加。 （8）燃燒室面容比及相關(guān)結(jié)構(gòu)因素的影響 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 燃燒室面容比通常是指活塞位于上止點(diǎn)時(shí)燃燒室的表面積和余隙容積之比，它 既與燃燒室的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，又是衡量燃燒室激冷效應(yīng)強(qiáng)弱的一個(gè)重要因素。 燃燒室面容比大，單位容積的激冷面積亦隨之增大，則壁面激冷層中所包含的未燃 烴總量也隨之增加。 （9）燃料性質(zhì)的影響 汽油的辛烷值、揮發(fā)性也會(huì)影響 HC 的排放量。辛烷值太低或揮發(fā)性太差都會(huì) 使 HC 的排放量增加 [11]。 5.2.3 汽油機(jī)控制 HC 排放的主要凈化措施 （1）燃燒系統(tǒng)的改進(jìn) 燃燒室面容比越小，結(jié)構(gòu)越緊湊，傳熱損失就越小，混合氣越均勻，燃燒過程 完成得就越穩(wěn)定且快，HC 排放就越低。因此，圓盤形、浴盆形、楔形燃燒室越來越 多地被半球形、帳篷形、屋頂形等緊湊型燃燒室所代替?，F(xiàn)代汽油機(jī)大多采用火花 塞布置在燃燒室中央，以縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，加速燃燒過程。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比， 從而提高缸內(nèi)混合氣溫度，可以促進(jìn)混合氣的形成和燃燒，達(dá)到減少 HC 排放的目 的。 （2）推遲點(diǎn)火提前角 適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角會(huì)降低 HC 的排放量。但會(huì)引起有效壓力的下降和燃油消 耗率的上升。因此，靠這種方法降低 HC 的排放有一定限度。 （3）汽油缸內(nèi)直接噴射(GDI) 進(jìn)氣管低壓電控燃油噴射系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)的氣流速度低，燃 油蒸發(fā)不良會(huì)導(dǎo)致形成油膜，進(jìn)入缸內(nèi)會(huì)直接附著在進(jìn)氣門底面、缸套壁面等處， 再加上混合氣過濃，燃燒不完全，形成大量的未燃 HC 排出機(jī)外。采用 GDI 的發(fā)動(dòng) 機(jī)改善了油氣的混合機(jī)理，冷啟動(dòng)時(shí)不再需要過量供油，HC 的排量大為降低。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)完全避免了在進(jìn)氣門等表面形成油膜，燃油計(jì)量準(zhǔn)確，屬于稀燃。 （4）高能點(diǎn)火與兩次、多次點(diǎn)火技術(shù) 高能點(diǎn)火對(duì) HC 排放的作用有兩方面，一是增大了初始火核半徑，有助于提高 燃燒速度和減少循環(huán)變動(dòng)；二是降低混合氣較稀時(shí)的熄火概率，使發(fā)動(dòng)機(jī)可用稍稀 的混合氣，從而減少 HC 的排放。采用兩次、多次點(diǎn)火技術(shù)可以改善啟動(dòng)、怠速工 況下 HC 的排放。 （5）熱反應(yīng)凈化器與兩次空氣供給裝置 熱反應(yīng)凈化器盡量安裝在靠近排氣總管出口處的排氣管路中，兩次空氣和排氣 中的未燃混合氣混合后，利用排氣本身的余熱保持高溫，并給予一定的反應(yīng)時(shí)間， 使 HC 和 CO 再燃燒。影響熱反應(yīng)凈化的一個(gè)重要因素是排氣中 O2 的濃度，當(dāng)熱反 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 19 應(yīng)器內(nèi)有足夠的 O2 時(shí)，HC 和 CO 的凈化效果較好。要提高 O2 的濃度，可以通過兩 次空氣供給裝置向排氣中噴人適量的兩次空氣，噴射量由排氣管中的 HC 和 CO 含 量決定。 （6）HC 吸附器與三效催化轉(zhuǎn)化器 在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣尾管中安裝 HC 吸附器。通過吸附器中的活性碳或氟石以吸附冷 啟動(dòng)和怠速時(shí)排出的 HC。三效催化轉(zhuǎn)化器是利用催化劑促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中 HC、CO 和 NOx 發(fā)生反應(yīng)生成無害的物質(zhì)。國(guó)內(nèi)廣泛使用的是價(jià)格低廉的稀土催化劑。發(fā)動(dòng) 機(jī)暖機(jī)工作一段時(shí)間后，吸附介質(zhì)溫度升高，如果達(dá)到 HC 的脫附溫度，吸附器將 釋放吸附的 HC。與此同時(shí)，三效催化轉(zhuǎn)化器的溫度也會(huì)上升，如果在吸附器釋放 HC 之前，使三效催化轉(zhuǎn)化器達(dá)到起燃溫度，則可以使冷啟動(dòng)階段的 HC 排放大幅降 低。此外還可以將吸附器解吸出來的 HC 引入進(jìn)氣系統(tǒng)，兩次進(jìn)入燃燒室燃燒，同 樣也可達(dá)到降低冷啟動(dòng)時(shí)排放的目的。采用吸附方法降低 HC 排放是一種被動(dòng)方法， 它只能將 HC 短暫存留，HC 的轉(zhuǎn)化還必須依靠三效催化轉(zhuǎn)化器來實(shí)現(xiàn)，而且在催化 轉(zhuǎn)化器未達(dá)到起燃溫度之前，HC 就有可能被釋放。 （7）曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng) 汽油機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的 HC 排放，約 25%來自曲軸箱竄氣。曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng) 的作用原理是新鮮空氣從單獨(dú)的小濾清器吸人曲軸箱，在曲軸箱內(nèi)與竄氣混合后回 流至進(jìn)氣歧管，再與混合氣一起進(jìn)入氣缸，使竄氣中的 HC 得以燃燒。目前幾乎所 有的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都已裝了該系統(tǒng)。 （8）燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng) 燃油蒸發(fā)是指由化油器浮子室、油箱和燃油系統(tǒng)管接頭處蒸發(fā)并排向大氣的燃 油蒸氣。其中 HC 排放的 20%來自燃油系統(tǒng)。燃油蒸發(fā)控制裝置是把燃油蒸氣中的 HC 用活性碳收集起來，然后再用回流空氣使其脫附并將其送回發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒處理。它 可以在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率的情況下，減少 HC 的排放，并相應(yīng)提高燃油經(jīng)濟(jì)性 [12]。 5.3 有害物質(zhì) CO 的分析 5.3.1 CO 的生成機(jī)理 汽車尾氣中 CO 的產(chǎn)生是燃燒不充分所致，是氧氣不足生成的中間產(chǎn)物。 22nmHnCOHC??? 燃?xì)庵械难踝銐驎r(shí)有 2H2+O2→2H 2O ? 燃?xì)庵械难鯕獬渥銜r(shí)，理論上燃料燃燒后不會(huì)存在 CO，但當(dāng)氧氣量不足時(shí)，就 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 20 會(huì)部分燃料不能完全燃燒，不能生成 CO2。 5.3.2 CO 排放的影響因素 （1）進(jìn)氣溫度的影響 一般情況下，冬天氣溫可達(dá)零下 20℃以下，夏天在 30℃以上，爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩 內(nèi)進(jìn)氣溫度超過 80℃。隨著環(huán)境溫度的上升，空氣密度變小，而汽油的密度幾乎不 變，化油器供給的混合氣的空燃比 ?隨吸入空氣溫度的上升而變濃，排出的 CO 將 增加。因此，冬天和夏天發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況有很大的不同。 （2）大氣壓力的影響 大氣壓力 P 隨海拔高度而變化，由經(jīng)驗(yàn)公式 ??5.2601.7 kPaPh?? （5.1） 當(dāng)忽略空氣中飽和水蒸氣壓時(shí)，空氣密度 ?可用下??32731.9 kg/m60T??? （5.2） 式中： T－溫度，℃。 可以認(rèn)為空氣密度 ?和大氣壓力 P 成正比，從簡(jiǎn)單化油器理論可知，空燃比和 空氣密度的平方根成正比，所以進(jìn)氣管壓力降低時(shí)，空氣密度下降，則空燃比下降， CO 排放量將增大。 （3）進(jìn)氣管真空度的影響 當(dāng)汽車急劇減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)真空度在 68kPa 以上時(shí)，停留在進(jìn)氣系統(tǒng)中的燃料， 在高真空度下急劇蒸發(fā)而進(jìn)入燃燒室，造成混和氣瞬時(shí)過濃，致使燃燒狀況惡化。 CO 濃度將顯著增加到怠速時(shí)的濃度。 （4）發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷一定時(shí)，CO 的排放量隨轉(zhuǎn)速增加而降低，到一定的車速后，變化不 大。當(dāng)車速增加時(shí)，CO 很快降低，至中速后變化不大，這是由于化油器供給發(fā)動(dòng)機(jī) 的空燃比，隨流量增加接近于理論空燃比的結(jié)果 [13]。 5.4 有害氣體 NOx 的分析 5.4.1 NOx 的生成機(jī)理 氮氧化物主要有下列形式：N 2O、NO、NO 2、N 2O3 和 N2O5 等，其中 N2O 為惰 性物質(zhì)對(duì)人無害。N 2O3 和 N2O5 在自然界中極少存在。因此 NOx 主要是 NO、NO 2。 其中 NO2 是由 NO 被 O2 在低溫下氧化而成。因此 NOx 排放主要由 NO 來決定。NO 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)論文 21 是無色無臭的氣體，而 NO2 為有刺激性氣味的黃色氣體，它們對(duì)環(huán)境危害極大。燃 料燃燒過程中生成的 NOx 按其形成可分為 3 種類型：熱力型 NOx、燃料型 NOx、快 速型 NOx。熱力型 NOx 是助燃空氣中的氮和氧在高溫下反應(yīng)