最新柴油机节能技术及发展趋势

1、柴油机节能技术及发展趋势摘要：随着能源紧缺和环境污染问题的日益严重，当前国内外法规对柴油机节能与排放的要求越来越高，柴油机节能减排技术发展面临着新的挑战。文章主要从柴油机节能减排技术的几个方面介绍了柴油机技术的发展现状，分析了当前柴油机在节约能源以及降低污染物排放方面的研究进展，讨论了二十一世纪柴油机环保与节能技术的发展趋势。关键词：柴油机、节能技术、电控喷射、涡轮增压1.引言1882年德国人狄赛尔提出了柴油机工作原理，1896年制成了第一台四冲程柴油机。一百多年来，柴油机技术得以全面的发展，应用领域起来越广泛。大量研究成果表明，柴油机是目前被产业化应用的各种动力机械中热效率最高、能量利用率最

2、好、最节能的机型。由于它的高效、节能等性能在汽车动力中受到高度重视,特别在近现代,柴油机的应用趋势在逐渐扩大,由于柴油机对能源消耗较大,对环境污染特别严重,所以对该项污染问题不能忽视,全世界的能源枯竭和发动机尾气对世界的污染日益严重,全世界在对节约能源和汽车尾气排放上有了更高的规定。柴油机燃油经济性和排放关系未来柴油机发展的关键问题。在美国、日本以及欧洲100%的重型汽车使用柴油机为动力。在欧洲，90%的商用车及33%的轿车为柴油车。在美国，90%的商用车为柴油车。在日本，38%的商用车为柴油车， 9.2%的轿车为柴油车。据专家预测，在今后20年，甚至更长的时间内柴油机将成为世界车用动力的主流

3、。世界汽车工业发达国家政府对柴油机发展也给予了高度重视，从税收、燃料供应等方面采取措施促进柴油机的普及与发展。 随着先进柴油技术的发展，柴油发动机冒黑烟，噪音高，振动大等问题得到解决，柴油机较同排量汽油机可节油25%以上的优势得以显现。近年来，柴油轿车在国际上，特别是欧洲，取得了很大发展。到2007年，西欧柴油轿车销售已占轿车销售市场份额的54%，在部分国家（如法国）已占70%以上。我国柴油机产业自20世纪80年代以来有了较快的发展，但就其技术来源而言，引进系列和自主开发系列基本上是平分秋色。在全球节能排减趋势的推动下，柴油机动力技术经历了如下主要的发展演变过程:供油方式从机械式直列分配泵经历

4、了单体泵、泵喷嘴到第一代、第二代、第三代、第四代电控高压共轨系统演变;喷油压力、喷孔数目、喷油时刻与循环喷油量的计量控制均发生了演变。进气系统从传统的自然吸气式到放气阀式涡轮增压中冷、可变结构涡轮增压中冷到串联式二级增压二级中冷增压系统演变。燃烧过程组织从涡流式燃烧系统到缸内直喷+冷却EGR演变，并伴有从传统的预混一扩散燃烧方式衍变的预混压燃点火燃烧系统的演变。2.柴油机节能技术现代的调整高性能柴油机由于热效率比汽油机高、污染物排放比汽油机少，作为汽车动力应用日益广泛。西欧国家不但载货汽车和客车使用柴油发动机， 而且轿车采用柴油机的比例也相当大。美国联邦政府能源部和以美国三大汽车公司为代表的美

5、国汽车研究所理事会也开发新一代经济型轿车同样将柴油机作为动力配置。经过多年的研究、大量新技术的应用，柴油机最大的问题烟度和噪声取得重大突破，达到了汽油机的水平。在未来的20年内,内燃机仍是各种通用机械的主要动力,随着汽油和柴油的质量越来越高以及内燃机技术的快速发展,能量利用效率得到了明显的提高,同时代用燃料也会得到迅速运用,小型的废气涡轮增压内燃机的研制,必将对我国内燃机行业的发展及节约能源方面起到重要的作用。因此,如何结合我国国情来发展内燃机行业及中国的燃料,开发研究新的节能技术,制定科学的、符合发展的战略,是我国内燃机行业科研单位乃至国家政府必须重视的问题。2.1共轨技术经过多年的发展完善

6、，柴油机电控喷射系统已由第一代的位移控制到第二代的时间控制一直发展到了现在的压力时间控制，也就是大家所熟知的共轨喷射技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和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，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对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的变化，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，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。 在汽车柴油机中，高速运转使柴油喷射过程的时间只有千分之几秒，实验证明，在喷射过程

7、中高压油管各处的压力是随时间和位置的不同而变化的。由于柴油的可压缩性和高压油管中柴油的压力波动，使实际的喷油状态与喷油泵所规定的柱塞供油规律有较大的差异。油管内的压力波动有时还会在主喷射之后，使高压油管内的压力再次上升，达到令喷油器的针阀开启的压力，将已经关闭的针阀又重新打开产生二次喷油现象，由于二次喷油不可能完全燃烧，于是增加了烟度和碳氢化合物（HC）的排放量，油耗增加。此外，每次喷射循环后高压油管内的残压都会发生变化，随之引起不稳定的喷射，尤其在低转速区域容易产生上述现象，严重时不仅喷油不均匀，而且会发生间歇性不喷射现象。为了解决柴油机这个燃油压力变化的缺陷，现代柴油机采用了一种称为“高压

8、共轨”的技术。2.2高压喷射和电控喷射技术 在电控喷射方面柴油机与汽油机的主要差别是，汽油机的电控喷射系统只是控制空燃比（汽油与空气的比例），而柴油机的电控喷射系统则是通过控制喷油时间来调节负荷的大小。 柴油机电控喷射系统由传感器、ECU（控制单元）和执行机构三部分组成。其任务是对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时随运行工况的实时控制。采用转速、温度、压力等传感器，将实时检测的参数同步输入计算机，与ECU储存的参数值进行比较，经过处理计算按照最佳值对执行机构进行控制，驱动喷油系统，使柴油机运作状态达到最佳。高压喷射和电控喷射技术是目前国外降低柴油机排放的重要措施之一， 高压喷射和电

9、控喷射技术的有效采用，可使燃油充分雾化，各缸的燃油和空气混合达到最佳， 从而降低排放，提高整机性能。目前公认的最有前途的电控高压共轨燃油喷射系统可以降低汽车碳烟和颗粒排放,提高发动机动力性和燃油经济性,改善起动性能和降低燃烧噪声,它的高度柔性的燃油喷射系统,在柴油机的结构设计和性能优化上了广阔的自由空间,但系统中大量的基本参数的可变对于废气排放、噪声水平、经济性和动力性折衷优化配带来了困难。在机械方面,对于电控高压共轨式喷射系统,国外开发商正在着眼于提高燃油喷射压力和精确性,以使燃油更充分燃烧,其中最高压力可达260Mpa。在高压油泵、油路,喷嘴的材料和加工过程上进行改进方法有:（1）对泵轴及

10、驱动系统进行专门设计以增强其刚度和硬度。（2）减小喷油孔直径,该直径小于0.2mm,最小可达0.12mm 和增加油孔数目。（3）减小喷油提前角,增大燃烧室直径和提高压缩比。（4）进一步减少零部件,因为较少的零部件意味着较少的管路、接头和振动。在电气方面,重点在于执行器和 ECU 的设计。国内对柴油机电控燃油喷射系统的研究起步较晚,在20 世纪90 年代才开始有几家单位研究,但呈后起直追之势,在控制理论、系统组成、关键零部件研究等方面取得了一些进展。高压共轨燃油喷射系统在现代发动机对燃油喷射系的要求达到了所需目标,只要对现有发动机作较小改动的就可满足欧IV排放标准,它被内燃机行公认为是20 世纪

11、二大突破技术之一,被汽车工业界认为柴油机动力车领域最具发展前途的燃油喷射技术。2.3涡轮增压技术 （1）两级涡轮增压技术 以往的柴油机采用的是一级涡轮增压技术，其产生的压力相对较低，使压缩进汽缸的空气量有限，汽缸中的燃料不能充分燃烧。这不仅浪费了大量的燃料，也使柴油机的废气排放量偏高。瓦锡兰集团和MAN柴油机公司都成功开发出新型的涡轮增压技术，通过使用两级涡轮增压器来增大压力，增加汽缸中的空气量，解决一级涡轮增压器压力不足的问题。 两级涡轮增压系统是由两个大小不同的涡轮增压器串联组成。其工作原理是：利用发动机工作产生的废气的能量，驱动体积较小、增压度较高的涡轮增压器，然后再驱动体积较大的、增压

12、度较低的涡轮增压器。低压比涡轮增压器的压缩机将周围的空气压缩，然后经过一个直接相连的冷却器，将压缩后的空气传送到高压比涡轮增压器的压缩机中；在此之前被压缩过的空气再次被压缩，再经过一个空气冷却器，传送到发动机汽缸。经过两次压缩，可以大大增加进入汽缸的空气量，从而使发动机中的燃料燃烧更充分，大大提高发动机的输出功率和功率密度，并大幅减少有害气体的排放量。该技术能大幅提高柴油机的效率，输出功率和功率密度能够提升近10个百分点，同时降低燃油消耗和二氧化碳排放量。 （2） VTA(Variable Turbine Area）涡轮增压技术 涡轮增压柴油机的最大优点是它可实现小排量、高功率、大扭矩，尤其是

13、其扭矩输出增加明显。但由于涡轮介入程度取决于转速高低，在柴油机低负荷和低速运行下，涡轮增压器不能以最大的效率工作，因而压缩至汽缸内的空气量有限，不能使燃料充分燃烧。这是传统涡轮增压技术的严重缺陷。MAN柴油机公司开发了VTA涡轮增压技术，有效地解决了这一问题。VTA技术使得柴油机处在任何负荷和速度运行时，都能根据燃油的喷入量自动、持续、精确地匹配压缩空气的进入量，解决了传统涡轮增压器只能在事先设定的发动机负荷点实现最大效率的问题。这大大提高了燃料燃烧的效率，节约了燃油，大幅削减了碳氢化合物、二氧化碳、煤烟的排放量。MAN柴油机公司已经成功地将VTA技术应用到大型涡轮增压器上，该涡轮增压器将安装

14、在燃烧重质燃油的大型柴油机上。大连船用柴油机有限公司生产的6S50ME-B型柴油机和上海中船三井造船柴油机有限公司生产的SK80ME-C型柴油机，都将安装采用VTA技术的高效废气涡轮增压器。2.4涡轮增压中冷技术 柴油机的涡轮增压中冷技术就是当涡轮增压器将新鲜空气压缩经中段冷却器冷却，然后经进气歧管、进气门流至汽缸燃烧室。采用涡轮增压增加柴油机的空气量，提高燃烧的过量空气因数是降低大负荷工况排气烟度、 PM 排放量以及燃油消耗的有效措施。有效的空-空中冷系统，可使增压空气温度下降到50以下， 工作循环温度的下降有助于NOX的低排放和PM的下降，故目前重型车用柴油机都普遍是增压中冷型， 不仅有助

15、于低排放而且燃油经济性良好。此外，涡轮前排气旁通阀的应用，不仅能降低PM和CO排放， 还可以改善涡轮增压柴油机的瞬态性能和低速扭矩。 2.5排气再循环（EGR）技术的应用 EGR 是目前先进内燃机中普遍采用的技术，其工作原理是将少量废气引入气缸内， 这种不可再燃烧的 CO2 及水蒸汽废气的热容量较大，能使燃烧过程的着火延迟期增加，燃烧速率变慢， 缸内最高燃烧温度下降，破坏 NOX 的生成条件。中冷EGR 技术是取得降低柴油机NOx 排与改善燃油经济性折衷效果的一种有效措施。自2000 年起,中冷EGR 的应越来越多, 以取得最佳的NOx 和燃油消耗率的衡关系。对于小型柴油机来说,中冷EGR 增

16、加了发动机管路的复杂性, 并产生布置问题。ECOTEC 发动机采用了利用气缸盖内部冷却通道来输送EGR的方法以解决此问题。在一个典型的高速直喷式柴油机中, EGR 取自涡轮增压器涡轮前的排气, 并被输送到涡轮增压器压气机和中冷器的下游以避免在压气机和中冷器中堆积积碳。由于涡轮增压器和发动机的不同特性,在排气和进气之间可能会发生因压力差不足而不能提供足够的EGR 气流量的情况。这个问题的解决方法是使用一个进气节流阀,这样会对发动机增加一些节流损失, 或者使用可变截面涡轮增压器。EGR技术可使机动车NOX排放明显降低， 但对重型车用柴油机而言，目前倾向于使用中冷EGR技术，因为其不仅能明显降低NO

17、X， 还能保持其他污染物的低水平。 2.6排放后处理技术 柴油机后处理的目标是进一步改善PM和NOX的排放。虽然目前先进的柴油机技术已完全可以使柴油机的排放满足欧IV排放标准,但为了满足更加严格的欧V以上的排放标准, 人们一直没有放弃对柴油机排气后处理技术的研究。相对于NOx催化转化技术和连续再生式微粒捕捉技术,氧化催化器技术和热再生微粒捕捉技术已经日益成熟。2.7柴油品质柴油的生产和贮存条件，是保证柴油发动机正常运转延长使用寿命和保持低排放的重要保证。随着排放法规的日益严格，改善燃油品质的重要性逐渐被人们所认识, 低硫油,无铅汽油等都已经提上了日程。欧洲目前正在进行改性柴油对柴油机排放影响的

18、研究。欧洲已进行的研究工作表明,燃油密度、多环芳香烃、 十六烷值和T96馏出点温度4 个参数对柴油机排放影响很大,如果将燃油密度由855kg/ m3降到826kg/m3,多环芳香烃的质量分数由 8%降到 1%, 十六烷值由50 提高到58,T96馏出点温度由370°降到325°,则柴油机HC 排放降低 34%, CO 排放降低 42%, NOx排放增加3%, 微粒排放降低24%。 例如瑞典的一级柴油使用中可减少CO排放达54%，HC 和 NOX 排放达10%，PM 排放减少14%47%。 2.8乳化柴油的应用 柴油加水掺合乳化剂，使其形成较为稳定的含水乳化柴油， 这类改进型

19、燃料的使用可明显降低柴油机（车）的排放，尤其是NOX和PM。目前美国报道这方面进展较多， 我国也在这方面进行研究，且已取得可喜进展。加水20%乳化柴油（70天不分层）， 在大型柴油机上100%负载工况下，功率不减，节油明显，动力输出比柴油上升4.3%， 且烟度和NOX排放下降明显。然而，尽管这项技术对低排放有好处，但其潜在的问题如水结冰、 水对发动机的腐蚀等问题尚待解决。 2.9降低机油消耗 柴油机排放的颗粒物中，有相当一部分来自馏分较重的机油的燃烧。 为了满足日益严格的柴油机（车）排放限值标准的要求，必须把来自机油的燃烧降至最低限度， 即在保证发动机正常运转的前提下，最大限度地减少机油的消耗

20、。为了降低柴油机的机油消耗， 活塞环的优化设计和制造及缸套间的科学配置非常重要。 2.10燃烧室与四气门技术 燃烧室的形状控制空气的运动和燃烧过程中空气与燃油的混合。在燃烧室中的空气运动和喷束与燃烧室尺寸的优化匹配对柴油机燃烧和排放具有重要的影响。与涡流式燃烧室和预燃式燃烧室相比,直喷式燃烧室具有较好的燃油经济性,燃油消耗率降低 15% 20% , CO2 排放减少 20%。随着现代电控技术和直喷燃烧技术的迅猛发展,直喷式柴油机的NOx 排放和噪声也得到了妥善解决。采用直喷式燃烧室已经成为现代柴油机的重要标志,也是柴油机达到欧IV、欧V排放标准的必备手段。国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气

21、门技术和涡轮增压中冷技术相结合， 使发动机在性能和排放限值方面取得较好的成效，能满足欧3排放限值法规的要求。 四气门结构的目的是增加进排气门的截面积, 在高速时增加进气量和降低泵气损失，不仅可以提高充气效率，更由于喷油嘴可以居中布置，使多孔油束均匀分布，可为燃油和空气的良好混合创造条件；同时，可以在四气门缸盖上将进气道设计成两个独立的具有为同形状的结构，以实现可变涡流。 这些因素的协调配合，可大大提高混合气的形成质量，有效降低碳烟颗粒、HC 和 NOX 排放并提高热效率。 2.11采用HCCI均质燃烧方式HCCI被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。与传统的火花点火发动机相比，HCCI方式采用

22、均匀的空气与燃料混合气，但用压燃代替火花塞点火：与传统的柴油机相比，HCCI方式采用压燃着火，但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式具有较高热效率、低NOx和PM排放等优点。自20世纪90年代以来，含有HCCI燃烧概念的燃烧系统有AR(ATAC、RI)燃烧系统、可控自着火(CAI)燃烧系统、调谐动力 (MK)燃烧系统、均匀松散燃烧系统(UNIBUS)、稀薄预混合燃烧(PREDIC)系统、均质合理的多次喷射燃烧系统(HiMICS)和美国西南研究院的均质进气压缩点火(HCCI)燃烧系统等。其它燃烧系统有柴油机多阶段燃烧(MUDLIC)技术、柴油机均质充量燃烧(HCDC)技术、预混压缩着火 (P

23、CI)技术等。这些燃烧系统基本都采用了EGR系统。可见，EGR是实现HCCI燃烧很重要的一项措施。我国从20世纪80年代末开始研究含有HCCI燃烧概念的燃烧系统，如上海交通大学的可控活性化预混合燃烧系统、EGRWS，天津大学对HCCI燃烧也进行了研究。目前，实现 “均质压燃、低温燃烧”的主要的技术途径有喷油策略控制( 混合气浓度分布) 、EGR 控制( 混合气组分、温度、着火时刻) 、高喷油压力( 混合率促进) 等。在此基础上，衍生出许多燃烧模式，诸如预混控制压燃( PCCI) 、MK燃烧、柴油机浓混合气无烟燃烧以及预混合分层压燃( PSCCI) 等。2.12米勒循环技术米勒循环技术是提高柴油

24、机效率的重要技术，但是该技术自身存在缺陷，在低负荷运行时排烟量较大。Mak公司将Miller循环技术和高增压技术相结合，开发出LEE(Low Emission Engine，低排放发动机）技术，该技术已经在M32C Mak发动机系列使用。使用LEE技术的发动机，在不降低发动机效率的前提下，能将氮氧化物的排放水平降低30%，超过了Tier II的排放要求。为了减少发动机在低工况条件下可见煤烟的排放量，LEE技术还使用了FCT(Flexible Camshaft Technology，柔性凸轮轴技术)技术。FCT技术能够保证发动机在低工况运行时燃料系统和空气系统的适时变化，通过提前喷油启动和增加喷

25、射压力来改善燃烧过程，同时也将煤烟排放量降低了50%。改变气阀正时功能关闭米勒循环，可将煤烟排放再减少25%。因此，MaK公司的FCT技术可将柴油机低工况运行时的煤烟排放量减少75%，同时在过渡工况中提高发动机性能。 罗尔斯-罗伊斯公司也将米勒循环技术与提高压缩比率技术相结合，避免了米勒循环技术自身存在的缺陷，成功开发出清洁发动机。该发动机能够满足国际清洁设计标准，能将氮氧化物的排放量降低20%。此外，使用该技术能够在不增加燃料消耗的情况下提高发动机的效率，使发动机的功率提高到330千瓦缸，使该公司最大型的发动机9缸发动机的最大功率可达到2970千瓦。 2.13代用燃料技术所谓代用燃料, 是指

26、能够取代或部分取代目前内燃机传统燃油 (汽油、 柴油、 煤油)的燃料。已开发的代用燃料有气态烃 (压缩天然气( CNG )、液化天然气( LNG )、液化石油气 ( LPG ) )、醇燃料、二甲醚、生物柴油 、氢、燃料电池等。下面介绍一下几种代用燃料的发展状况。（1）天然气：天然气是一种无色、无味的气体，9 0 以上成分为甲烷( C H 4 )。由于天然气拥有资源丰富、污染很小、经济和安全上的优势，从而得到了大力地推广，它是一种很好的清洁燃料。天然气具有如下比较突出的优点：( 1 )着火极限宽。( 2 )抗爆燃性能好。( 3 )排放污染小 。( 4 )发动机寿命延长 ( 5 )燃料经济性好，使

27、用费较低。( 6 )安全性高。正是由于天然气汽车具有上述优点，在世界 日益重视环境保护、车辆安全性能和经济性能的 背景下，天然气汽车的发展前景越来越广阔。作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式不同，分为压缩天然气液化天然气。压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至20Mpa左右存贮在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可 。现在天然气汽车中运用最为广泛的就是CNG，它的技术要求较LNG要低，但也存在一些问题，如续驶里程小等缺点。液化天然气是将天然气经过一定工艺，使其在162左右变为液态，存贮在高压气瓶中。由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这从

28、一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。但由于液化天然气在贮存能量密度、汽车续驶里程、贮存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车存在的一些问题，所以液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今后的重点发展方向。而为了解决动力性不足的缺点，现在天然气发动机一般采用提高充量系数、稀薄燃烧和增压中冷、提高压缩比以及采取优化燃烧室结构和喷油提前角等技术，相信天然气发动机能成为即汽油机和柴油机之后的又一主流。（2）醇类燃料：甲醇燃料甲醇的理化特性同汽油较为接近,并且由于甲醇与汽油的相容性好, 所以容易实现各种比例的掺烧。一般以低比例5% 30%掺烧为多 (M5 M30),高比例掺烧可达85%(M

29、85)。使用甲醇汽油可使尾气中的CO 和HC的排放量明显降低，因此, 目前世界各大汽车厂都在积极研究开发不同方案的甲醇燃料汽车, 低比例甲醇汽油已在美国、法国、意大利等国家商品化。由于甲醇与柴油的理化性质差别较大,与柴油的相容性也较差,因此柴油机掺烧甲醇的研究主要集中在掺烧方式上。目前概括来说有熏蒸法、双燃料系统法和乳化液法3种掺烧方法。采用熏蒸法和双燃料系统法时,汽车和发动机的结构变化较大,所以不易在现使用的柴油车上推广。采用乳化液法时,发动机结构可以不做变动而掺烧甲醇燃料, 比较易于推广应用,但目前尚未研究出性能好、价格廉的助溶剂。甲醇毒性问题一直很受人们的关注,在七五期间, 我国对甲醇对

30、人体健康的影响等课题作了研究。结论是,对接触甲醇燃料人群, 只要遵守操作规程, 没有发现人体健康有异常。目前,关于甲醇毒性问题仍存在较多争论,因此对甲醇的毒性问题仍有必要进行深入研究。乙醇燃料车用乙醇汽油是将燃料乙醇与普通汽油按一定比例调配而成的新型汽车燃料。乙醇的辛烷值比汽油高,并且着火燃烧浓度极限范围比汽油宽得多。乙醇分子中含氧,汽油中添加一定比例的乙醇后, 不仅能部分替代汽油,还可以改善燃烧,降低有害排放。例如,在汽油中加入 10%的变性燃料乙醇,可使辛烷值提高 3 %,氧含量增加 3-5 %,能大大改善汽油的使用性能,使燃烧更彻底,并且不污染环境。近年来,我国乙醇燃料的研究及应用工作有

31、所加强,在2001年制定了车用乙醇国家标准并且确立了三个生产燃料乙醇的建设项目, 开始推广含10%乙醇的车用乙醇汽油混合燃料。与甲醇燃料在柴油机上的应用相似,柴油机掺烧乙醇燃料的研究也主要集中在掺烧方式上。现阶段研究的热点是乳化液法,各国正在研究性能较好的助溶剂使乙醇与柴油形成稳定的混合燃料。目前存在的问题是乙醇制取能耗较大、成本较高,约为汽油的两倍,需要在生产技术上寻求突破,降低能耗和成本,这样乙醇燃料会有非常广泛的应用前景。二甲醚：二甲醚是最简单的醚类化合物,分子式为CH3-O-CH3, 简称DME,含有34.8%的氧(重量比) ,其自燃温度为235,低于柴油,而十六烷值高达55-60,

32、高于柴油, 所以DME 具有良好的着火性能。二甲醚分子式中只有CO 和CH 键,没有CC键,此外它是高含氧燃料,有利于减少燃烧生成的烟度和微粒。同时,它可以使用更大的排气再循环率( EGR) ,降低NOx 的排放。二甲醚的低热值只是柴油的64. 7%, 为了达到柴油机的动力性,必须增大二甲醚的循环供油量。 二甲醚的十六烷值比较高, 远高于其他代用燃料,因此在柴油机上燃用二甲醚时不需要采取助燃措施。二甲醚在常温常压下的饱和蒸汽压力0. 5Mpa,随着温度的升高, 其饱和蒸汽压增大,为防止汽阻现象的发生,燃料供给系统的压力远高于柴油机燃料供给系统。二甲醚的毒性低于甲醇, 但与液化石油气( LPG)

33、相当。它基本无味, 对环境无污染, 对人体无致癌作用,对金属无腐蚀, 性能稳定,即使长期暴露与空气中也不会像二乙基醚那样生成过氧化物。DME 的使用安全性要好于丙烷和丁烷。二甲醚是一种溶剂,对燃油系统中橡胶密封件等有破坏作用。因此,使用DME 时应保证整个燃油系统密封性良好,以防止DME 向大气中泄露。通常而言, 针对液化石油气采用的安全防范措施同样也适于DME。DME 具有较高的十六烷值, 可用作发动机燃料,其燃烧效果比甲醇燃料好,除具有甲醇燃料所具有的优点之外, 还克服了其低温启动性和加速性能差的缺点。DME 燃料具有高效率和低污染的优点,可实现无烟燃烧,并可降低噪音。另外,研究表明, D

34、ME 的成本虽然高于柴油,但成本和污染都低于液态丙烷和压缩天然气等低污染替代燃料。因此, DME 作为发动机燃料有很好的发展前景。（3）生物柴油：生物柴油是植物柴油和动物柴油的总称,它是一种由从植物油或动物脂的脂肪酸烷基单酯组成的一种可替代柴油燃料,一般由大豆或其它油类植物、动物油脂等通过酯化过程合成。有机油类和醇类(甲醇或乙醇)在催化剂存在的情况下,发生酯化反应,形成硬脂 (甲酯或乙酯) ,就是通常所指的生物柴油。其有如下的特点:a发动机有害气体排放减少。使用生物柴油与纯柴油的发动机排放对比, 可见使用生物柴油除NO稍有增加外, CO排放降低了 15.64%, HC排放降低了 17.65%,

35、微粒排放降低 38.1 %。此外,由于生物柴油中硫含量低, 使得二氧化硫和硫化物的排放减少约 30% (有催化剂时为 70% ) ,生物柴油中不含对环境造成污染的芳香族烷烃,因而废气对人体损害低于柴油。b具有较好的低温使用性能, 无添加剂时的冷滤点达-20°。c具有较好的润滑性能,可减轻发动机供油系统的喷油泵、喷油器等部件的磨损。d使用安全性好。由于其闪点高于矿物柴油且不属于危险品,因此,在运输、 储存、使用方面的优点是显而易见的。e利于自然环境保护。首先, 生物柴油燃烧所排放的二氧化碳远低于植物生长过程中所吸收的二氧化碳。所以,会降低因二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害人类的重

36、大环境问题; 其次,生物柴油的生物分解率高(3周后分解率: 生物柴油98%, 矿物柴油 70%),当抛洒到自然界中后会快速自然分解,有利于环境保护。f可再生特性好。与矿物油不同, 它可通过农业和生物科学家的努力,充分利用自然资源进行再生产,可供应量不会枯竭。（4）氢气：氢燃料的性能优于碳氢燃料。同矿物燃料相比,氢具有发热量大、火焰传播速度快、着火界限宽、点火能量小等优点; 氢造成的污染小。氢在空气中燃烧产生水和极微量的一氧化氮。鉴于以上优点, 氢被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料。氢内燃机的理论空燃比为34.3:1, 远远高于汽油机。因氢气为气体燃料, 比液体燃料占据了更多的燃烧室空间,导致

37、空气所占空间比例减小。由于氢气有较低的点火能量限制, 易于点燃, 可采用汽油机的点火系统。燃烧稀混合气火焰速度会减小, 宜采用双火花塞。两个火花塞同时着火, 燃烧室内形成强烈的涡流, 火焰传播速度快, 同时火焰传播距离缩短1 /2, 燃烧时间缩短, 提高了燃料热量利用率, 另外还可以防止点火失败, 保证发动机可靠运行。氢气的分子结构简单, 比热比大, 理论上氢内燃机的热效率要高于传统的内燃机。发动机采用的压缩比决定于燃料的抗爆震能力, 氢的辛烷值大于130, 远大于汽油,故氢内燃机可采用比传统汽油机大的压缩比。压缩比大, 热效率提高, 但相应的摩擦损失和传热损失也大。面对目前世界范围内油价上涨

38、和越来越严格的排放法规, 各大汽车公司和研究机构都致力于提高发动机的热效率、燃油经济性、降低排放和开发代用燃料汽车的研究。氢以其优异的物理化学性能成为发动机的理想燃料。氢燃料汽车的最终出路是燃料电池, 但燃料电池的产业化是一个漫长的过程, 在此之前, 将传统发动机改装成燃氢发动机或双燃料发动机相对容易实现。因此, 研究氢内燃机有着光明的前景。（5）燃料电池：燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池十分复

39、杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：（1）能量转化效率高，他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45%60%，而火力发电和核电的效率大约在30%40%。（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低，CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广。（4）积木化强，规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是

40、分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由

41、外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。2.14 提高内燃机热效率采用高效率的内燃机工作循环。如米勒(Miller)循环，高增压、中冷循环，内燃机与涡轮复合循环等。改进进气系统，减小进气阻力，采用低涡流的进气道。进气系与内燃机进行良好的动态匹配，充分利用进气的脉动或共振能量，使内燃机的转矩特性可在宽广的转速范围内有较大的提高(可提高10)，进气管、进气采用CAD、CAM、CAT技术。采用多气门内燃机。小轿车内燃机从传统的二气门增加到3个、4个甚至5个气门，以弥补高速时气门时面值大幅下降(低1040)的需要，气门正时也可随工况而自动调节。改进燃烧室

42、及燃烧进程。改进燃烧室形状及结构参数，提高压缩比。在燃烧过程的研究手段上，采用可视化模拟实验，利用先进的激光技术和高速摄影。出现了三维流动与燃烧模型对燃烧过程进行仿真计算的各种大型软件。改进燃烧供给系。电控汽油机有将汽油喷在气道内发展到直接喷在燃烧室内(像柴油机那样)的倾向。 柴油机则采用高喷射压力(配低空气涡流)的喷油系统，如共轨式、蓄压式、单体泵等。其最高喷射压力从目前的近100MPa提高到120MPa150MPa。在提高喷射压力的同时，燃油的喷油正时和喷油速率也可实现控制与调节。有喷孔数进一步增加、喷孔直径进一步减小已达0.11mm0.12mm的趋势。对喷孔的形状也在进行研究，从单一的圆

43、形到其它形状，如长方形或夹气喷孔。另一方面，可改变喷射规律，如采用先少喷后多喷的型线凸轮，多次间隙喷射等方式。采用稀薄燃烧，高能点火。空燃比在20以上，点火能量在100 MJ以上。采用能量再生系统。如串接在内燃机和变速器之间的电动机发电机和电容器等装置的能量再生系统。当汽车加速时，电流回流到电动机内帮助内燃机对汽车加速；汽车停止时，系统将内燃机关闭：汽车准备行驶时内燃机重新平衡地起动，由于内燃机不处于怠速运转，汽车具有最佳的经济性。降低运动机件的摩擦损失。降低内燃机与汽车质量。每降低汽车(包括内燃机)质量100Kg，汽车百公里油耗可减小O.6 L0.7 L。2.15内燃机与电动机的混合动力混合

44、动力驱动系统联合使用两种动力装置，一种是传统的内燃发动机，另一种是电动机。整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面：其一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。具体来讲要进行下面几项关键技术的研究：首先混合动力单元技术在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，

45、例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混合动力单元的研究主要集中于：一是燃烧系统的优化；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统；三是代用燃料的研究。其次控制策略技术HEV产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率：计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机的最优功率分配比；然后，根据功率分配比，求出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这

46、两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。再次能量存储技术在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。现在，镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面：一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率与能量比值大于20Wwh；使用寿命达到1

47、0年；至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。从目前的发展来看，以计算机技术和自动控制技术，各种智能控将制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术(Fuzzy)、专家控制系统(Expert System)、神经网络控制系统(Neural Networks)等在混合动力汽车上的逐渐应用，将进一步促进混合动力汽车的发展。与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力助力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹；与纯电动汽车相比，HEV的电压和功率等级与电动车类似，但蓄电池容量大大减小，因而其造价成本

48、低于电动汽车。当前HEV所面临的主要技术问题还很多。尽管从长远来看只是。一种过渡车型，但HEV在近2030年内会很有发展前景，这一点是毫无疑问的。汽车行业专家预言，不久的将来，新生产的汽车中HEV占40以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势，抓住HEV这块市场，在国外产品涌入之前，集中科研力量攻关，迅速开发出自己的产品。2.16制动能量回收系统汽车的制动能量至今还是一个未被开发利用的能量，特别是对于需要频繁起动和制动的市区行驶的汽车制动能量再生，是指汽车减速或制动时，将其中一部分机械能(动能)转化为其他形式的能量，并加以再利用的技术制动能量再生方法的基本原理：先将汽车制动或减速时的一部分机械能

49、(动能)经再生系统转换(或转移)为其他形式的能量(旋转动能、液压能、化学能等)，并储存于储能器中，同时产生一定的负荷阻为使汽车减速制动；当汽车再次起动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量再转换为汽车行驶所需的动能(驱动力)汽车上采用制动能量再生技术，有助于提高汽车能源利用率，减少燃料消耗，减轻制动器的热负荷，减少磨损，提高汽车行驶安全性和使用经济性理论上汽车制动能量再生方法根据不同的储能机理有空气储能、液压储能、飞轮储能和电储能储能装置通过行星排或锥齿轮副与原机械传动构成双流传动，设法回收汽车制动能量，然后在汽车起步或加速时释放，从而达到汽车节能的目的3.柴油机节能技术发展趋势由于全球环

50、境面临的问题，排放标准越来越严格，柴油机技术越来越复杂。未来柴油机技术发展必须加强燃烧前、燃烧过程、排后处理和清洁燃油等技术的研究开发，并对各优化技术进行集成，综合调控，使柴油机能在动力性、经济性及环保 3 个方面达到最优化。许多国家正从事开发节油和低排放的柴油机。欧洲百公里油耗3 升的轿车和美国80mile/gal的PNGV 项目均旨在降低轿车的燃油消耗量。目前,对包括从轿车到载重汽车广大范围使用的柴油机研究的焦点大都集中在进一步提高其热效率,降低油耗和CO2 排放, 并进一步降低以NOx 和微粒物为主的污染物排放。下面我们就来讨论未来柴油机节能减排技术的发展方向。3.1优化结构设计优化结构

51、设计，减少摩擦与附件功率损失，提高机械效率。柴油机的有效效率等于指示效率与机械效率的乘积，因此，柴油机的燃油消耗率也直接受到机械效率的影响，国外在致力于完善缸内工作过程的同时，也十分重视减少摩擦损失和提高机械效率的研究。此外，以德国MTU公司为代表的可变排量技术也是一种有效手段。3.2电控高压共轨式喷射系统更加完善电控高压共轨式喷射系统被认为是未来最有前景的控制系统, 对于燃油喷射控制的原理,各种共轨喷射系统近期变化较小。可以说将来的柴油机燃油喷射系统将会是高喷射压力、喷油量及喷油定时可灵活控制、最佳喷油速率控制的这样的一个趋势,全电子控制的燃油喷射系统是实现燃油喷射过程柔性控制的必然趋势。综

52、合分析柴油机电控燃油喷射系统的研究历史和现状,柴油机电控喷射系统应将以下几点作为发展动向:（1）使高压技术进一步发展。最根本的解决尾气排放达标问题办法是提高共轨压力。电控高压共轨燃油喷射系统的发展趋势是喷射压力达180200MPa,甚至出现了“超高压喷射”的概念。但相关研究也指出,在综合考虑油束贯穿距离足够大、压力提高值对燃烧改善效果较明显的前提下,最高喷射压力取180 MPa。（2） 喷孔直径向更小化发展、响应时间更短化和功率消耗更低化从而提高关键部件的可靠性和寿命。由于喷射压力的提高,在电磁阀、喷油器的要求上相应提高,要求其响应速度快,高压稳定性好,同时可靠性好,使用时间长,这将都取决于零

53、部件制造技术的发展。关键技术采用压电晶体喷油器而取代以前的电磁阀。（3）共轨系统具有更好的经济性。柴油机电控高压共轨喷射系统的研究前景和趋势:大力研制新型智能型传感器,如研究更高精度和响应速度的传感器;新型喷油器的研究,控制精度和速度的提高,喷油器的加工难度的降低,喷油器寿命的加长;共轨燃油压力波动的控制和计算的研究,如持续恒压反馈控制的进一步深入研究和完善;最佳控制策略的研究,入反复多次喷射的控制技术以及通过控制压力调节喷油规律等;安全保护与提高故障诊断及紧急运行能力的研究;研究整个喷射系统优化匹配;提高整个喷油系统的可靠性,降低制造成本;研究应用新材料和新的表面处理技术;提高喷油系统的耐久

54、性等等。3.3新概念燃烧将有所突破通过精确地控制柴油机缸内燃油与空气的混合以及缸内温度来控制柴油机的燃烧过程,可以达到同时降低柴油机燃油耗和排放的目的。柴油机的主要燃烧过程是扩散燃烧, 火焰前峰温度极高,因此柴油机使用非均质混合气时必然会产生高的NOx 排放。美国西南研究院研究的HCCI( 均匀充量压缩燃烧)、 日本ACE 研究所的PREDIC( 预混合稀薄燃烧过程)、 本田的UNIBUS、 日产的MK 燃烧方式等,其基本原理都是使用稀薄的均质混合气。已有的研究结果表明, 采用新概念燃烧方式,可以把NOx 排放降低到原柴油机的 2% , 微粒排放也很少。但这种新概念燃烧方式目前尚处于研究阶段,

55、还存在许多问题。3.4发展代用燃料发达国家的经济主要依赖于油基燃料，而油基燃料的获得是有限的，容易出现短缺，许多科学家已经考虑到原油的储存量、燃油的生产和原油的消耗等。未来的发动机不能仅考虑以石油为基本燃料，还要考虑使用其他新能源来取代石油。对内燃机来说，有大量基油替代燃料可提供：（1）天然气、 天然气衍生燃料、 甲醇、 液化气 （GTL）及二甲醚（DME）等；（2）气态或液态的煤基代油燃料、 液化煤、 水煤浆；（3）生物燃料，如：甲酯（RME）、大豆、菜籽油、动物脂肪及液化生物（BTL）；（4）H2。通常这些代用燃料多含氧，不含硫和芳香烃，往往被人们称为“清洁燃料”。天然气目前被广泛使用，尤

56、其是液化气。生物燃料是道路机动车最具前景的替代能源，然而它的实际应用在欧盟国家只是占全部能源消耗的 11% 12%。其他的能源，如：太阳能、潮汐能、风能及地热能很难直接代替油基燃料应用于机动车。3.5采用联合动力联合动力发动机是将发动机和其它的能源产生的动力混合使用。它可以是汽油与电混合，也可以是柴油与电混合，还可以是燃料电池与电机混合，或者还有其它方式的混合。 目前各国主要在开发油电发动机，也就是柴（汽）油发动机和电动发动机混合使用的发动机。传统的柴油机需要在各种情况下提供动力，很多情况下柴油转化成机械动力的效率过低。如果发动机只在能源转换效率接近最高的范围内运转，就能节省大约一半的能源。当

57、柴油发动机不能最有效地运转或不能提供足够的动力时，电动发动机就使用其储存的能源供使用。电动发动机还能在机车减速时将动能转变成电能储存起来。3.6柴油消烟节能添加剂消烟节能添加剂是实现节能减排的一种最切实可行的途径，一直是国内外研究的重要方向。消烟节能添加剂的研究始于上世纪50年代，最早的消烟节能添加剂以金属无机盐为主，主要应用于民用和工业用锅炉。到了70年代，随着环境污染问题的出现，消烟节能添加剂得到了迅速的发展，国内外在这方面开展了大量研究，如US4891049，US 5087267，CN 85109511，CN 1113087等所报道的专利技术。80年代后，由于担心金属盐助燃剂燃烧造成二次污染以及某些产品广告过度吹嘘带来的负面影响，消烟节能添加剂研究走向了低潮。进入21世纪，全球石油价格不断攀升，消烟节能添加剂再次引起人们的关注。目前所研究的消烟节能添加剂，由于种类、成分不同，功能和效果也不尽相同，一般将其分为两类，一类是含金属或非金属氧化物的有灰型助燃剂，一类是含纯有机物的