（动力机械及工程专业论文）四气门汽油机稀混合气燃烧及降低nox排放的研究.pdf

摘要 摘要 节约燃油消耗、减少温室效应气体排放以及进一步改善汽车尾气中有害 气体的排放是广大内燃机工作者和汽车工业的科学家们目前所面临的最大 挑战之一。汽油机燃烧稀混合气是降低有害尾气排放、减少燃油消耗率的有 效途径。但稀薄燃烧排放物n 0 x 后处理的好坏是稀薄燃烧发动机能否应用的 关键。本研究就是在汽油机上实现稀燃，并对稀燃n 0 x 排放进行处理。 突破进气道喷射发动机不依靠喷射生成混合气，只能通过组织缸内空气 运动来形成这一传统观点，本文提出了在进气道喷射发动机上通过可控喷油 形成可控的缸内准均质稀混合气，进而实现快速准均质稀薄燃烧的新概念。 实现这种可控喷油概念的技术支撑就是二次喷油专利技术。依照这一新的概 念，在一台未作任何结构改动的四缸、- 1 6 气门产品发动机上，成功地实现了 准均质稀薄燃烧。研究结果表明：两次喷油可拓展发动机稀燃极限1 5 - 2 个 空燃比单位，最高达2 3 5 ；发动机燃油消耗同原电喷发动机相比可降低 1 9 1 ：整个空燃比范围内，经过优化的两次喷油稀燃的最低油耗较单次喷 油稀燃下降65 左右，各种排放物机内生成量均有大幅度下降。 本研究运用三效催化器+ 空燃比优化控制技术，利用三效催化器能一定程 度降低n o 。排放的特点，控制发动机在优化空燃比下工作，将稀燃后排气中 剩余不多的n o 。进一步催化，使发动机排放基本达到欧i i 水平。 同时，本研究也成功地运用了由原位合成技术制作的分子筛堇青石整体式 分子筛催化器，去除稀燃n o x 排放。稀燃发动机台架实验结果表明，催化剂抗 硫中毒、抗高温以及抗水蒸气能力较强；最大n o x 转化效率达7 4 4 ；最大 n o x 转化率排气温度点在4 0 0 附近，此时h c 的转化效率接近6 0 ，而c o 基本没有转化。 最后综合采用机内净化和排气后处理并行策略，即稀燃、快燃( 滚流) 、 推迟点火的可控燃烧新方案，结合分子筛稀燃催化器，在稀燃发动机典型工 况下，在保证燃油经济性较原机改善1 4 8 时，n 0 x 的排放最终可以达到欧 i i 水平，接近欧i i i 水平。 关键词四气门汽油机可控喷油准均质稀薄燃烧优化空燃比 三效催化器稀燃催化器n o x 排放 a b s t r a c t a b s t r a c t r e d u c t i o no ft h ef u e l c o n s u m p t i o n ，t h e c a r b o nd i o x i d ee m i s s i o na n dt h e e x h a u s tg a se m i s s i o n si so n eo ft h em a j o r c h a l l e n g e st h a te n g i n e e r sa n ds c i e n t i s t s i nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya r ec u r r e n t l yf a c i n g l e a nb u m c o n c e p t ss u c ha st h e h o m o g e n o u s a fm i x t u r e g a s o l i n e l e a nb u r n e n g i n e o rt h ed i r e c t i n j e c t e d g a s o l i n ee n g i n em a yp o i n tt h ew a y o ff u t u r ea u t o m o b i l ed e v e l o p m e n t s ，h o w e v e r , t h er e m o v a lo fn i t r o g e no x i d e s ( n o x ) f r o mt h ee x h a u s tg a s e so fl e a nb u r n e n g i n e ss t i l lp o s e sam a j o rp r o b l e m ，w h i c hi fn o tt o b es o l v e d ，w i l l s e r i o u s l y r e s t r i c to re v e np r e v e n tt h ea p p l i c a t i o no ft h e s ee x t r a o r d i n a r i l yp r o m i s i n ge n g i n e t e c h n o l o g i e s t h el e a nb u r ni ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e di nap r o d u c t 4 - v a l v es i e n g i n e ， a n dt h en o xr e m o v a lh a sb e e ns o l v e db y u s i n ga n e wl e a nb u m c a t a l y s ti nt h i st h e s i s an e wp o i n to fv i e wt h a tt h em i x t u r e p r e p a r a t i o np r o c e s s e s c a nb e e n c o n t r o l l e d b yc o n t r o l l i n g f u e l i n j e c t i o n i nm u l t i p o r tf u e l i n j e c t i o ne n g i n e ，i n c o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a l l yp o i n to fv i e wt h a tt h em i x t u r ef o r m a t i o ni s o n l y c o n t r o l l e db yi n d u c t i o nf l o w t h et e c h n o l o g yo ft w i c ee l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o ni n p r e m i x e dl e a nb u mg a s o l i n ee n g i n ec a nr e a l i z e t h en e wc o n t r o l l i n gf u e l i n j e c t i o n c o n c e p t t h r o b g ha d j u s t i n g t h e c o n t r o l l i n g f u e l i n j e c t i o n - - r e g u l a t i o n s o ft h et w o i n j e c t i o nt i m i n g sa n dp r o p o r t i o n s ，a na d e q u a t ea i ra n d f u e lc h a r g es t r a t i f i c a t i 0 i 1w a s p r o d u c e d - - w ec a l l i tq u a s i h o m o g e n o u sm i x t u r ea n dt h el e a nb u mw a ss u c c e s s f u l l y r e a l i z e di nap r o d u c t4 - v a l v es i e n g i n e w h o s es t m c t u r e sa r e a tc h a n g e da t a 1 1 i n v e s t i g a t i o n ss h o w t h a tt w i c ee l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o nc a nm a k et h el e a nl i m i t ( a f ) i n c r e a s eb y1 5 - 2u n i t s ；t h ef u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s te m i s s i o n sa r ei m p r o v e d r e m a r k a b l y ，i np a r t i a ll o a d ，c o m p a r e dw i t ht h ep r o d u c t 4 - v a l v es i e n g i n e ，t h ef u e l c o n s u m p t i o n d e c r e a s e sb ya b o u t1 9 1 o nt h eo t h e rh a n d t h ef u e lc o n s u m p t i o no f q u a s i h o m o g e n o u sm i x t u r el e a nc o m b u s t i o n d e c r e a s e sb ya b o u t6 5 c o m p a r e dw i t h h o m o g e n o u s l e a nm i x t u r ec o m b u s t i o n t h r e e w a y sc a t a l y s t ( t w c ) + o p t i m i z i n ga f rt e c h n o l o g yi su s e dt or e m o v e n o xe m i s s i o n si no x y g e nc o n t a i n i n ge x h a u s tg a s l e a n b u me n g i n ei so p e r a t e d a ta i r f u e l ( a f ) r a t i o so f21 ：1a n da b o v e ，i na d d i t i o n ，i g n i t i o ni sd e l a y e d ，a sa r e s u l to ft h e s et e c h n i q u e ，t h en o xe m i s s i o n sa r ev e r yl o w t h e nt w cr e d u c e s n o xa tac e r t a i ne x t e n ta n da l m o s ta l lh ca n dc o a i lt h e s em e t h o d sm a k ei t p o s s i b l ef o re m i s s i o n so fl e a n - b u r ne n g i n e s t om e e tt h en o x r e g u l a t i o n ss u c ha s el 1 r oi l a b s t r a c t o nt h eo t h e rh a n d ，an e wc a t a l y s tf o rs e l e c t i v er e d u c t i o no fn o xi sa l s o i n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s z e o l i t e sa r ei n s i t u s y n t h e s i z e do nt h es u r f a c eo f h o n e y c o m b s h a p e dc o r d i e r i t eu n d e rh y d r o t h e r m a lc o n d i t i o n s i n v e s t i g a t i o n so na l e a nb u r ne n g i n es h o wt h a tn o xc a nb er e m o v e d b yu s i n gh c a n dc oi nt h ee x h a u s t g a sa sr e d u c i n ga g e n t s w h e nt h ec a t a l y s ti su s e d ，t h er a t eo fn o xc o n v e r s i o nc a r l r e a c ham a x i m u mo f 7 4 4 a t4 0 0 i n v e s t i g a t i o n sa l s os h o wt h a tt h ec a t a l y s ts h o w s g o o dh e a tr e s i s t a n c ei nt h ep r e s e n c eo fw a t e ra n dd e m o n s t r a t e sh i g hc a p a b i l i t yf o r m i t i g a t i n gs o xp o i s o n i n g a tt h es a m et i m e ，t h eh c c o n v e r s i o ni sa b o u t6 0 a t4 0 0 w h e r e a st h ec 0c o n v e r s i o ni sa l m o s tz e r o i nt h ee n d ，an o v e lw a yc o n t r o l l i n gc o m b u s t i o ni s e m p l o y e d i na1 3 4 2 l s i e n g i n e ，i nw h i c hl e a n b u m ，f a s tb u r n ( t u m b l e ) a n dd e l a yi g n i t i o nm a k e t h ee n g i n e p r o v i d em u c hc l e a n e re x h a u s tg a st h a nt h a to f ac o n v e n t i o n a lp r e m i x e ds i e n g i n e m o r e o v e r , t h ed e - n o xc a t a l y s ti sm o u n t e do nt h ee x h a u s tp i p e a l lt h e s em e t h o d s m a k ei tp o s s i b l ef o re m i s s i o n so fl e a n b u r ne n g i n e st oc o m p l e t e l ym e e tt h es t r i c t n o xr e g u l a t i o n ss u c ha se u r oi i ，e v e ne u r o1 i i ，a tt h es a m et i m e ，t h ef u e l c o n s u m p t i o n d e c r e a s e sb y1 4 8 k e y w o r d s 4 - v a l v e ss i e n g i n e c o n t r o l l i n g f u e li n j e c t i o n q u a s i - h o m o g e n o u s m i x t u r ec o m b u s t i o n o p t i m i z i n g a f r t h r e e - w a y sc a t a l y s t ( t w c ) d e - n o x c a t a l y s t n o xe m j s s i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谫 意。 学位论文作者签名：王天葭签字同期：知p 上年p 月f ；f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：墨盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：互靶友 签字日期：知吐年f 2 月侈同 翩签名：别助导师签名：彩纠劬 1 签字同期：矽2 年2 月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 长期以来，地球上的动力已经分配在构成不同种类分子的仅仅一百多个 化学元素中。科学技术要产生新的材料和能量就是要重新分配这些元素，也 就是说要重新安排它们在分子中的结合。地球已经利用太阳能分配了这些元 素，并将其能量积聚到化石燃料中，这些化石燃料是经过光合作用长期形成 的，由于是太阳能的积聚，所以它们的能量密度远远大于太阳能。当这些燃 料变成c 0 2 时，能量就释放出来。尤其不能忍受的是，形成化石燃料的条件 和时间一去不复还了。同时也不存在c 0 2 转化为燃料的可逆过程。在1 9 9 8 年3 月份出版的美国科学一篇文章中估计，到2 0 0 5 年左右，地球上的石油 提供量将开始降低，到2 0 3 0 年，将下降到1 9 7 0 年的水平，这是因为从1 9 6 0 年开始发现的石油量开始下降，新发现油田规模一个比一个都有变小的倾 向。鉴于石油资源目渐枯竭，追求高效率的汽车发动机尤显必要【l 】 基于以上背景，未来的能量和动力源一直被广泛地讨论。为了像太阳能 一样控制原子能和水力发电，它们的能量必须充入电池，然而，电池有一个 致命的缺点一一低的能量密度，即使是最有效率的锂电池( 电极由l i c 0 0 2 制成) 。l 摩尔的l i c 0 0 2 ( 8 8 9 ) n t 产生能量2 3 k e a l ，它的能量密度是o 2 6 k c a l g ； 另一方面，燃烧1 摩尔的c h 2 ( 1 4 9 ) 可释放大约1 5 0 k c a l 的能量，它的能量 密度是l o 6 k c a l g ，二者相差4 0 倍。 反应过程中能量释放的多少主要决定于反应物和反应生成物稳定程度的 差别。对于燃烧反应，生成的产物c 0 2 和h 2 0 虽然结构简单，但非常稳定， 因此反应释放的能量特别大。另外，h 和c 不仅是自然界中最轻和第六轻的 元素，而且它们可分别形成非常稳定的氧化物h 2 0 和c 0 2 ，这也是燃烧时 能量密度特别高的原因。 从运输角度来看，在常温常压条件下燃料保持液态非常重要。总的来说， 由于分子结构越复杂，它的稳定性越强，它也就越容易液化，只有一个特例 h ，o ，尽管其结构简单，但是液态，这主要归功于其分子之间弱的o h 键结 合。作为h c 化合物，一般在c 原子数处于6 或6 以上个数时呈液态，但也 第一章绪论 有例外，乙醇和甲醇都是液态，而c 原子数只有一个，这也是它们同水有相 同的弱的。一h 结合造成的。甲醇的分子式c h 3 0 h 可看作c h z + h 2 0 ，这就意 味着燃烧时只有c h 2 部分释放能量，而h 2 0 部分在保持物质呈液态起主要 作1 耳j 。因此甲醇的能量密度低，实际上低的能量密度是所有氧化燃料的共性。 根据以上分析我们可以判断，一个现代的解决问题的方案就是：“从任 何化学元素中创造一种具有最高能量密度的液态燃料”，有趣的是，不用创 造，现成的汽油和柴油就是这种燃料。 也正是基于以上原因，内燃机自问世以来，经过了百余年的发展，已经 被广泛地应用于工业、农业、交通、军事等各个领域，对推动人类文明的发 展起了极其重要的作用。到目前为止，燃烧汽油和柴油的内燃机仍是热效率 最高的热力发动机，它消耗了世界上4 6 的石油资源，发出的功率占世界所 有动力装置的9 0 【2j ，并且在今后很长一段时间内，内燃机将继续在人类的 生产生活中扮演重要角色。 但是，在内燃机的发展过程中，特别是在当今现存可利用能源面临严重 短缺甚至即将告罄，大气污染、温室效应给全球气候和人类健康带来严重损 害之时，内燃机的研究和设计遇到了前所未有的挑战。主要表现在各国相继 制定了越来越严格的排放法规和燃油消耗法规。这就迫使内燃机的研究者和 生产厂商把工作熏点由7 0 年代之前主要集中在提高发动机的单位功率，更 多的转移到节约发动机的燃油消耗和降低发动机的排放上来口l 。 1 1 ，1 降低内燃机燃油消耗的必要性 石油资源总量是有限的。据估计地球上可开采石油总量约为1 0 ，0 0 0 亿 桶。按照目前汽车保有量的趋势，这些石油仅够使用到2 0 4 0 年到2 0 5 0 年左 右。石油资源的供需矛盾制约了经济发展。 在人类找到替代能源之前，尽可能延长石油的使用时间就成为必然的选 择。汽车是石油资源的主要消费者，因此提高汽车发动机的燃油经济性也成 为政府部门和生产厂商的关注重点。美国、日本、欧洲各国相继制定了燃油 消耗的法规和计划”j 1 5 t 。 美国联邦标准c a f e ( c o r p o r a t ea v e r a g ef u e le c o n o m y ) 规定轿车和卡车 的油耗分别为2 7 5 和2 0 7m i l e g a l l o n ，到2 0 1 0 年，分别应达到3 5 和2 7 5 m i l e g a l l o n 。美国加州规定，在今后1 0 一1 5 年内每年降低2 ，也就是共降 第一章绪论 低3 0 的油耗。德国要求汽车厂家到2 0 0 5 年油耗应降低2 5 ( 以1 9 9 1 年为 基准) 大众公司已经研制并批量生产出百公里油耗3 升的经济轿车。日本作 为经济型汽车的主要生产国，规定2 0 0 0 年轿车油耗应比1 9 9 0 年降低8 5 。 进入2 0 0 0 年后，国际石油价格居高不下，使汽车运行成本大幅度提高，车 用内燃机的降低油耗问题更加突出。 近年来，国际社会围绕着大气变暖各国如何限制温室效应气体c 0 2 排放 及配额的问题争论不休。由于l 公斤石油燃料燃烧将生成大约3 公斤的c 0 2 排放，降低内燃机的燃油消耗率就直接有效地降低了c o = 排放量。因此由限 制温室效应气体c 0 2 排放的社会问题出发，必将对限制并降低车用内燃机的 燃油消耗提出更加严格的要 求。图1 一l 为欧洲汽车生产 厂家关于降低c 0 2 排放所达 成的一致目标，在1 9 9 0 年基 础上到2 0 0 7 年左右降低 2 5 t 6 。 石油也是我国的重要能 源。随着我国经济的快速发 图1 - 1 欧洲控制c 0 2 排放目标 展和能源结构调整，石油总 需求越来越大。我国从1 9 9 3 年成为原油净进口国以来，油品进口以每年 8 0 0 1 0 0 0 万吨的幅度增加，2 0 0 0 年我国进口原油约7 0 0 0 万吨。按此发展趋 势，2 0 1 0 年我国石油总需求的4 7 需进口。 内燃机是我国石油的主要消费渠道。2 0 0 0 年，我国内燃机的石油消费量 约占石油总消费量的6 1 ，约为1 2 8 亿吨。近十年来，我国汽车工业一直保 持1 0 以上的增长速度，2 0 0 0 年我国汽车保有量已达2 0 0 0 万辆，预计2 0 1 0 年汽车保有量将达到5 0 0 0 万辆。随着汽车总量的增加，内燃机石油消费量 还将迅速增加，石油供需矛盾必将日趋严重。同时，我国内燃机的能源利用 率比国外低得多。据统计，我国内燃机燃油消耗率平均为每千瓦小时 0 2 2 0 3 5 公斤。能源利用率与国外先进机型相比要低1 0 2 0 以上，每年 多耗油超过3 0 0 0 万吨，相当于年石油消耗量的六分之一。因此，开展内燃 机高效、节能研究可以缓解我国石油供需矛盾，确保我国能源安全。 第一章绪论 1 1 2 控制内燃机排放的必要性 机动车排放是目前增长最快的空气污染源。在发达国家大多数城市区域， 汽车是c o 、n o x 、h c 和0 3 等空气污染物的主要来源，柴油车排放的细微 颗粒物在城市区域往往也占很大比重。这些污染物对人体健康和生态环境造 成了严重危害，h c 和n o x 在太阳光照射下会引起光化学反应，形成光化学 烟雾，刺激眼睛和喉咙，阻碍植物生长。在发达国家每年因汽车排放导致的 哮喘病而死亡的人数逐年上升；在发展中国家，根据世界银行的研究结果， 因大气污染造成的经济损失已达到国内生产总值的5 一7 【7 】。 基于这种严重状况，内燃机排放越来越受到人们的重视，世界上许多国 家相继制定了越来越严格的排放法规，表l l 、表1 2 、表l 一3 分别显示了美 国联邦以及欧洲、日本等国家制定的汽车排放标准【4 】1 8 - 9 1 。从这些表中可以 看到，迄今为止国外发达国家汽车所生产的有害物质已经较6 0 、7 0 年代下 降了9 0 ，以美国轿车尾气1 9 9 6 年排放指标为例，与7 0 年代初相比，h c 减少了9 6 ，c o 减少了9 7 ，n o x 减少了9 0 。随着内燃机清洁燃烧技术 研究的不断进步，轿车汽油机达到更低乃至零排放都是可能实现的。 内燃机也是我国大气环境特别是城市大气环境的主要污染源。近年来上 海城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 分别占到总排放的8 6 、9 0 和5 6 ， 北京市在非采暖期，机动车排放的c o 、h c 和n o x 也分别占到6 0 、8 6 8 弄口 表1 一l 美国联邦政府制定的车辆排放控制标准( g m i l e ) 年限 h cc on o x 一1 9 7 0 1 0 68 44 1 1 9 7 卜一1 9 7 24 13 4 无规定 1 9 7 3 1 9 7 43 0 2 83 1 1 9 7 5 一1 9 8 0 1 51 53 1 1 9 8 1 一1 9 9 4 0 4 l3 41 1 19 9 5 2 0 0 5o 2 53 40 4 2 0 0 5 一 o 1 2 51 7o 2 第一章绪论 表l 一2 欧洲最新车辆排放标准( g k i n ) e u i ie u i e u i v 车型排放物 ( 1 9 9 6 )( 2 0 0 0 )( 2 0 0 5 ) 汽油 c o2 22 3 1 0 发动 h c + n o xo 5 无要求无要求 机汽 h c无要求0 2o 1 生 、 n o x 无要求 o 1 50 0 8 非直喷 c o1 o0 6 4 0 5 型柴 h c + n o xo 70 5 60 3 油机 n o x 无要求 0 5 00 2 5 汽车 p m0 0 8o 0 5o 0 2 5 直喷 c o 1 0 0 6 40 5 型柴 h c + n o x 0 9o 5 6 0 ，3 0 油机 n o x无要求 0 5 0 2 5 汽车 p mo 10 50 0 2 5 表1 3 日本轻型车排放标准( g k m ) 颁布时间 h cc on o x 1 9 7 5 正0 4 3o - 3 2 。 o _ 3 2 r 1 9 7 8 矩 2 7 52 0 52 0 5 1 9 9 1 正 o 5 20 _ 3o 3 5 4 7 。国家环保局提供的数据表明，全世界2 0 个大气质量最差的城市中， 中国占了1 0 个。汽车内燃机所带来的环境污染是我国城市和社会经济可持 续发展中必须解决的重大问题。 我国在1 9 9 8 年之前只实行汽车怠速排放法规。随着大气污染状况的恶化 和人们对该问题的日益重视，汽车排放法规也相继实施。我国等效采用欧洲 的排放法规，在2 0 0 0 年实现欧i 排放，2 0 0 4 年实现欧i i 排放，2 0 0 7 年施 行欧i i i 。因此努力促进发动机技术水平的提高，降低汽车的排放已经成为国 内外各厂商面临的重要课题。 1 1 3 内燃机实现高效清洁燃烧的技术发展历程 2 0 世纪7 0 年代以来，随着发达国家排放法规和油耗法规的实施，内燃 第一章绪论 机技术取得了飞速发展。内燃机能量利用率和有害排放得到了大幅度改善， 其中有害排放物已减少了9 0 以上，大量的基础研究成果证明，传统火花点 燃式内燃机和压燃式内燃机，分别在热效率和有害排放方面达到了极限【2 】。 汽油机属于预混均质燃烧，借助电火花点燃。由于汽油特性以及爆震等 诸多因素的限制，因此压缩比低，热效率低，且产生大量n o x 和不完全燃 烧产物。另外由于汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失 使机械效率降低。由于热效率低和机械效率低，汽油机的能量利用率比压燃 式发动机低3 0 ，这就是传统汽油机难以克服的能量利用率极限。 柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点 时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混和时间很短，燃料与空气 混和的严重不均匀，混合气分为高温过浓区和高温火焰区。尽管柴油机缸内 气体平均温度大约在1 2 0 0 。k 一2 0 0 0 。k ，平均空燃比在2 3 以上，但是由于 柴油机是扩散燃烧，火焰前锋实际上是当量比为l 的扩散火焰，火焰温度高 达2 7 0 0 。k ，极有利于n o x 的生成。另一方面，在高温过浓区，由于缺氧 生成大量碳烟。总之，由于柴油机喷雾扩散燃烧的固有性质，使柴油机存在 碳烟和n o x 排放的最低极限。 为了突破传统柴油机和汽油机燃烧方式所决定的排放极限和能量利用极 限，探索新的组织燃烧过程的途径，在上世纪9 0 年代后期开始酝酿并逐渐 产生了新一代内燃机燃烧理论。燃烧学和热力学基本原理证明，新一代内燃 机燃烧方式的基本特征是：均质，压燃，低温火焰。它是清洁高效的燃烧过 程，其内涵极为丰富，强烈依赖现代高新技术和前沿基础理论的进步【l o l 。 在汽油机研究方面，国内外都在探索采用新技术来组织燃烧过程，国际 上目前采用的技术措施主要有： 1 废气再循环( e g r ) 增大发动机的充量系数，从而减少发动机的泵 吸损失，提高发动机的热效率，降低燃油消耗；废气中的c 0 2 、n 2 、h 2 0 等 惰性气体具有较高的比热容，多变指数低，可以降低最高燃烧温度，从而抑 制n o x 的生成。 2 电控燃油喷射( e f i ) 可以实现各缸分别喷油，改善各缸混合气分配； 排除化油器喉口部的流动阻力，可以增大进气充量；精确控制喷油量、喷油 定时和点火定时，使发动机在所有工况下都以最佳状态运行。 3 可变气门机构( v v t ) 通过气门正时可变来有效的利用进排气的脉 第一章绪论 动效应，由于气门重叠角可以变化，从而能够控制内部废气再循环量，怠速 时使气门重叠角为零，从而使怠速转速降低，改善油耗。 4 多气门化四气门( 二进二排) 或五气门( 三进二排) 设计可增大迸 气流通面积，提高充量系数，减小泵吸损失；便于火花塞居中布置，减短火 焰传播距离，降低爆燃倾向，可以提高压缩比；气门的减小，也降低了气门 的惯性质量，因而可以提高发动机转速。 5稀混合气燃烧技术在保证扭矩变动和n o x 排放不超过上限的前提 f ，控制空燃比为稀薄混合气，从而改善油耗。 6 缸内直接喷射技术缸内直喷汽油机是在部分负荷时用混合气的分 层化实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率：在高负荷时用预 图1 - - 2 降低油耗技术措施贡献率 混合汽油机的均匀混合，得到高功率特性的理想汽油机。汽油机缸内直接喷 射可以实现无节流或小节流的变质调节，因而降低了节流损失，大大改善部 分负荷时的燃烧性能，从而降低发动机的油耗】 除此之外，代用燃料和代用动力发动机也是新的研究热点。代用动力发 动机如斯特林( s t i r l i n ge n g i n e ) 发动机、燃气涡轮发动机、改进的二冲程发 动机、电动机车和混合动力发动机等都被认为将是在2 1 世纪比较有前途的 发展方向。但这些代用动力到目前为止都存在各式各样的尚未解决的关键技 第一章绪论 术问题。 代用燃料包括压缩天然气、液化石油气、甲醇、氢气，其中天然气和液 化石油气在地球上的储备量很大，且排放较低，预计将在这个世纪发挥较大 的作用。 图1 2 显示了内燃机采取各种降低油耗的措施后可能降低油耗的百分数 。 表1 - 4 以美国为例，说明了汽油机轿车排放控制技术的发展历程【7 1 表卜4 美国汽油机轿车撵放控制技术的发展历程 1 9 6 6 1 9 7 3曲轴箱强制通风( p c v ) ，废气再循环( e g r ) ，二次空气喷射和热反应器 1 9 7 4 1 9 7 9改进的化油器，无触点点火，使用并改进催化剂 1 9 8 0 1 9 8 3反馈( 闭环) 控制系统，进一步改进化油器和催化剂( 包括三效催化剂) ， 改进发动机，挥发性排放物控制 1 9 8 4 1 9 9 3发动机改进，电子控制。燃油喷射，催化剂和e g r 的进一步改进 1 9 9 4 现在 进一步改进发动机、控制装置、供油系统、催化剂和e g r ，改进挥发性排 放物控制，车载诊断( o b d ) 应用 图1 - 3 为a v l 公司形象地说明汽油机在降低油耗和日趋严格的排放法规 双重压力下所走的技术历程。尤其强调是可变技术的应用，这些技术很少存 在竞争的关系，主要是并行发展。性能、油耗、排放、动力性和噪声、产品 费用、批量以及市场占有率密切相关u 3 1 。 第一章绪论 多点燃油喷射i ) 鬣寞德 汽油直喷( g d i ) = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 二= = = = 一 l 稀薄燃烧可变充量可变气门正时 可变气门驱动可变排量可变压缩比缩减体积均质汽油直喷 分层汽油直喷 l l e a nb u r r l v c mv v tv v av dv c rd s zg d ih o m o g e n i e o u sg d is t r a f i c a t i o n 图卜3 汽油机技术发展历程 1 1 4 国内外新概念燃烧的研究状况 近几年来国外许多著名的研究机构都在积极开展新一代内燃机燃烧控 制理论和控制技术的研究，人们首先想到的是稀薄、预混燃烧方式，在柴油 机研究上，有美国西南研究院的柴油机燃烧均质充量压燃燃烧过程( h c c i ) 1 4 - 1 7 ，日本交通安全研究院提出的均匀充量柴油机燃烧过程( h c d c ) ，日本 新a c e 研究院则提出预混稀燃柴油机燃烧过程( p r i d i c ) 1 8 - 1 9 】，最近又提出 了多级喷射柴油机燃烧过程( m u l d i c ) 1 2 0 1 * 其中h c c i 燃烧过程的研究在近 几年内取得了很大进展，在汽油机基础上发展起来的h c c i 燃烧过程主要的 科学问题是燃料自燃着火的控制和燃烧反应动力学的控制【l 。在控制着火角 度、优化压缩比和e g r ，降低燃油消耗率，扩大运行范围，降低h c 和c o 排放方面，仍有很多工作可做，离实用尚有相当距离。 在汽油机新概念燃烧方面，国外一些大公司和研究机构已经取得了显著 第一章绪论 的研究成果，他们研究的重点集中于实现稳定的分层稀薄燃烧。如福特公司 发展了一种直喷均匀混合燃烧系统，经试验证明可以提高稀燃和废气再循环 的极限 2 0 - 2 1 ；丰用d 4 汽油机采用丰田的电控技术无级调节进气门定时系统， 在超稀混合气分层燃烧期间产生强涡流运动以控制混合气的良好分层【2 2 1 ； a v l 研究所设计的d g i 是运用了壁面控制型燃烧系统，其混合气形成过程 是：燃油先直接喷入活塞的燃烧室凹坑，然后靠燃油与强充量运动的相互作 用来促进混合气的形成，并使混合气朝火花塞方向传送1 2 引。 近几年，欧共体广泛组织高校和工业界的力量开发四行程汽油可控自燃 燃烧过程( g a s o l i n ec o n t r o l l e da u t o i g n i t i o nc o m b u s t i o np r o c e s sc a i ) 发动机”“，参加这一研究开发的单位有：英国的b r u n e l 大学、德国的 r u p r e c h t - k a r l s 大学、德国的戴姆勒一奔驰公司、法国的标志雪铁龙公司以 及英国的福特公司等。它们的目标是经过联合开发这种新型燃烧发动机，取 代当前广泛采用的以化学当量比混合气工作，带三效催化器尾气处理的轿车 用四行程火花点火发动机。”。英国b r u n e l 大学的赵华博士等”2 8 1 成功地在 汽油机基础上实现了均质压燃着火燃烧过程( c a i ) 。通过在一个气口喷射 的普通汽油机上，取消节气门，把排出废气的一部分重新送入燃烧室，以改 变进气的氧浓度、惰性气体浓度以及比热等混合气的燃烧特性，此外在进气 口处设置了一个电加热器，在不同工况下把进气温度加热到3 9 0 一4 5 0 。 最后经过大量实验找到了适合轿车道路运行工况下实现均质压燃着火燃烧 过程的控制条件，n o x 排放只有几个p p m ，比原机减少1 0 0 倍( 原机为1 0 0 0 p p m 以上) ，油耗降低了2 0 。可是，这类燃烧方法目前只能在低负荷下运转， 中等负荷以上时易出现爆震、燃烧不能控制及爆发压力高等严重问题，离实 际应用还有较大的距离。 我国在内燃机新概念燃烧理论的研究方面也做了许多相关的研究工作。 大连理工大学的胡国栋教授九十年代初提出的伞喷闪急蒸发混合控制燃烧 的理论，就与日本n i s s a n 公司的m k 燃烧过程基本思想相当一致。随着内燃 机可变控制技术在上世纪九十年代的快速发展，使得一些新的燃烧控制思想 得以实现。其中以天津太学刘书亮教授提出的准均质稀薄燃烧理论为代表， 该理论的核心是通过二次喷油技术，加上燃烧室内气流运动的控制，形成准 均质混合气来实现稀薄燃烧。另外，西安交通大学的周龙保教授提出的周向 分层概念，也实现了汽油机稀薄燃烧，降低了油耗和n o x 排放。 第一章绪论 1 2 车用汽油机稀薄燃烧技术 综述上面的各种新概念燃烧，我们认为它们都是在保证发动机性能的基 础上，力求发出同等的功率，燃烧最少的油，以达到高效率低污染燃烧。说 到底就是采用稀薄燃烧或超稀薄燃烧概念。那么稀燃的特性如何呢? 1 2 1 稀燃技术的优越性 当前车用汽油机主要采用用氧传感器进行闭环控制的多点电控汽油喷射 + 三效催化技术，发动机的排放可达欧i i i i i 。但为什么还要发展稀薄燃烧 技术呢? 这主要在于目前进行当量比燃烧的发动机不省油，温室效应气体c o 。 排放大，造成环境问题，为2 1 世纪的国际所不容。普通汽油机电喷+ 三效催 化器方法是机外净化，催化器有寿命，s 、p 、p b 等都使催化反应器效率降低， 排放变差，稀燃是机内净化，节油，c o z 排放少：催化反应器的负荷小。 稀混合气燃烧与通常的燃烧相比，具体说来具有如下的优点： 1 热效率随空燃比增加而增加，并且在空燃比接近无限大时达到理论 最大值”。采用稀混合气燃烧，当发动机的空燃比达到2 0 以上，与当量空 燃比的发动机相比较，热效率将提高8 以上。这是因为当空燃比增大后，比 热比增大；而且稀燃混合气的燃烧温度 较低，一方面燃烧室壁面热传导较少， 另一方面，化学成分的分解损失较少， 有助于完全燃烧；稀燃时节气门开度大， 节流损失小，由于混合气不易爆震，可 以继续提高发动机的压缩比，从而进一 步提高发动机的热效率。如图卜4 为内 燃机热效率示意图，从图可以看出，热 效率随压缩比增加而增加”。 图1 4 内燃机热效率示意图 2 稀混合气燃烧时，缸内有足够的氧气，可以避免由于不完全燃烧产 生c o 和h c 的现象：燃烧温度降低，可以抑制n o x 产生所需的高温条件。 3 稀燃技术有利于改善发动机部分负荷性能，这对于经常工作在部分 负荷工况的轿车具有重要意义。在传统的发动机上，一般采用调节节气门开 度的方法调整发动机的负荷，造成节流损失，增大了泵吸损失，增加了燃料 第一章绪论 消耗量。在稀燃发动机，当功率变动时，可以采用变质调节，不用节气门， 泵吸损失减小，从而有利于改进部分负荷时的热效率。 下是由于以上的优点，近年来采用稀燃技术改进发动机的燃烧性能一直 是研究人员和设计人员所关注的热点。 1 2 2 实现稀燃的困难 但是稀燃技术的也存在诸多问题和困难。 1 、当混合气的空燃比a f 略大于理论空燃比时( a f 在1 6 1 8 之间) ， 燃油消耗率和c o 排放降低，n 0 x 有所增加。进一步增大空燃比( 比如大于 1 9 ) ，燃油消耗率和c o 将继续减小，n 0 x 也将减小。这些正时我们所期望的， 但如果采用均匀的燃油一空气混台气，将存在下列制约因素： 2 、混合气变稀，需要一定的时间以便产生足够的迅速反应的预燃化学物 质，因而必须增大点火提前角。由于点火提前角的增大以及稀混合气火焰传 播速度的降低，从而增大时间损失。 3 、发动机点燃性能恶化。对应于一定组成的预混合可燃混合气，都存在 着一个可以点燃它的最小点火能量( 最小点火能量与混合气的成分、空燃比 以及流速有关) ，最小点火能量在静止气流条件下，在比理论空燃比略浓的 情况下达到，当混合气变稀时，最小点火能量迅速增加。燃油消耗、h c 排 放趋于增大。随着混合气空燃比增大，火焰温度和火焰传播速度降低，使得 混合气燃烧速度减慢，燃烧不充分，降低燃烧的效率。同时部分燃烧还带来 h c 排放增大的不利因素。 4 操纵性能下降。随着混合气变稀，燃烧时可能产生失火现象，并且燃 烧循环变动增大，输出扭矩波动加大，发动机的运转变得不平稳。 5 、稀燃发动机的排气恶