車用內(nèi)燃機節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究進展

許建民 任恒山

[摘要]詳細分析和討論近幾年來為適應(yīng)環(huán)保和節(jié)能需要，車用內(nèi)燃機在汽油直噴燃燒技術(shù)、柴油機高壓共軌電子控制燃油噴射技術(shù)、代用清潔燃料和均質(zhì)充量壓縮點火(HCCI)燃燒技術(shù)等幾方面取得的技術(shù)進展和尚未解決的問題。

[關(guān)鍵詞]內(nèi)燃機環(huán)保節(jié)能

中圖分類號：TK4文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020150--01

隨著石油能源短缺和世界各國排放法規(guī)的逐步加嚴(yán)，為適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能和件排放的需要，在車用內(nèi)燃機上出現(xiàn)了許多新的技術(shù)。其中目前最具代表性的先進技術(shù)有：(1)柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)；(2)汽油直噴燃燒技術(shù)(GDI)i(3)代用清潔燃料的研究；(4)均質(zhì)充量壓縮點火(HCCI)燃燒技術(shù)。下面就以上4項技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展作一些介紹。

一、柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術(shù)

共軌電噴技術(shù)是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制裝置(ECU)組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管，通過公共供油管內(nèi)的油壓實現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的程度，因此，也就減少了傳統(tǒng)柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，其大小取決于燃油軌道(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。目前，這項技術(shù)的研究的重點是：(1)高壓共軌系統(tǒng)的恒高壓密封問題；(2)高壓共軌系統(tǒng)中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量控制數(shù)據(jù)的優(yōu)化問題；(3)高壓共軌系統(tǒng)三維控制數(shù)據(jù)的優(yōu)化問題；(4)微結(jié)構(gòu)、高頻響電磁開關(guān)閥涉及與制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

二、清潔代用燃料

近幾十年來，國內(nèi)外在努力降低作為汽車主流動力的汽油機和柴油機的排放污染的同時，也在不懈地探索和研究開發(fā)更理想的動力系統(tǒng)和排放污染更低的代用燃料。這些研究的目的，不僅是為了降低汽車排氣污染，也是為了節(jié)省能源和開發(fā)新的汽車能源，以緩解汽車對石油燃料的單純依賴。清潔燃料可以分為[1]:1，如常規(guī)燃料的變型產(chǎn)品：如，新配方汽油(RFG)，新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等。2，氣體燃料：如，天然氣(NG)，壓縮天然氣(cNG)，液化天然氣(LNG)，氨(NH3)，H2，石油液化氣(LPG，其主要成份為丙烷)等。3，在天然氣，煤基礎(chǔ)上生產(chǎn)的燃料。如FTL(FT油，甲醇，和醚類燃料(如二甲醚DME；二乙醚DEE等)。4、由玉米，草木類植物，含碳廢棄物提煉的生物乙醇。5，由花生油，菜子油等生產(chǎn)的生物柴油。

三、缸內(nèi)直接噴射技術(shù)(GDI)

缸內(nèi)直噴汽油機是在部分負(fù)荷時用混合氣的分層化實現(xiàn)超稀薄燃燒，得到同柴油機一樣低的燃油消耗率；在高負(fù)荷時用預(yù)混合汽油機的均勻混合，得到高功率特性的理想汽油機。目前，發(fā)動機缸內(nèi)直接噴射(GDI，gasoline direct injection)技術(shù)已有少量機型出現(xiàn)，歐洲市場還有一些直噴發(fā)動機系統(tǒng)。如福特公司開發(fā)的PROCO稀燃系統(tǒng)，三菱4G系列缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機和豐田D一4缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機[2]。

GDI面臨的主要排放問題是UBHC(unburned hydrocarbons發(fā)動機中未燃盡的碳氫化合物)和NOx。由于GDI油氣的混合主要是依靠噴霧和缸內(nèi)的空氣運動，與冷起動時的低溫關(guān)系不大，所以冷起動時無需過量供油，有效地解決了PFI(電噴汽油機)冷起動時UBHC排放過多的問題。但是GDI在中小負(fù)荷的情況下，其未燃碳氫化合物的排放仍然較多。目前，GDI對NOX排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOX催化轉(zhuǎn)化器，其中后者的發(fā)展有著深遠的影響。部分負(fù)荷不使用EGR時，GDI~NOx的排放水平與PFI相差不多。但由于GDI可實現(xiàn)超稀薄分層燃燒，較稀的空燃比使得缸內(nèi)的富裕氧氣較多，從而允許使用高的EGR率，充分降低NOx排放量，并且燃燒特性不會因為EGR而惡化。據(jù)試驗表明[3，4]，在燃油經(jīng)濟性改善保持不變的情況下，GDI的EGR可高達40％。雖然如此，但EGR始終還是不能在整個發(fā)動機轉(zhuǎn)速負(fù)荷范圍內(nèi)減少NOx排放量，所以單靠EGR是不能滿足更為嚴(yán)格的EuroⅢ和EuroIV排放法規(guī)的，進一步降低NOx排放就必需開發(fā)在稀燃條件下的NOX催化轉(zhuǎn)化技術(shù)[3，4]。

四、均質(zhì)混合氣壓燃(BCCl)

均質(zhì)充量壓縮著火(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃燒方式，被人們稱為內(nèi)燃機的第三種燃燒方式，這是當(dāng)前內(nèi)燃機燃燒的一個研究熱點[5]，它最有希望在近期以兩種燃燒方式(dualmode)的組合(即在起動和高負(fù)荷時以火花點火(SI)方式或柴油機燃燒(DI)運轉(zhuǎn)，在中、低負(fù)荷和怠速時以HCCI方式工作)在轎車發(fā)動機上應(yīng)用，從而獲得和汽油機一樣的高功率輸出和低PM排放，以及在部分負(fù)荷(可達75％負(fù)荷)和怠速獲得和柴油機一樣或更高的經(jīng)濟性，但NOx排放很低[6]。

采用均質(zhì)壓燃可以使排氣中氮氧化物的含量急劇下降至百萬分之幾。這是由于均質(zhì)壓燃可以使用非常稀的混合氣，使燃氣的最高溫度不超過1600℃。在此溫度以下，空氣中的氮氣和氧氣不進行化合反應(yīng)或者化合反應(yīng)速度非常低。排氣中超低的氮氧化物含量減輕了稀薄燃燒排氣后處理的困難。在較高負(fù)荷工況，供油量增加，空燃比下降。當(dāng)燃氣溫度升高到1600℃以上，氨氧化物的排放開始急劇升高[7]。為了抑制氮氧化物的生成，可采用進氣增壓來提高混合氣的空燃比。

五、結(jié)論

發(fā)動機節(jié)能和減排是當(dāng)前汽車工業(yè)的研究主題，上述幾項新技術(shù)的出現(xiàn)對實現(xiàn)汽車的環(huán)保節(jié)能起到了非常重要的作用。但是這些新技術(shù)還存在著許多亟待解決的問題。尤其對于我國的內(nèi)燃機工作者，迫切需要解決的問題是完全掌握柴油機高壓共軌系統(tǒng)、缸內(nèi)汽車直噴技術(shù)和均勻充氣壓縮著火技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)我國的能源特點研究開發(fā)新型的適合國情的代用清潔燃料。