大有前途但艰难的均质燃烧技术.docx

1、大有前途但艰难的均质燃烧技术自从有了汽车，工程师们就一直在努力设计功率强大的、节油和低排放的发动机。无论是 CCS 系统，还是 HCCI 系统，其共同特点就是均质燃烧一种大有前途但非常艰难的技术解决方案。图 1 缩写“HCCI”表示的是均质充气压缩点火发动机设计师们坚信：早晚有一天柴油机和汽油机会合二为一，出现一种具有这两种内燃机各自优点的新型内燃机。通用公司和欧宝公司（他们把这种发动机称之为 HCCI 发动机）仍然以汽油机的研发为主，戴姆勒公司（汽柴油机）和大众公司（CCS 发动机）则是“两条腿走路”，即改进柴油机性能的同时也在努力改进汽油机的性能。汽油机的均质燃烧技术改善汽油机的最初目标是

2、使汽油和空气形成的混合气尽可能均匀，但在压缩和点火时要求的还是均质性。由于在燃烧室中的点火源是一个点式的点火点，因此不可能同时点燃全部油气混合气。火焰的焰峰到达气缸壁需要一段时间,因此由自燃的混合气产生的压力波传递到燃烧室远处的气缸壁时，发动机就开始“敲缸”了。图 2 大众公司的 CCS 复合燃烧系统首次使得在较小的转速和负载范围内的均质燃烧成为可能由于发动机的燃烧室至今无法避免炽热区，而这种炽热区的存在很容易形成 NOx，再加上废气中有害颗粒物的形成，使得汽油机无法与有着很好的油气混合气准备、较低的沸点以及燃油不易挥发的柴油机相抗衡。当汽油机在油气混合比 =1 工作时所产生的有害物质，如 N

3、Ox、CO 和未燃烧尽的 HC，都由三元催化转化器来解决。三元催化转化器的引进始于 1986 年，但该技术同时也把发动机的油耗提高了 10%。直到不久前，人们才成功地使大排量发动机能够在低负荷的工况下在稀混合气燃烧范围内运行。使用三元催化转化器时，只有在油气混合比 =1 的工况下才能减少 NOx 的排放，因此汽油机就需要附加一个 NOx 存储转化器，使发动机在稀油气混合气燃烧的工作范围内可以节约燃油 1015% 。现代发动机的稀混合气无疑还要用火花塞进行点火，其缺点是产生 NOx。为了避免这一缺点，工程师们正在积极研究与柴油机压燃点火方式相同的压燃式汽油机不用火花塞的汽油机。它可将整个吸入的油

4、气混合气同时点燃。但是，因为吸入的新鲜空气只有在一定的温度条件下才能自燃，通往均质燃烧的路还很遥远，而且非常坎坷。这种燃烧的速度还不能太快，不能达到可以引起发动机损毁的爆燃速度。还必须使“燃烧”冷却下来，以保证不产生 NOx。为了实现这种“均质燃烧”，所有的发动机生产厂都采用了废气回收技术，这一技术的一个前提条件是点火控制时间可以变化。而如何实现废气回用，各种各样的废气回收技术大相径庭。重要的一点是：气缸中吸入的空气中至少有 50%的是中性的 “回收废气”。这些回收的废气要当作点火延时调节器使用，要作为新鲜空气的加热器使用，同时又要发挥“温度制动器”的作用。采用废气回收技术的一个重要前提是燃油

5、直接喷射。欧宝公司为每一个气缸设置一个压力传感器，而这对喷射的燃油量产生了一定的影响。面对这种进退两难的局面，大众公司有了突破：研发成功了不用压力传感器的直喷发动机。戴姆勒公司采用的是可变压缩的技术，它同样要为每个气缸设置一个压力传感器。这三家汽车厂都成功地在部分负荷工况下，在部分工作特性曲线范围内实现了均质燃烧。图 3 戴姆勒公司的汽柴油混合动力发动机：由汽油机和柴油机相结合而产生出来的一个新的内燃机品种值得一提的是：今天的均质燃烧汽油机已经能够完全正常运行，驾驶员感觉不到汽车何时在压燃工况下行驶，何时在传统的汽油机工况下行驶。汽油机传统的点火工况是必须保存的，以便不影响发动机的功率。在汽油

6、机油气混合气压燃工作范围内，发动机是在“稀混合气”条件下工作的。在这一工况下不会再出现未燃烧尽的 NOx 因此它不再需要 NOx 存储转化器了。但在传统的汽油机工作范围内，仍然有必要使用三元催化转化器。它同时也当作氧化还原催化器使用，用于减少 CO 和 NOx 的排放。这两种有害物质在汽油机压燃工况下会增加。目前汽油机压燃技术的进展是：在发动机整个负荷区域一半的范围内可以采用压燃技术。欧宝的压燃式汽油机在转速 4000r/min 即达到了压燃的最高转速，而大众的汽油机则可在更高的转速时仍然不使用火花塞。但是随着汽油机压燃技术的发展，这些不同点可能会变得模糊。三种汽油机的压燃技术都还没有达到批量

7、生产的程度，三家生产厂都在努力扩大压燃的工作范围。柴油机的均质燃烧技术从诞生开始，柴油机就是一种稀混合气燃烧的发动机。在今天的柴油机中，柴油经 58 个喷油孔喷射到燃烧室内，在燃烧室中形成炽热的油雾。这些炽热的油雾是产生 NOx 的温床，而油雾中的“浓混合气”区是废气有害颗粒的主要产地。而石油基燃料中高沸点的芳香族物质成分也加剧了有害颗粒的形成。生物柴油 BTL 和石油液化气 GTL 燃料则能够产生较少的有害颗粒，费托合成柴油有着很高的质量，燃烧后所产生的有害颗粒也很少。遗憾的是，这种柴油的产量很低，但它是大面积推广柴油均质燃烧的基础和前提。为了使柴油提前实现“均质化”，人们采用了与汽油机相同

8、的均质化技术措施。在均质燃烧区域中，即在上止点前约 30时向燃烧室中喷入少量的柴油。这些柴油在燃烧室中挥发、压燃，与吸入的空气均匀地混合在一起。在稍微超过上止点时，这些混合气燃烧、做功。与汽油机一样，柴油机也是在部分负荷特性区域中均质燃烧的。只有在整个负荷特性区域柴油机都能实现均质燃烧时，才是理想状况。实现柴油机全负荷特性的均质燃烧似乎比汽油机要简单些。部分均质燃烧的柴油机运行工况也比汽油机要好。在均质燃烧与普通燃烧工况之间的转变几乎使人察觉不到。在均质燃烧情况下，柴油机的油耗可以降低 9%这是一个非常了不起的成绩。人们希望：与传统的发动机燃烧方式相比，均质燃烧最终能够实现节油 15%的目标。理想的均质燃烧发动机应是按照柴油机原理工作的，它将使用很轻的柴油为燃料。其油耗比今天的柴油机还要低 1518；在它所排出的废气中还存在有害成分，对于这些有害成分，只需一个 CO 催化器就可以解决问题。燃烧技术研发的目标是：彻底解决高成本化工企业对柴油机带来的压力。也许，还要用上 CO 催化器和柴油颗粒过滤器，以便满足环保的要求。工程技术人员何时能够实现这样的目标呢？我们估计在 20102015 年之间。