1、1柴油发动机燃烧技术及汽车新能源摘要：汽车无疑是 21 世纪发展最为迅速，对人类影响最大的机械。近几十年来，面对地球能源的日益短缺和环境保护的严重形势，人们对车用发动机的燃油经济性更加重视，节能减排受到广泛关注。本文针对近年来柴油发动机燃烧技术以及其他汽车替代燃料的新能源开发应用进行了介绍和评论。最后对柴油发动机燃烧新技术的今后发展进行了展望，指出了汽车科技在 21 世纪的发展方向，即改善燃烧技术并且研发应用新能源。 关键词：柴油发动机 燃烧技术 燃料 新能源 0 引言 随着机动车保有量的迅速增加，全球石油能源临近枯竭。同时，排放法规日益严格，要求大幅降低汽车尾气中 NOx 和 PM 等排放。
2、因此，燃油的经济性、节能减排受到广泛关注。改善燃烧技术，研发汽车新能源渐渐成为一项重要的课题。 汽车的动力来源于发动机气缸内燃料燃烧所放出的热能。传统的汽车发动机根据所用燃料种类区分，可分为柴油发动机和汽油发动机。近年来，由于世界能源短缺和环保低碳的要求，人们开始开发新型清洁燃料，如甲醇、乙醇、液化石油气（LPG） 、压缩天然气（CNG）等。现在又大力开发混合动力汽车、电池电动汽车、电容电动汽车和太阳能汽车等。21 柴油发动机燃烧技术 柴油机汽车因压缩比高，燃油消耗平均比汽油机汽车低 30%左右，所以燃油经济性较好、热效率较高。但是传统的柴油机燃烧过程，是采用高压喷射将燃油喷入气缸，形成混合气
3、，并借缸空气的高温自行发火燃烧。如果燃烧不充分，极易产生 NOx 、PM。随着排放标准的提高，政府对节约能源与减少排放日益重视。为达到排放法规和降低油耗的要求，应该加强新的燃烧方式的探索，开发出高性能低成本的先进柴油机。近些年应运而生的先进的燃烧技术有：均质充量压缩点燃（HCCI）和低温燃烧（LTC）等。他们与传统的燃烧模式相比有很多自身的优势，有足够的提高效率和降低排放的潜力，但还需要进一步的深入讨论和完善。 1.1 均质充量压缩着火（HCCI）燃烧 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
4、研究领域中的热点之一。 均质充量压缩着火燃烧，就是柴油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；与传统柴油机相比，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3烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，可以同时降低 NOx 和 P
5、M 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，要想实用化在还技术上还存在很多弊端。这些弊端主要包括：均质
6、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 对于柴油机来说，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。柴油机低温燃烧，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燃油喷射来控制。着火时，缸内存在燃空当量比大于 1
7、的区域，因此4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，提高柴油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 等就已经开始了对柴油机富氧进气燃烧的研究2。我国于 80
8、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柴油机的燃烧速率，优化了燃烧过程，提高了燃料能量释放率，所以使柴油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3。 对于柴油发动机来说，膜法富氧不但可以提高发动机动力性能，最重要的是能够降低 NO
9、x 和碳烟，达到降低排放的目的。膜法富氧技术被5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，柴油机产品上都使用了尾气后处理器，使柴油机的成本增加，也降低了可靠性。为降低后处理成本，Reitz 等人4-6开展了柴油机当量比燃烧的研究，以便使用三元催化器。在一台单缸机上进行了试验。研究发现，在一定条件下，柴油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。柴油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，当量比燃烧在柴油机上的应用奖充满期望。 2 汽车新能源
10、 随着汽车工业的不断发展，柴油、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
11、相比，HC、NOx 和 CO2 排放较少。因此，加强对燃气汽6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
12、电池、锂电池、飞轮电池等，这些新型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
13、点。甲醇来源广泛，着火界限宽，其气化速度快和易于形成混合7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。 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： 1Karim G A.Ward G.The
14、examination of the cnmhustion processes in a compression-ignition engine by changing the partial pressure of oxygen in the intake chargeC.SAE Paper 680767. 2李胜琴，关强，张文会等.汽油发动机富氧燃烧分析J.内燃机，2007（1）：51-52. 3SangsukLee，ManuelA.GonzalezD.andRolfD.Re-itz.Stoichi-ometriccombustioninaHSDIdieselenginetoallowus
15、eofathree-wayexhaustcatalystC.SAE Paper 2006-01-1148. 4Lee，S.，GonzalezD.，M.A.，Reitz，R.D.EffectsofengineoperatingparametersonnearstoichiometricdieselcombustioncharacteristicsC.S8AE Paper 2007-01-0121. 5Chase，S.，Nevin，R.，Winsor，R.，Baumgard，K.，StoichiometricCompressionIgnition（SCI）EngineC.SAE Paper2007-01-4224. 6黄喜鸣.浅谈汽油机稀燃层燃技术J.装备制造技术，2006（4）：174-175.
