混合动力发动机说明.doc

水蒸汽、柴油、空气混合燃烧的发动机排放机理说明书一、汽车排放污染生产的原因和机理汽车问世100多年以来，内燃机一直是主要配套动力。内燃机是一种利用燃油与空气二相燃烧膨胀做功的机器，其动力来自于化学能转变为热能过程中释放的能量，其排放生成物主要是水和二氧化碳。但由于内燃机存在设计缺陷和燃烧反应过程中的二相不完全燃烧，致使其在氧化反应过程中还会附生HC、CO、NOx、PM等有害生成物，这种有害生成物不仅会造成环境严重污染，同时也造成能源浪费。有害排放物是氧化反应过程中的中间产物，主要通过以下几种途径产生：1、 活塞受热产生金属膨胀，俗称“胀缸”，“胀缸”会使汽缸和活塞环形成无间隙过盈磨损，造成汽缸密封不严，压力下降，润滑油窜缸，冷隙增大，这种情况会产生严重的HC、CO、颗粒物（PM）和兰烟。2、 排气门受热产生热疲劳和蠕变，会使膨胀过程中密闭不严，造成可燃气提前泄露，是产生HC、CO的另一原因。3、 燃烧过程中的结焦积炭，对油雾形成吸附，使部分燃油无法参与反应，是产生HC、CO的又一因素。4、 油雾与空气混合不匀，造成局部富氧、局部供氧量相对不足，油雾颗粒过大，这种情况是造成碳烟（PM）、NOx和CO的主要原因之一。5、 初燃期过长，初燃温度不匀，形成多个着火点是产生NOx的主要原因，因为N2是一种不易于与O2发生反应的物质，只有在富氧条件下的初燃期和不正常燃烧才会产生。6、 汽油发动机人为的控制空燃比（F=14.7）是产生CO和NOx的主要原因，当空燃比达到F=22时，CO和NOx是几乎不会产生的。为了限制汽车排放过程中的有害排放物，美国、欧洲、日本和我国等发达国家政府，相继制订了越来越严格的排放法规，汽车生产厂商为了应对政府的排放法规，采取了一系列技术改进措施，使发动机的结构越来越复杂，为了满足排放要求，不惜以牺牲油耗和动力为代价，甚至采用污染后果更大的“油改气”。因此，近20年，世界各国汽车发动机污染油耗有增无减，特别是当使用过低的空燃比（F=14.7）、EGR、三元催化、颗粒捕捉器等技术手段后，其低污染只保持在新车出厂环节的短时间内有效，缺乏长效机制。国外的这些治理方案，无一例外的增加了用户成本，浪费了社会资源，其思维模式是简单问题复杂化，无论是国外还是中国，对于以汽车营运收入为主的汽车业主，在新车使用一段时间后，都会自行拆除上述装置，以达到省油和增加动力的目的。于是国外又开始设计防止拆除的BOD监控系统，使结构更加复杂化。“油改气”则成为NOx超标排放又一技术公害。国外的这种治标不治本的治理方式却无一例外的被我国汽车生产厂商照抄照搬，并奉为经典，不惜花重金从国外引进，致使我国汽车制造长期缺乏自己的核心技术，中国要想实现世界汽车生产强国之梦遥遥无期。二、正确的治理策略利用第三种介质，形成三相燃烧。治理汽车排放污染中国必须另找捷径，中国人有能力治理汽车排放污染这一环境公害，中国人有思维慎密，实事求是，化腐朽为神奇的科学头脑，特别是中国本土人士，他们一般不轻易盲从老外，有自己的独立思维能力。找到了有害排放物形成的机理，治理也就并不困难，对症下药是解决问题的根本，寻找一种既能实现缸内冷却，又能促进燃烧的物质参与实现三相燃烧是关键之所在。经长期研究发现，水蒸汽具有燃烧过程中所需要的一切必要条件，是一种很好的燃烧促进剂，完全可有效参与三相燃烧。水蒸汽有下列特性：1、 水蒸汽是已知物质中比热最大的物质，它可大量吸收燃烧室内的余热，使活塞、汽门得到充分内部冷却，延长零部件使用寿命，做功时的漏气现象将不易产生。2、 水蒸汽在高温下与油雾接触，会产生剧烈的微爆作用，使油雾与空气产生二次雾化，与空气充分混合，特别是对非匀质燃烧的柴油发动机减少有害排放物效果显著。在现有低排放的基础上，可进一步削减NOx和PM80%、CO、HC削减50%以上。微爆作用同时可消除燃烧形成的积炭，使燃烧进行得更完全。3、 水蒸汽的吸热作用能有效控制燃烧时各种工况条件下的燃烧温度，排除了NOx的生成条件，即使汽油发动机的空燃比提高到F=22左右，实现稀薄燃烧、早燃、早爆现象也不会产生。燃油经济性明显。4、 水蒸汽富含OH活性基团，能与部分高温（1200度）脱氧形成的碳粒产生水煤气反应(C+H2OCO+H2，H2+O2H2O),所形成的CO又可和燃烧初期形成的NOx产生氧化还原反应，即2NOx+2CO=N2+2CO2，通过一系列反应，使排放过程中不产生黑烟和具有刺激气味的NOx，实现洁净排放。对增大油耗和降低功率输出的EGR、三元催化、颗粒捕捉器均可去除，从而降低汽车的制造和使用成本，社会资源得到合理利用。5、 水蒸汽较空气有更大的密度，受热后能产生更大的膨胀力，可在一定程度上提高发动机动力，功率可提升15%左右。6、 利用水蒸汽参与发动机燃烧后，由于燃烧不产生积炭和颗粒物，喷油咀，火花塞等零件变得十分干净，使用寿命大幅度延长，润滑油不易受到污染，润滑油清洁清净性得以提高，可减缓运动件的润滑磨损，发动机整体寿命延长。三、为什么要使用水蒸汽而不能使用水？早在40年代开始至今，科学家一直在从事内燃机燃油掺水试验研究，但几十年来，始终没有任何方案达到进入实际应用的水平，主要原因是思维上的误区导致技术方案繁杂，且会产生严重负面影响：1、 使用液态水会使冷启动困难。2、 在燃烧过程中易产生HC化合物，零部件激冷变形。3、 在供水方法上难于控制，易造成喷咀和油泵的早期磨损。4、 没有明显节油效果。使用水蒸汽不但可完全避免上述矛盾，而且还具有以下优势：1、 水蒸汽有较高的初始温度，具有一定的能量，不会对燃烧室造成激冷，HC不会上升。2、 水蒸汽属于汽态介质，可利用发动机进气时的负压进入汽缸，进汽时间和数量易于发动机转速、工况同步。3、 水蒸汽有很好的扩散性，易与空气充分混和。4、 水蒸汽的体积是同等质量液态水的数千倍，体积增大数千倍后，易于控制燃油，水蒸汽和空气的混合比例。5、 水蒸汽中富含OH活性基团，能与燃烧过程中的中间产物PM、NOx产生氧化还原反应，促进可燃气充分燃烧。综上所述，水蒸汽燃烧过程中能产生其它物质无法替代的作用。四、水蒸汽的制备和产品结构水蒸汽的制备装置由供水系统、废热回收系统、蒸汽稳压输配系统、ECU和传感器等几部分组成。其产生水蒸汽的能量是利用发动机工作时产生的排放废热。供水系统由水箱、水泵、电磁阀、单向阀、管道组成，它根据ECU的指令，向废热回收系统（余热锅炉）供给一定量的液态水，保证充分汽化。余热锅炉是内置于排气歧管的一段热传导良好的金属管，通过热传导和热平衡方式吸收排放废热中的能量，使液态水形成高温水蒸汽，储存于蒸汽罐中，蒸汽罐的作用是进行汽水分离和保持气压稳定。水蒸汽输配系统由管道、调谐阀和喷咀组成，并利用进气歧管的负压使水蒸汽与空气同步输入汽缸。传感器是采集发动机动态工作参数，将信号输入ECU，ECU向水泵发出工作和停止信号，ECU同时具有工况显示和故障诊断功能。该装置结构简单，智能化程度高，安装维护方便，可与各种燃油种类的新旧汽车发动机安装匹配，且不破坏和改变原有结构，对水质没有严格要求，生活饮用水即可。对油质和烷值也没有严格要求。五、成果和展望历经长达数年，部分车辆在使用该装置后，不但实现了超低排放，而且节油效果明显，新车