1、民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势摘 要随着汽车产量的日益增大，能源供给日趋紧张，降低汽车的燃油消耗已成为目前汽车工业急需解决的重要课题之一，对此我国已经出台了多种乘用车辆的燃油消耗法规。现代汽车发动机技术的发展需要解决的另一个问题是排放。本文就民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势进行探讨。 关键词发动机 污染排放 低污染燃烧 中图分类号：G301 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0154-01 引言 自 20 世纪 70 年代末，均质充量压缩着火（HCCI）燃烧这一新概念被报道，国际上学术界和工业界一直高度重视这一燃烧技术，是世界内燃机燃烧研究领域
2、中的热点之一。 一、发动机燃烧技术 1.1 均质充量压缩着火（HCCI）燃烧 均质充量压缩着火燃烧，就是发动机在着火前像汽油机那样形成均质混合气，消除扩散燃烧，采用较高压缩比，压缩可控着火，实现近似等压燃烧；同时要具有良好的化学反应动力学效应，实现低温火焰快速燃烧，燃烧持续期短，燃烧效率高，可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，达到高效、低污染的目标。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高的热效率；与传统发动机相比，由于混合气是均质的，有效的解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰
3、前锋面，燃烧火焰温度低，可以同时降低 NOx 和 PM 排放。另外，实施 HCCI 燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。因为 HCCI 燃烧的着火和燃烧速率只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单。HCCI 的优点还包括它的燃料灵活性高，它能使用包括汽油、柴油、天然气、液化石油气（LPG） 、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多种燃料。 HCCI 这一燃烧方式具有重要的理论意义和广阔的应用前景。目前已在化学反应动力学机理、燃烧控制、负荷拓展等多个方面有了很大的进步。不过，业内多数研究机构认为该技术成熟至少应在 2015 年后，要想实
4、用化在还技术上还存在很多弊端。这些弊端主要包括：均质混合气的制备；CO 和 HC 排放的降低；低负荷下的燃烧不稳定和失火；高负荷下的燃烧粗暴；着火相位和燃烧速率的控制等。 1.2 低温扩散燃烧 对于发动机来说，燃烧技术的关键是同时降低微粒和 NOx 排放，基本思想是加速燃油与空气混合，尽量燃烧“均匀”混合气，同时还需要降低燃烧温度，实现“低温”燃烧。发动机低温燃烧，就是控制缸内燃烧温度低于 NOx 和碳烟的生成温度，从而有效降低 NOx 和碳烟排放。均质充量压缩着火（HCCI）燃烧属于低温燃烧，另一种低温燃烧技术是低温扩散燃烧。 与均质充量压缩着火（HCCI）燃烧不同，低温扩散燃烧的着火仍是由
5、燃油喷射来控制。着火时，缸内存在燃空当量比大于 1 的区域，因此也就存在扩散火焰，燃烧速率受控于燃油空气混合速率，其较低的燃烧温度是通过采用相当大的冷却 EGR 率、低压缩比以及推迟喷射定时等措施来实现的。 1.3 富氧燃烧技术 发动机气缸内燃料的燃烧是靠空气中的氧气来助燃的，因此改善发动机燃烧技术可以从进入发动机气缸助燃的空气入手。发动机富氧燃烧就是用比通常空气（含氧 21%）含氧浓度高的富氧空气为发动机进气的燃烧。富氧燃烧可增加发动机的功率密度，提高发动机的动力性和经济性，降低碳烟、CO 和 HC 的排放，它是一项高效节能的燃烧技术。 早在 20 世纪 60 年代末 Karim 等就已经开
6、始了对发动机富氧进气燃烧的研究。我国于 80 年代中期开始富氧技术的研究。从 20 世纪 90 年代开始，通过研究人员的大量研究，富氧燃烧技术取得了一系列实质性进展。由于富氧燃烧提高了发动机的燃烧速率，优化了燃烧过程，提高了燃料能量释放率，所以使发动机具有更好的动力性和经济性。富氧燃烧降低了碳烟、CO 和 HC 的排放，却增加了 NO 的排放。近年来研究人员提出了更为先进的燃烧技术膜法富氧燃烧，膜法富氧技术其基本原理主要是扩散和溶解，利用供应的气体分离膜两边的压力差以及各气体组分对于特定高分子膜的相对通过率不一样，而实现渗透和分离，获得某种高浓度气体。对于柴油发动机来说，膜法富氧不但可以提高发
7、动机动力性能，最重要的是能够降低 NOx 和碳烟，达到降低排放的目的。膜法富氧技术被称为“资源的创造性技术” 。 1.4 当量比燃烧 最近几年，为了适应更加苛刻的环保法规，发动机产品上都使用了尾气后处理器，使发动机的成本增加，也降低了可靠性。为降低后处理成本。在一台单缸机上进行了试验。研究发现，在一定条件下，发动机当量比燃烧可以实现极低的 NOx 和碳烟排放，二者都在 0.2g/ （kWh）以下。发动机当量比燃烧研究的开展是最近几年才开始的，已经显示出很好的低 NOX 和 PM 排放性能。如果能够改善经济性，当量比燃烧在发动机上的应用奖充满期望。 二、汽车新能源 随着汽车工业的不断发展，柴油、
8、汽油等燃料的需求也越来越大，导致的最直接的后果就是石油日益枯竭，柴油、汽油等价格上涨。同时汽车尾气污染也日趋严重，在不可再生能源的日益枯竭和价格的不断上涨以及环保要求的双重压力下，寻找新能源将是今后汽车行业的主要任务。 2.1 燃气汽车 燃气汽车主要有液化石油气汽车和压缩天然气汽车。燃气汽车由于其排放性能好，运行成本低、技术成熟、安全可靠，被世界各国公认为当前最理想的替代品。天然气作为一种储量丰富干净可靠的清洁燃料，兼备汽油柴油的优点，具有抗爆性好、自燃温度高、排放特性好等特点，非常适合作为内燃机的代用燃料使用。与柴油相比，颗粒物和 NOx 排放非常少，而与汽油相比，HC、NOx 和 CO2
9、排放较少。因此，加强对燃气汽车的研究，对缓解石油能源危机，改善环境具有重要意义，对于保障国民经济的持续发展也具有重大的战略意义。 2.2 电动汽车 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车最大的优点是只要有电力供应的地方都能够充电。但是蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵。目前电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有镍镉电池、钠硫电池、燃料电池、锂电池、飞轮电池等，这些新型
10、电源的应用对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。 2.3 混合动力汽车 混合动力是指在原有的汽油发动机和柴油发动机基础上，同时配以电动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。混合动力主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。混合动力汽车最大的优点就是“零”排放，而且采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率。 2.4 甲醇 HCCI 燃烧 均质压燃的燃烧方式本身具有热效率高、NOx 排放低和几乎零 PM 排放的优点。甲醇来源广泛，着火界限宽，其气
11、化速度快和易于形成混合气的特点，能更好地适应 HCCI 稀薄燃烧及分布式多点着火的工作方式。具有较高的抗爆性能，可以提高发动机的压缩比和热效率。将 HCCI 燃烧技术运用到甲醇车用发机上可满足节能减排的要求，但是目前还未能满足实际运用的要求，如对甲醇发动机 HCCI 燃烧过程的进行控制、拓展其负荷范围的方法等。 三、结束语 由此可见，汽车科技在 21 世纪的发展方向就是改善燃烧技术并且研发应用新能源。在大力改善燃烧技术的同时，积极降低替代燃料的生产成本、使用价格，使新能源发展为汽车产业的可持续发展带来光明的前景。 参考文献 1田国弘，王志，葛强强，王建昕，帅石金.汽油 HCCI 发动机燃烧相位及瞬态过程的控制J.燃烧科学与技术.2008（01）. 2余志生主编.汽车理论M.机械工业出版社，2000.
