车用发动机富氧燃烧技术应用研究

２００８ 年第 １ 期（ 总第 １７３ 期）
Ｊ ＢＨ 交 通 标 准 化 ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ
汽车与船舶
缸助燃的空气中氧气的浓度， 不但可以明显地改善 氧助燃的研究［７］。该所与大连理工大学内燃机所合
燃油的燃烧条件， 促进燃油完全燃烧， 提高发动机 作， 在Ｌ１９５型柴油机上进行了增氧后的性能试验。
时间称为后燃期， 这一阶段， 由于燃烧室中的废气 上升速度快， 随着氧浓度的继续增加， 燃烧温度上
和燃料中间产物的增多而使氧分子减少， 燃料分子 升速度开始减缓。使燃料在富氧状态下发生最佳燃
与氧分子进行反应的机会减少， 必然会使燃烧速度 烧的氧气浓度约为３０％， 过分提高氧的浓度会使火
减慢， 此时燃料分子可能在氧分子不足的情况下进 焰温度趋于饱和， 这也正是富氧膜的应用领域。美
功率， 而且对改善汽车尾气对环境的污染方面， 也 结果表明： ａ） 油耗下降， 特别是高负荷时最为明显，
具有积极的意义。
一般油耗下降４％～７％； ｂ） 烟 度 大 大 降 低 ， 黑 烟 几
３ 国内外富氧燃烧技术研究现状
乎消失， 烟度一般在１波许值以下， 而原机高负荷
３．１ 国外发动机富氧燃烧技术研究现状
和后燃阶段加速提供氧气， 提高可燃混合气形成的 动力装置的３３．３％， 要用富氧空气助燃”。
质量， 是加速燃烧、缩短缓燃期， 使燃烧完全， 进
在发动机的燃烧过程中， 燃料只有排放的关键。
烧才能放出全部热量。所以可以认为， 决定发动机
目前， 为保证燃料完全燃烧， 提高内燃机的动 发出功率大小的主要因素是气缸内可供燃烧用的空
总输出功率和净输出功率方面进行了比较［５］。结果 油机功率及排放与富氧空气中氧气浓度之间的匹配
表明， 当使用的进气氧含量为２８％（ 按体积计） 且喷 关系。
油定时推迟４°时， 气缸峰值压力 每 提 高４％， 发 动
朱序和等人利用高分子选择性气体分离膜对空
机净功率可提高约１０％。而且伴随着燃烧温度的升 气进行分离， 从而得到含氧量为２８％的富氧空气［８］。
８０年代初取得了良好的成果。例如日本松下电气产 动机对外做功增加， 同时燃料燃烧后生成物中的有
业公司和大阪煤气公司开发的膜法富氧装置， 所用 害物质减少， 进而可以降低发动机排放所造成的污
的膜材料均是聚硅氧烷与聚对羟基苯乙烯的交联共 染。因此根据发动机不同的工况改变进入发动机气
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ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｗｉｔｈ Ｒｅｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｓｏｉｌ ２６３－ ２７３．
Ｓｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｃａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈ Ｊ， １９９６， （ ３３） ： ３４７－ ３９２．
［３］ 邓学均． 路基路面工程［Ｍ］． 北京： 人民交通出版 社， ２００３．
提高。但由于空气量的增加， 在进入气缸的氧气量 发动机对外输出做功。因此针对发动机燃烧的特点
增加的同时氮气也在增加， 使得内燃机的排气中 采取某种技术增加进入气缸中空气总量中氧气的含
ＮＯｘ的含量增加， 经济性的提高程度受限， 同时增 加了排气污染物， 对环境造成了一定的影响。
量， 则既可以满足燃油完全燃烧所需的氧气量要 求， 同时又不改变发动机的排气量， 在提高发动机
日 本 国 立 群 马 大 学Ｓｈｉｇａ Ｓｅｉｉｃｈｉ等 人 通 过 在 富 研究， 论证了富氧燃烧技术在内燃机燃烧中的应用
士单缸四冲程直喷柴油机上进行的试验研究， 考察 可行性及其在内燃机节约能源、减少排气污染、提
了废气再循环加富氧进气的同时控制ＮＯｘ和ＰＭ排放 高动力性能等方面所存在的优越性。
发动机燃烧技术方面考虑， 各国专家及科研院所都 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 ［１］。 但 是 几 乎 所 有 的 研 究 或是从发动机本身的构造方面入手， 或是从燃油质 量方面考虑， 而且进展不大。通常， 燃油的燃烧是 靠空气中的氧气来助燃的， 因此从进入发动机气缸 助燃的空气入手， 寻找一种有效的途径来解决发 动机燃烧技术中的难题， 同样具有重要的研究意 义。
滞燃期、绝热指数的影响， 然后用ＫＩＶＡ程序对燃 下 ， 增 加 进 气 中 氧 的 含 量 ， 碳 烟 排 放 量 大 幅 度 下
趋势， 对车用发动机实行富氧燃烧技术的可行性加以论述， 有利于该技术的推广应用。
关键词： 发动机； 富氧燃烧； 可行性
中图分类号： Ｕ４６４．１１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００２－ ４７８６（ ２００８） ０１－ ００５１－ ０４
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ－ ｅｎｒ ｉｃｈｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ
的可行性。试验中通过逐步增加ＣＯ２及Ｏ２流 量 ， 查
合肥工业大学左承基等人在Ｓ１９５柴油机上进行
明 了 进 气 成 份 变 化 对ＮＯｘ、 碳 烟 、ＣＯ、ＨＣ等 有 害 了富氧燃烧试验， 同时对该柴油机排放特性进行分
５３
排 放 物 以 及 有 效 燃 油 消 耗 率ｂｅ、 平 均 有 效 压 力Ｐｅ、 析 ， 研 究 结 果 表 明 ： ａ） 在 供 油 提 前 角 不 变 的 条 件
高， 富氧燃烧还减少了颗粒和可见烟的排放。如果 然后对富氧燃烧技术在发动机上的应用进行过综述
对发动机进行高涡轮增压而使进气压力进一步增 性研究。他们认为， 富氧燃烧技术用于工业燃烧是
高， 提高同样大小的气缸峰值压力， 所增加的发动 一种节能效果好、经济效益高、可减少环境污染的
机净功率却只达到４％。
高效燃烧技术。同时通过对内燃机燃烧过程的分析
作者简介： 黄祥华（ １９７７－ ） ， 男， 工程师， 主要从事道路桥 梁方面的设计研究工作。
［４］ Ｃａｒｍａｎ， Ｐ Ｃ． Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓａｎｄｓ， ｓｏｉｌｓ 收稿日期： ２００７－ ０４－ ２５
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时在４波许值以上； ｃ） 超负荷能力增加， 发动机为
美国Ｐ．Ｎ．Ａｓｓａｎｉｓ等人对铁路机车柴油机采用富 ２０００ｒ／ｍｉｎ， 采用２５％富氧时， 最大功率从８．６ｋＷ增
氧进气燃烧技术进行过研究。对在不同富氧水平下 加到１１．０６ｋＷ， 增加了２５．９％， 这对汽车提高爬坡、
工作的发动机与采用高涡轮增压的发动机就所获得 加速等能力非常有利。但是该试验没有继续研究柴
ＬＩ Ｓｈｅｎｇ－ ｑｉｎ， ＧＵＡＮ Ｑｉａｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｇ－ ｌｅｉ， ＨＡＮ Ｄａ－ ｍｉｎｇ
（ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５００４０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ － ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ－ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌ－ ５１ ｏｐｍｅｎｔ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ－ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈ－ ｎｉｑｕｅ ｔｏ ｅｎｇｉｎｅｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｉｎ ｆａｖｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．
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２ 内燃机燃烧过程及富氧燃烧
聚体， 能生产含氧量为２８％的富氧空气。美国通用
２．１ 内燃机的燃烧过程
电 气 公 司 ＵＯＰ制 造 的 富 氧 发 生 器 可 生 产 ３０％ 浓 度 的
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［２］ Ｖａｎａｐａｌｌｉ Ｓ Ｋ， Ｆｒｅｄｌｕｎｄ Ｄ Ｇ， Ｐｕｆａｈｌ Ｄ Ｅ． Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｌａｙｓ ［Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， ２９ ：
重要的影响。 一般将柴油机燃烧过程分为预燃期、速燃期、
缓燃期和后燃期四个阶段。在预燃期， 燃料要完成 吸收热量、提高温度、与空气混合等物理过程以及 进行着火前的一系列准备过程［２］； 从燃料开始着火 到气缸内压力达到最高这段时期称为速燃期， 在这
压缩空气 储 气 罐
富氧氮组片 空气进化器
空气进化器 富氧氮组片
力性能， 常采用增压的方法， 即提高气缸内的过量 气（ 氧气） 量而不是供油量［４］。对于发动机来说， 燃
空气系数。此方法基本保证了燃烧的完全性， 且经 油的燃烧受燃烧室空间和时间的限制， 只有当燃油
济性好， 同时由于空气量的增加， 使内燃机在同一 与空气中的氧气充分混合接触， 发生氧化反应， 才
循环内有更多的燃料参与燃烧， 动力性也有较大的 能够进行燃烧， 进而将燃烧的热能转化为机械能，
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汽车与船舶
车用发动机富氧燃烧技术 应用研究
李胜琴， 关 强， 张邢磊， 韩大明
（ 东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨 １５００４０）
摘要： 通过对车用发动机的燃烧过程及富氧燃烧技术进行分析， 综合国内外车用发动机富氧燃烧技术的研究现状及发展
四冲程发动机的工作过程一般包括进气、压 富氧空气。目前相对成熟且应用较广的富氧技术为
缩、做功、排气。其中做功（ 包括燃烧和膨胀过程） 膜分离技术， 该技术主要利用氧分离膜的选择性气
是使内燃机发出强大动力的主要过程。而燃烧过程 体过滤技术对流经的空气进行选择性分离， 最终得
的完善与否也对内燃机的动力性能及排放状况有着 到富氧空气。图１为膜法富氧装置示意图。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｅｎｇｉｎｅ； ｏｘｙｇｅｎ－ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ； ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
１ 前言 汽车的动力来源于发动机气缸内燃油燃烧所放
出的热能。不过， 燃油燃烧放出的热能在为发动机 提供动力的同时， 其燃烧后产生的废气也会对大气 造成污染。近年来， 由于石油价格的飞涨和汽车尾 气排放所造成的环境污染， 对发动机提出了更多的 要求， 即要求发动机进一步提高性能， 减少能源消 耗和降低污染。通常， 内燃机燃烧性能的好坏是直 接影响内燃机能耗性能和排放的重要因素。因此从
富氧空气 调节网
风机 富氧空气
一阶段， 燃料迅速燃烧， 气缸内的压力和温度急剧
图１ 膜分离技术富氧装置
上升； 从气缸出现最高压力到温度达到最高点这一
日本的浅川等人以煤气为燃料进行的富氧燃烧
时期称为缓燃期， 在此阶段， 温度上升， 工质压力 试验表明： 随着氧气浓度的增加， 火焰温度上升，
开始下降； 从温度最高点到燃油基本燃烧完全这段 其上升趋势是在氧浓度开始增加阶段， 其燃烧温度
从温度最高点到燃油基本燃烧完全这段时间称为后燃期这一阶段由于燃烧室中的废气和燃料中间产物的增多而使氧分子减少燃料分子与氧分子进行反应的机会减少必然会使燃烧速度减慢此时燃料分子可能在氧分子不足的情况下进行燃烧发生热裂变产生黑烟造成燃烧不完全影响燃烧的经济性和排气净化
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行燃烧， 发生热裂变， 产生黑烟， 造成燃烧不完全， 国已将富氧燃烧技术应用于航空发动机上； 日本早
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影响燃烧的经济性和排气净化［３］。所以， 增加内燃 在１０年前就已决定： “工业用大型锅炉的２６．６％、工
机进气中的氧气含量， 在燃烧阶段特别是缓燃阶段 业用中型锅炉的３１．７％、取暖用锅炉的１５％、船舶
２．２ 富氧燃烧技术
动力性及经济性的同时又不恶化排放， 具有重要的
富氧技术就是采取某种方法来获得氧浓度很高 研究意义。理论分析表明， 在进入气缸内的空气中
的空气或者纯净的氧气。西方发达国家及前苏联早 增加一定比例的氧气后， 燃料燃烧的热值增大， 放
在７０年代就开始了这项技术的研究， 并在７０年代末 热效率提高， 与相同质量的普通空气助燃相比， 发