姚佳岩，盛 翔，盛革平，齐晓杰，薛大维

（1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨150050；2.东北电力大学，吉林 吉林132012）

富氧燃烧技术的最大特点就是燃烧效率高，经济、环保，同时提升发动机的功率输出。汽油发动机富氧燃烧的热效率在一定程度上随空燃比增加而增加，且富氧燃烧有利于改善汽油发动机部分负荷性能，这对于经常工作在部分负荷工况的汽油机具有重要意义。汽油机富氧燃烧，即缸内有足够的氧气，避免由于发动机不完全燃烧产生CO和HC。

1 汽油发动机富氧燃烧模型

1.1 汽油机燃烧循环波动分析

汽油发动机燃烧循环波动是汽油机燃烧工作过程的一大特征。它是在汽油发动机以某一定工况稳定运转时，本循环和下一循环的燃烧过程进行不断变化，主要具体表现在压力曲线、火焰传播以及发动机功率输出不同。为了改善火花点火汽油发动机的性能，必须重视对燃烧循环波动现象的研究，主要因为:①发动机导致产生较高的排气污染；②汽油发动机最佳点火提前角、空燃比主要是根据“平均”循环要求确定的，对大多数循环并不是最佳值，汽油发动机压缩比和燃料辛烷值主要根据最倾向于敲缸循环的要求确定，因此汽油发动机只有减少燃烧循环变动，才有可能获得最佳性能；③发动机燃烧循环波动可导致平均指示压力和输出扭矩变动，使车辆操纵性能恶化。

表征汽油发动机燃烧循环波动的参数可以分成3类:

1）与发动机燃烧率有关参数，如最大燃烧率、火焰发展角Δφd（通常用10%已燃质量率作为火焰发展角的终点）、速燃角Δφb（通常用90%已燃质量率作为火焰发展角的终点）表示。

2）与气缸压力有关的参数，如最高气缸压力（pmax）；相应于发动机气缸最高压力的曲轴转角（Capmax）；发 动 机 最 大 压 力 升 高 率 （dp／dφ）max或（Dpmax）；相应于发动机最大压力升高率曲轴转角（CaDpmax）；汽油发动机功率输出变化可用平均指示压力变化表示。

3）与汽油发动机火焰前锋位置有关参数:用火焰燃烧半径、火焰燃烧前锋面积、发动机已燃和未燃容积随时间变化曲线、发动机火焰到达某一区域指定位置所需时间。

由于汽油发动机压力参数比较容易测量，因此通常用它来表征汽油发动机燃烧循环波动。从发动机压力参数出发，定义发动机燃烧循环波动一个重要参数，即平均指示压力波动系数

式中:σimep为发动机平均指示压力的标准偏差；imep为发动机平均指示压力的平均值。

其中

式中:pij为j循环的平均指示压力，MPa；m为循环数。

COVimep是评价燃烧稳定性的主要参数。循环波动在燃烧过程的早期（火花点火至气缸压力离开压缩线，或从点火至形成一个具有某一临界尺寸的火核）就已产生，如果达到火焰临界尺寸的速率愈高，则燃烧的循环波动愈小。发动机平均指示压力的标准偏差σpi愈小或者发动机平均指示压力的平均值¯pi愈大，则发动机燃烧的循环波动愈小。即适当提高气流运动速度和湍流程度可改善混合气的均匀性，则燃烧的循环波动愈小，而富氧燃烧可改善油气混合均匀程度，能降低发动机燃烧的循环波动。

1.2 汽油发动机排放物分析

汽油发动机排气中有害污染物成分（THC、CO、NOx）的数量与混合气的氧浓度有密切关系。混合气过浓，即氧分子少，氧化反应速度不够，就易超出着火界限。氧浓度增加，使化学反应速度加快，分子运动速度加快，将会使着火界限扩大。

1.2.1 汽油发动机NOx的排放

NOx包括NO和NO2，但发动机燃烧过程中主要生成NO，另有少量NO2，故这里主要讨论NO的计算。对发动机而言，NO的生成主要有两种途径:一种是热NO，由空气中的氮在1 800K以上的高温环境下氧化而生成；另一种是瞬发NO，后者占比例不大，一般不予考虑。NO的生成机理:

NO的生成率可表示为

式中:［］表示组分的浓度，ki（i＝1，2，…，6）是反应率常数。上式表明，为了计算NO的生成量，必须知道O、OH、H和N的浓度。通常N原子浓度很小，对其可采取稳态假设，即

于是N浓度表示为

得到

汽油机燃烧过程进行得很快，反应层很薄，在火焰区内停留的时间很短。NO是在火焰前锋和火焰后的已燃区中产生的。所以在进行［NO］生成量的预测时，认为O、O2、H、OH、N2处于平衡浓度状态，直到降到NO的冻结温度。根据热力学平衡方程式得到

1.2.2 汽油发动机CO、HC的排放

CO是不完全燃烧的产物，其生成主要受混合气氧浓度的影响。如果当氧气量不足时，就会有部分燃料不能完全燃烧，而生成CO。但燃气中的氧气量充足时，理论上燃料燃烧后不会存在CO。

车用发动机中的未燃HC都是在缸内的燃烧过程中产生并随排气排放。HC主要是燃烧过程中未燃烧或燃烧不完全的碳氢燃料。

2 汽油发动机富氧燃烧试验

试验采用发动机为4缸顶置凸轮轴式汽油发动机。汽油机技术参数:气门数是16，缸径、冲程分别是76、87.3mm，排量是1 584cm3，最大扭矩是134／4 500N·m／rpm，压缩比是9.5∶1。

汽油发动机气缸压力测量采用AVLGU13Z－24型火花塞式发动机压力传感器，发动机缸压信号采集间隔0.2℃A。

发动机燃烧分析系统采用AVL公司的INDIMODUL－621模块化高速燃烧分析仪器设备。

发动机排气测量系统采用AVL公司的AMA I60双路直采气体排放分析仪，即时采集发动机排放有害气体THC、CO和NOx。其中，HC排放采用氢火焰离子化型分析仪（FID），CO和CO2采用非分光红外线吸收型分析仪（NDIR），NOx采用化学发光型分析仪（CLD）。

2.1 汽油发动机燃烧的循环波动试验

图1为不同富氧程度对循环波动率的影响。氧浓度增加，循环波动率下降。这是因为进气中氧浓度增大，火花塞周围废气浓度降低，发动机气缸中残余废气系数有所降低，有利于火核的形成和初始生长，致使火焰传播速度加快，加速了火焰前锋面内传热传质过程及化学反应速度，改善了混合气的均匀性，提高了气流运动速度和湍流程度，导致循环波动率下降。

图1 不同富氧程度对循环波动率的影响

2.2 汽油发动机排放物试验

图2 为不同富氧程度对THC排放的影响。氧浓度增加，THC的排放明显下降。主要由2点原因引起的:①进气中氧浓度增加，燃烧过程中，火焰温度提高、火焰的传播速度加快，使活化分子的能量被释放，燃烧室壁面温度提高，由于缝隙效应和形成很厚的淬熄层大部分燃烧或完全燃烧；②进气中氧浓度增加，发动机失火率下降，残余废气系数减小，使燃料燃烧完全，从而导致THC的排放明显下降。致使THC的排放明显下降。

图2 不同富氧程度对THC排放的影响

图3 为不同富氧浓度对CO排放的影响。CO的生成主要受氧浓度的影响。氧浓度增加，CO的排放明显下降。进气中增加氧浓度，燃料分子与氧分子有机结合，促进了混合气形成，使发动机燃料中的碳大部分或完全氧化成CO2，从而减少了CO和THC的排放量。

图3 不同富氧程度对CO排放的影响

图4 为不同富氧浓度对NOx排放的影响。依据高温NO反应机理，生成NO的三个要素是氧浓度、反应时间和温度，即燃烧开始时发动机活塞接近上止点，由于增加了氧体积分数，导致火焰传播速度和燃烧速度增大，致使燃烧温度增加。在发动机足够的氧浓度条件下，温度越高、反应时间越长，则NO生成量增加。所以发动机内氧体积分数增加，NOx的排放明显增加。此时正好满足产生NO的三要素，造成NOx的排放明显上升。

图4 不同富氧程度对NOx排放的影响

3 结 论

1）针对汽油发动机气缸内燃烧进行分析，建立了汽油机燃烧循环波动和排放污染物生成模型。

2）通过汽油发动机试验对模型进行验证，发动机燃烧循环波动和排放生成物的理论分析与试验相一致。

3）通过定性分析和定量分析富氧燃烧发动机的可行性。

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