浅析内燃机节能环保技术和燃烧技术.doc

浅析内燃机节能环保技术和燃烧技术摘要：详细分析传统内燃机的节能环保和燃烧技术特点，对围绕这两大主题而发展的内燃机技术做了概述，根据内燃机的燃油经济性以及排放性能来吸收各自技术的优点，并对这两方面取得的技术进展和待解决的问题进行了讨论。关键词：内燃机；节能环保；燃烧技术Analyse the internal combustion engine energy conservation and environmental protection technology and combustion technology Abstract: A detailed analysis of energy conservation and environmental protection and traditional internal combustion engine combustion technology characteristics of the two themes around this development and the internal combustion engine technology is given, according to the internal combustion engine fuel economy and emission performance to absorb their respective advantages of technology, and of the two have technology development and problems to be resolved are discussed. Keywords: internal combustion engine; Energy conservation and environmental protection; Combustion technology 一.前言 随着人们对能源和环境的日益重视，对于汽车主流动力内燃机，因其高油耗、高排放的先天不足被推上审判席。目前人们最关注的是环保和节能两个主题。环保方面主要涉及到有害污染物及温室气体的排放和振动与噪声;节能方面主要关注能量转换效率,也就是考察燃油里程数。如何满足日益严格的排放法规要求,同时又要提高能量转换效率是汽车主流动力内燃机的生存压力,也是发展动力。为适应当前节能和排放的需要，在车用内燃机上出现了许多新的技术。其中目前最具代表性的先进节能环保技术有： (1)柴油机高压共轨电控燃油喷射技术； (2)汽油直喷燃烧技术(GDI)；(3)代用清洁燃料的研究； (4)均质充量压缩点火(HCCI)燃烧技术。而对内燃机的新燃烧技术有：(1)MK燃烧；(2)PREDIC燃烧；(3)HCDC燃烧；(4)AR燃烧；(5)多孔介质燃烧；(6)富氧燃烧；下面就以上这些技术的研究现状及进展作一些介绍。二.节能环保技术1、柴油机高压共轨电控燃油喷射技术 柴油机高压共轨系统示意图共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。目前，这项技术的研究的重点是：(1)高压共轨系统的恒高压密封问题；(2)高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量控制数据的优化问题； (3)高压共轨系统三维控制数据的优化问题； (4)微结构、高频响电磁开关阀涉及与制造过程中的关键技术问题。2、清洁代用燃料 纳米复合柴油 纳米复合汽油 新型醇基燃料 生物柴油工艺路线图 近几十年来，国内外在努力降低作为汽车主流动力的汽油机和柴油机的排放污染的同时，也在不懈地探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。这些研究的目的，不仅是为了降低汽车排气污染，也是为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。清洁燃料可以分为:1、如常规燃料的变型产品：如，新配方汽油(RFG)，新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等。2、气体燃料：如，天然气(NG)，压缩天然气(cNG)，液化天然气(LNG)，氨(NH3)，H2，石油液化气(LPG，其主要成份为丙烷)等。3、在天然气，煤基础上生产的燃料。如FTL油，甲醇，和醚类燃料(如二甲醚DME；二乙醚DEE等)。4、由玉米，草木类植物，含碳废弃物提炼的生物乙醇。5、由花生油，菜子油等生产的生物柴油。3、缸内直接喷射技术(GDI) Mitsubishi GDI（汽油缸內直接噴射） 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；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合，得到高功率特性的理想汽油机。目前，发动机缸内直接喷射(GDI，gasoline direct injection)技术已有少量机型出现，欧洲市场还有一些直喷发动机系统。GDI面临的主要排放问题是UBHC(unburned hydrocarbons发动机中未燃尽的碳氢化合物)和NOx。由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI(电喷汽油机)冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。目前，GDI对NOX排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOX催化转化器，其中后者的发展有着深远的影响。部分负荷不使用EGR时，GDINOx的排放水平与PFI相差不多。但由于GDI可实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内的富裕氧气较多，从而允许使用高的EGR率，充分降低NOx排放量，并且燃烧特性不会因为EGR而恶化。据试验表明，在燃油经济性改善保持不变的情况下，GDI的EGR可高达40。4、均质混合气压燃(HCCl) HCCI发动机布置示意图均质充量压缩着火(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃烧方式，被人们称为内燃机的第三种燃烧方式，这是当前内燃机燃烧的一个研究热点，它最有希望在近期以两种燃烧方式(dualmode)的组合(即在起动和高负荷时以火花点火(SI)方式或柴油机燃烧(DI)运转，在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作)在轿车发动机上应用，从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放，以及在部分负荷(可达75负荷)和怠速获得和柴油机一样或更高的经济性，但NOx排放很低。采用均质压燃可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于均质压燃可以使用非常稀的混合气，使燃气的最高温度不超过1600。在此温度以下，空气中的氮气和氧气不进行化合反应或者化合反应速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的困难。在较高负荷工况，供油量增加，空燃比下降。当燃气温度升高到1600以上，氨氧化物的排放开始急剧升高。为了抑制氮氧化物的生成，可采用进气增压来提高混合气的空燃比。三.新燃烧技术1MK燃烧 MK燃烧系统图 MK(Modulated Kinetics)系统基本特征是属于低温、预混合燃烧，能够同时降低NOX、PM。在MK系统中采用高的废气再循环率，降低进气氧浓度并实现低温燃烧，这样能够大幅度降低NOX。但是由于高的废气再循环率（意味着氧浓度降低）通常会引起排气烟度增加，因此设法通过延迟喷油来实现预混合燃烧，达到降低PM的目的。2. PREDIC燃烧技术 PREDIC燃烧是针对预混合稀薄柴油机燃烧的三大缺点，即HC、CO排放高，燃油消耗率高以及运转范围窄而提出的一种复合式燃烧方式。其特点是有两套喷油器，侧置的两个喷油器最大喷射压力达到120MPa,中央置的喷油器最大喷油压力达到250MPa，均为电控高压系统。侧置的两个喷油器在压缩行程早期就将燃油喷入气缸，使得燃油有足够的时间发展成为均匀、稀薄的混合气，经压缩着火燃烧后在燃烧室内不存在局部的高温区，因此NOx排放非常低。 PREDIC燃烧柴油机示意图 柴油机预混合燃烧研究虽然取得了一些初步成效。但柴油机预混合燃烧理论要取得突破，尚有如下问题亟待解决。首要的是着火与燃烧控制问题，应避免预混合气着火过早，控制着火始点，以达到近似等压燃烧，控制预混合燃烧可能引起的最高燃烧压力过高。其二是预混合气制备方式和质量问题，在着火前形成均匀的预混和气,这是实现预混合快速燃烧的另一个关键；其三是预混合燃烧的负荷适应性问题；其四是预混合燃烧系统HC和CO排放偏高的问题。3. HCDC燃烧 HCDC柴油机示意图 HCDC燃烧方式，是针对柴油机如何同时降低NOX、PM排放而提出的一种的燃烧思想。HCDC将一部分燃油在发动机吸气行程时喷入进气管，进行充分的预混合，然后由直接喷入气缸的少量燃油进行压缩点燃。在HCDC燃烧方式中，预混合燃油率（喷入进气歧管中的燃油与总燃油量的比值）越高，相应的排放越低。与均质预混合燃烧方式相比，HCDC由于采用喷入气缸的少量燃油进行压缩点火，因此着火时间可以控制。4. AR燃烧AR燃烧是在40%以下的节气门开度无需火花塞点火便可进入正常运转的燃烧方式。AR是英文“Active Radicals可译为活性基或活性原子团的缩写。这种活性基是部分燃烧的燃油所产生的一种化学活性分子“碎片”。AR燃烧不是用火花塞来点火的而是由这种活性的碎片做为“火种”，将发动机内的新鲜充量点火并直接使其进入发动机的循环过程。由于在混合其中的化学变化能够由这种“火种”来加速，也能被压缩热来促进，这样在压缩冲程中的许多点均可实现自动点火。5. 多孔介质燃烧多孔介质燃烧的超绝热燃烧是一种先进的燃烧技术，具有高效低污染的特点。将这一技术应用于发动机领域，有可能引起内燃机技术和产业的一场重大革新。多孔介质中预混合气体稳定燃烧的特点一般可概括：a.由于多孔介质具有很大的热容量以及气固之间的传热效率高，使燃烧过程可在较低温度下进行；b.反应区中温度分布均匀，因而燃烧状态易于控制；c.反应区尺度的，其厚度可达到自由火焰厚度的数百倍；d.燃烧速率远远大于自由火焰的传播速率；e.多孔介质内不存在宏观尺度上的火焰；f.燃烧过程非常稳定而完全，从而有利于对燃料过程的控制；g.污染物排放可达到很低的水平；如CO排放小于10mg/kwh，NOx排放70mg/kwh;h.可达到很高的功率密度（约40MW/m3),从而实现强化燃烧；i.动力范围具有很强的调制性（最大与最小功率之比可达20）；j.由于燃烧过程具有良好地可控性，故燃烧噪声小。多孔介质不仅具有上述众多优点，而且，多孔介质燃烧器不仅可以燃烧气体，还可以成功地燃烧汽油、柴油和其他液体燃料。由此可开发出高质量的稳态燃烧系统。这里起关键作用的是燃料的蒸发过程。不完善的蒸发会直接影响燃空混合气的形成，而导致较高的CO、NOx和HC排放，而多孔介质恰恰具有促进液体燃料蒸发的优越性。但是关于气体燃料在多孔介质中的燃烧机理，国外研究人员在辐射、导热、燃烧速率及污染物排放等方面进行了较广泛研究，但由于多孔介质本身在实验研究和理论研究上的困难性，研究还比较初步,国内对于多孔介质燃烧器的研究也是处于起步阶段。6. 富氧燃烧由内燃机燃烧各阶段特点，可以看出增加内燃机进气中的氧气浓度，从而在主燃阶段特别是其中的缓燃阶段，加速供给氧气提高燃料混合气形成的质量是加速燃烧、缩短缓燃阶段，使燃烧完全进而提高内燃机的动力性能和经济性的关键。在内燃机的燃烧过程中，燃料只有完全氧化才能放出全部热量，向气缸中供给充分的燃料是比较容易的，而向气缸中供给充分的氧气供燃烧用则比较困难，所以为提高氧量，有人提出利用气体分离膜制备富氧空气的技术，并将其用于内燃机燃烧。首先由于供气中氧气含量的增加，在内燃机燃烧过程中的主燃阶段（特别是在其中的缓燃阶段），其燃烧速度加快，燃烧温度增高，使得公职的膨胀比增加，动力性提高，排气温度下降，同时由于燃料分子与氧气分子接触的机会增加，使得燃烧更加完全，从而燃料利用率大大提高，而且因为供气中氮气的含量相对下降，内燃机排气总量减少，排气中带出的热量也相应减少，可使内燃机燃料消耗量大大下降，达到节约能源的目的。其次富氧燃烧技术可提高内燃机的动力性能。目前内燃机燃烧中采用富氧燃烧技术所存在的问题在于富氧气体分离膜的价格还偏高，由于所修要的产气量较大，要求膜的面积也较大，造成富氧空气产生设备的体积较大，对于在内燃机燃烧中，采用富氧燃烧技术所开展的试验研究工作很少，经验不足。四总结综上所述，内燃机工作者为了进一步改善内燃机的燃油经济性以及排放性能，正在尝试一种将压燃式与点燃式发动机的优点结合在一起的新的燃烧方式，来达到低碳、节能、环保的目标。发动机发展到今天，应该说达到了近乎完美的境界，纵观他的成长历史，几乎是在它的动力性，经济性，环保性三角的斗争中度过，但是它依然那么执着，依然在不断地吸收新技术。在能源危机的不断加剧和汽车尾气排放法规越来越严格的形势下，未来车用发动机的发展关键是提高能量利用率和降低污染物的排放。 参考文献1.裴毅强，苏万华，张晓宇，林铁坚，王辉.BUMP燃烧室的稀扩散燃烧机理J.燃烧科学与技术,2006,12（1）:41-452.陈贵升，郑尊清，尧命发，李彦飞，赵令猛，袁锋.不同增压方式下EGR对高压共轨柴油机燃烧和排放的影响J.燃烧科学与技术,2007,17（6）：512-520.3.胡祝昌，苏铁熊，李鹏，赵开敏.柴油发动机高压共轨技术研究J.机械管理开发，2011（4）：23-26.4.许建民，任恒山.车用内燃机节能环保技术的研究进展J.硅谷，2009（20）：150-153.5.金其学，吴定才.浅探电控高压共轨技术应用与发展J.四川省第九届（2009）汽车学术交流年会，2009:214-216.6.孙柏刚，赵建辉，赵陆明，刘福水，胡铁刚，杨柏林.氢内燃机NOx排放特性的试验研究J.内燃机工程，2011,32（2）：53-56.7.杜青，张军，尹君，宋东先，孟艳玲，朱棣.湍流预混燃烧火焰结构的分形维数特征研究