0 引言

柴油机热效率高，动力性能好，广泛应用于汽车和工程机械之中^[1]。然而，由于其扩散燃烧的特点，容易在燃烧室内形成氧气不足的区域，造成较高的碳烟排放^[2-3], 造成严重的大气污染问题^[4]。

如果能够提高进气氧浓度，等量的空气中就含有更多的氧。在相同的油气混合程度下，柴油机燃烧室内的缺氧区域就会减少，从而有利于碳烟排放的降低。

20世纪90年代后，随着气体膜分离技术的发展，有学者开始尝试在发动机上应用制氧设备^[5-7], 根据发动机进气富氧的特点，开发了中选择性、高渗透性的系列富氧膜。R. R. Poola等^[8-10]对膜法富氧技术在柴油机上的应用进行了许多研究，使富氧技术应用于发动机上成为可能。

2009年，高青等^[11]研究了进气氧浓度对柴油机启动过程的影响，发现提高进气氧浓度能够明显降低启动过程的CO和HC排放，NO_x排放略有增加，并可减少失火的发生，增加燃烧的稳定性。2011年，熊云等^[12]研究了不同海拔高度下柴油机进气氧浓度对排放性能的影响，结果表明:富氧燃烧能显著降低高海拔发动机的CO和碳烟排放，但增加了NO_x排放。2012年，舒歌群等^[13]开展了混合气的氧燃比和温度对富氧燃烧柴油机排放和燃烧路径影响的理论计算工作, 结果表明:富氧柴油机的燃烧路径有别于传统柴油机，导致其PAH和碳烟排放降低，而NO_x排放增加。2014年，舒歌群等^[14]研究了进气富氧对直喷柴油机微粒排放粒径分布的影响, 结果表明:在固定工况下，随着进气氧浓度增加，积聚态微粒数量和质量浓度峰值明显降低，核态微粒数量浓度逐渐增加；微粒几何平均直径减小，小粒径微粒数量增多；微粒表面积浓度和体积浓度也随之降低。

可以看到，富氧燃烧对柴油机排放有显著影响。较多的研究集中在富氧燃烧排放规律，但目前富氧条件下燃烧过程的影响研究较少。为此，笔者在1台柴油机上重点研究了不同负荷、不同主喷和预喷时刻条件下进气氧浓度对燃烧和排放特性的影响。

1 试验方法与燃料 1.1 试验设备及试验方法

本研究使用的发动机为1台四缸轻型柴油机改造而成的单缸机，发动机参数如表 2所示。对发动机的第1缸设计了独立的进排气系统和独立的供油系统，而对其他3缸不供油。

发动机台架测试系统如图 1所示。进气采用空气和氧气两条进气管路，通过调节两条管路的流量来调节进气的氧浓度。在排气管的下游安装有排气背压阀控制排气背压，并和废气再循环(EGR)阀门一起进行EGR率的控制。缸压采集使用AVL GH14P缸压传感器，放热率分析使用AVL公司的Indicom 621型燃烧分析仪。燃烧分析数据由连续250个循环平均得到。CA10和CA90分别定义为10%和90%燃料消耗时所对应的曲柄转角。滞燃期为主喷始点与CA10之间的曲柄转角间隔，燃烧持续期为CA10和CA90之间的曲柄转角间隔。常规气态排放物CO, HC, NO_x测量使用AVL公司的CEBⅡ型排气分析仪，碳烟排放测量使用AVL公司的439型不透光烟度计，进气氧浓度由KY-2F控氧仪来进行监测。

指示热效率根据发动机的指示功和实际消耗的燃油能量计算：

(1)

式中，W_i为总指示功; g_b为单缸每循环燃油消耗量; Hu_f为柴油低热值。燃烧效率根据排放产物CO和HC的热值进行计算，即：

(2)

式中，m_CO为排气中CO的质量; Hu_CO为CO的低热值，取1.01×10⁴ kJ/kg；m_HC为排气中未燃HC质量; Hu_HC为HC低热值，取燃油的低热值; m_f为柴油的质量。

1.2 试验燃料

本研究中所使用的0^#柴油的详细的参数见表 2。

1.3 试验工况

表 3列出了发动机变负荷、变主喷时刻和变预喷时刻的试验工况。在变负荷过程中，预喷时刻固定为10度上止点前曲柄转角(CAD BTDC)，主喷时刻固定为-6 CAD BTDC。选择了4个不同的发动机负荷；在变主喷时刻过程中，选择了4个不同的主喷时刻；在变预喷时刻过程中，负荷固定为0.8 MPa指示平均有效压力(IMEP)，主喷时刻固定为-6 CAD BTDC，选择了4个不同的预喷时刻。

试验中通过调节进入空气的流量和进入纯氧的流量使进气氧浓度的体积分数分别为21%, 23%, 25%, 27%, 29%，且总的进气压力维持在0.1 MPa。EGR阀关闭，排气背压阀全开，不采用EGR。喷油策略基于原机的预喷加主喷的策略，预喷油量约为总喷油量的10%，喷油压力随负荷变化。试验过程中冷却水和机油温度都维持在(80±2)℃，进气温度为(20±2)℃。

由于燃烧过程中实际在缸内参与反应的是空气中的氧气成分，因此在考虑富氧燃烧的过程中，参照氧燃比比参照空燃比更有意义。图 2给出了不同负荷下氧燃比与进气氧浓度的关系。可以看到，随着负荷的提高，燃烧氧燃比显著下降；在相同负荷条件下，提高进气氧浓度能够提高氧燃比；在燃料量一定的条件下，缸内氧燃比的提高能够减少缸内过浓区域，同时提高反应速率。

2 不同负荷下进气氧浓度对燃烧特性的影响 2.1 不同负荷下进气氧浓度对燃烧特性的宏观影响

图 3是0.6 MPa IMEP负荷下不同进气氧浓度的缸压和放热率曲线。可以看到，提高进气氧浓度，4种负荷下预喷放热明显提前，预喷放热峰值总体呈上升趋势。主喷放热略有提前，放热率峰值变化趋势不明显。这是因为进气氧浓度提高增加了缸内工质的化学反应速率，预喷放热提前，放热率峰值提高, 主喷放热也略有提前，但由于滞燃期缩短造成了预混比例的降低，因而主喷放热峰值变化趋势不明显。

2.2 不同负荷下进气氧浓度对燃烧特征值的影响

图 4给出进气氧浓度对主喷放热滞燃期的影响。大负荷的滞燃期明显低于小负荷。进气氧浓度提高，4种负荷下的滞燃期均降低。首先，由于氧浓度提高促进预喷放热速率^[15]，造成主喷时缸内压力和温度相对较高，同时氧浓度提高也会加快主喷过程中燃料和空气的化学反应速率，从而缩短滞燃期。

图 5给出了进气氧浓度对燃烧持续期的影响。中小负荷时，进气氧浓度提高对燃烧持续期的影响不显著。随着负荷的提高，燃料的燃烧持续期增加，提高进气氧浓度能够显著缩短燃烧持续期。这是因为大负荷时，扩散燃烧更加明显，高的氧浓度可以促进扩散燃烧阶段氧气与燃料的混合和燃烧速率，从而缩短燃烧持续期。

2.3 不同负荷下进气氧浓度对排放特性的影响

图 6和图 7给出了进气氧浓度对NO_x和烟度排放的影响。NO_x排放随着负荷的增加而增加，提高进气氧浓度会造成NO_x排放的显著升高。这是因为高温富氧是NO_x排放的主要生成条件，进气氧浓度增加会造成缸内的富氧条件，同时燃烧温度也会因氧浓度的提高而升高，最终造成NO_x排放的显著升高^[16]。

中小负荷烟度排放很低，进气氧浓度提高对烟度排放的影响不明显。大负荷烟度排放较高，进气氧浓度提高到23%时能够明显降低大负荷的烟度排放。这是因为进气氧浓度提高能够降低缸内局部过浓区域，减少烟度的生成^[17]。烟度在23%进气氧浓度时已经降至极低的水平，但可以看到，若继续增加进气氧浓度，排气的烟度反而略有升高。可能的原因是此时排放中干碳烟很少，烟度可能受其他遮光的排放成分影响，尤其是NO₂可能由于进气氧浓度的增加而明显升高，导致烟度略有增加。

2.4 不同负荷下进气氧浓度对热效率的影响

图 8给出了进气氧浓度对燃烧效率的影响。随着负荷的提高，燃烧效率增加。相同负荷条件下，进气氧浓度提高，燃烧效率也随之提高。随着负荷的增加，进气氧浓度对燃烧效率的影响变得不显著。

图 9给出了进气氧浓度对指示热效率的影响。进气氧浓度提高，指示热效率随之提高。这是因为进气氧浓度提高，燃烧效率随之提高，燃烧相位略有提前，且燃烧持续期缩短提高了等容度^[18]。

3 不同主喷时刻下进气氧浓度对燃烧特性的影响 3.1 不同主喷时刻下进气氧浓度对燃烧特征值的影响

图 10给出了不同主喷时刻下进气氧浓度对主喷放热滞燃期的影响。可以看到，不同主喷时刻的滞燃期基本相同，且进气氧浓度的提高能够缩短滞燃期。

图 11给出了不同主喷时刻下进气氧浓度对燃烧持续期的影响。可以看到，燃烧持续期随着主喷时刻的推迟略有降低，提高进气氧浓度能够明显缩短燃烧持续期。

3.2 不同主喷时刻下进气氧浓度对排放特性的影响

图 12和图 13给出了进气氧浓度对NO_x和烟度排放的影响。NO_x排放随着主喷时刻的提前而略有增加，提高进气氧浓度会造成NO_x排放的显著升高。烟度排放随着主喷时刻的提前明显降低，进气氧浓度提高到23%时能够明显降低大负荷的烟度排放。

3.3 不同主喷时刻下进气氧浓度对热效率的影响

图 14给出了进气氧浓度对燃烧效率的影响。可以看到，随着进气氧浓度的提高，燃烧效率提高。随着主喷时刻的提前，燃烧效率整体提高，进气氧浓度对燃烧效率的影响减弱。

图 15给出了进气氧浓度对指示热效率的影响。主喷时刻提前，指示热效率随之明显提高。这是因为主喷时刻提前，燃烧效率随之提高，燃烧相位明显提前，提高了等容度。提高进气氧浓度在主喷时刻为-6 CAD BTDC之后的情况下，均可以提高指示热效率，这是因为进气氧浓度的提高缩短了燃烧持续期，但在主喷时刻为-4 CAD BTDC时，进气氧浓度的提高反而使热效率降低，这可能是因为过高的进气氧浓度提高了燃烧温度，使散热损失增加。

4 不同预喷时刻下进气氧浓度对燃烧特性的影响 4.1 不同预喷时刻下进气氧浓度对燃烧特征值的影响

图 16给出了不同预喷时刻下进气氧浓度对预喷放热滞燃期的影响。可以看到，不同预喷时刻的滞燃期基本相同，进气氧浓度的提高能够缩短滞燃期。

图 17给出了不同预喷时刻下进气氧浓度对燃烧持续期的影响。可以看到，不同预喷时刻下的燃烧持续期基本相同，提高进气氧浓度能够明显缩短燃烧持续期。

4.2 不同预喷时刻下进气氧浓度对排放特性的影响

图 18和图 19给出了进气氧浓度对NO_x和烟度排放的影响。可以看到，预喷时刻的变化对两种排放物基本没有影响。提高进气氧浓度会造成NO_x排放的显著升高，进气氧浓度提高到23%时能够明显降低大负荷的烟度排放。

4.3 不同预喷时刻下进气氧浓度对热效率的影响

图 20给出了进气氧浓度对燃烧效率的影响。可以看到，随着进气氧浓度的提高，燃烧效率提高。预喷时刻对燃烧效率基本没有影响。

图 21给出了进气氧浓度对指示热效率的影响。预喷时刻对指示热效率的影响不大，提高进气氧浓度总体上可以提高指示热效率。

5 结论

研究了不同负荷、主喷和预喷时刻条件下进气氧浓度对柴油机燃烧特性的影响，得到结论如下：

(1) 在不同负荷、不同主喷和预喷时刻条件下，进气氧浓度提高使预喷放热提前，放热峰值提高，主喷滞燃期缩短1~1.5 CAD，主喷放热也略有提前，大负荷时的燃烧持续期缩短6~7 CAD。

(2) 进气氧浓度提高，NO_x排放增加，大负荷能够明显降低烟度排放，最多可下降80%。燃烧效率明显提高，小负荷和晚喷条件下尤为明显，最多可升高1.2%。指示热效率随进气氧浓度的提高总体上升，最多可升高1%。

(3) 主喷时刻提前，烟度降低，NO_x排放升高，热效率上升。预喷时刻对发动机性能的影响较小。