柴油發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)及汽車新能源

摘要：汽車無疑是21世紀(jì)發(fā)展最為迅速，對人類影響最大的機(jī)械。近幾十年來，面對地球能源的日益短缺和環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)重形勢，人們對車用發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性更加重視，節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注。本文針對近年來柴油發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)以及其他汽車替代燃料的新能源開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了介紹和評論。最后對柴油發(fā)動機(jī)燃燒新技術(shù)的今后發(fā)展進(jìn)行了展望，指出了汽車科技在21世紀(jì)的發(fā)展方向，即改善燃燒技術(shù)并且研發(fā)應(yīng)用新能源。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動機(jī) 燃燒技術(shù) 燃料 新能源

0 引言

隨著機(jī)動車保有量的迅速增加，全球石油能源臨近枯竭。同時，排放法規(guī)日益嚴(yán)格，要求大幅降低汽車尾氣中NOx和PM等排放。因此，燃油的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注。改善燃燒技術(shù)，研發(fā)汽車新能源漸漸成為一項(xiàng)重要的課題。

汽車的動力來源于發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃料燃燒所放出的熱能。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機(jī)根據(jù)所用燃料種類區(qū)分，可分為柴油發(fā)動機(jī)和汽油發(fā)動機(jī)。近年來，由于世界能源短缺和環(huán)保低碳的要求，人們開始開發(fā)新型清潔燃料，如甲醇、乙醇、液化石油氣（LPG）、壓縮天然氣（CNG）等?，F(xiàn)在又大力開發(fā)混合動力汽車、電池電動汽車、電容電動汽車和太陽能汽車等。

1 柴油發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)

柴油機(jī)汽車因壓縮比高，燃油消耗平均比汽油機(jī)汽車低30%左右，所以燃油經(jīng)濟(jì)性較好、熱效率較高。但是傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒過程，是采用高壓噴射將燃油噴入氣缸，形成混合氣，并借缸空氣的高溫自行發(fā)火燃燒。如果燃燒不充分，極易產(chǎn)生NOx 、PM。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，政府對節(jié)約能源與減少排放日益重視。為達(dá)到排放法規(guī)和降低油耗的要求，應(yīng)該加強(qiáng)新的燃燒方式的探索，開發(fā)出高性能低成本的先進(jìn)柴油機(jī)。近些年應(yīng)運(yùn)而生的先進(jìn)的燃燒技術(shù)有：均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃（HCCI）和低溫燃燒（LTC）等。他們與傳統(tǒng)的燃燒模式相比有很多自身的優(yōu)勢，有足夠的提高效率和降低排放的潛力，但還需要進(jìn)一步的深入討論和完善。

1.1 均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒

自20世紀(jì)70年代末，均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒這一新概念被報道，國際上學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直高度重視這一燃燒技術(shù)，是世界內(nèi)燃機(jī)燃燒研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一。

均質(zhì)充量壓縮著火燃燒，就是柴油機(jī)在著火前像汽油機(jī)那樣形成均質(zhì)混合氣，消除擴(kuò)散燃燒，采用較高壓縮比，壓縮可控著火，實(shí)現(xiàn)近似等壓燃燒；同時要具有良好的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)低溫火焰快速燃燒，燃燒持續(xù)期短，燃燒效率高，可以同時保持較高的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到高效、低污染的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)相比，它取消了節(jié)氣門，泵氣損失小，混合氣多點(diǎn)同時著火，燃燒持續(xù)期短，可以得到與壓燃式發(fā)動機(jī)相當(dāng)?shù)妮^高的熱效率；與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，由于混合氣是均質(zhì)的，有效的解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀混合氣燃燒速度慢的缺點(diǎn)，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進(jìn)行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低，可以同時降低NOx 和PM排放。另外，實(shí)施HCCI燃燒模式可以簡化發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因?yàn)镠CCI燃燒的著火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場影響較小，同時均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡單。HCCI的優(yōu)點(diǎn)還包括它的燃料靈活性高，它能使用包括汽油、柴油、天然氣、液化石油氣（LPG）、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多種燃料。

HCCI這一燃燒方式具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。目前已在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理、燃燒控制、負(fù)荷拓展等多個方面有了很大的進(jìn)步。不過，業(yè)內(nèi)多數(shù)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為該技術(shù)成熟至少應(yīng)在2015年后，要想實(shí)用化在還技術(shù)上還存在很多弊端。這些弊端主要包括：均質(zhì)混合氣的制備；CO和HC排放的降低；低負(fù)荷下的燃燒不穩(wěn)定和失火；高負(fù)荷下的燃燒粗暴；著火相位和燃燒速率的控制等。

1.2 低溫?cái)U(kuò)散燃燒

對于柴油機(jī)來說，燃燒技術(shù)的關(guān)鍵是同時降低微粒和 NOx 排放，基本思想是加速燃油與空氣混合，盡量燃燒“均勻”混合氣，同時還需要降低燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)“低溫”燃燒。柴油機(jī)低溫燃燒，就是控制缸內(nèi)燃燒溫度低于NOx和碳煙的生成溫度，從而有效降低NOx和碳煙排放。均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒屬于低溫燃燒，另一種低溫燃燒技術(shù)是低溫?cái)U(kuò)散燃燒。

與均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒不同，低溫?cái)U(kuò)散燃燒的著火仍是由燃油噴射來控制。著火時，缸內(nèi)存在燃空當(dāng)量比大于1的區(qū)域，因此也就存在擴(kuò)散火焰，燃燒速率受控于燃油空氣混合速率，其較低的燃燒溫度是通過采用相當(dāng)大的冷卻EGR率、低壓縮比以及推遲噴射定時等措施來實(shí)現(xiàn)的。

1.3 富氧燃燒技術(shù)

發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃料的燃燒是靠空氣中的氧氣來助燃的， 因此改善發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)可以從進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸助燃的空氣入手。發(fā)動機(jī)富氧燃燒就是用比通常空氣（含氧21%）含氧濃度高的富氧空氣為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的燃燒。富氧燃燒可增加發(fā)動機(jī)的功率密度，提高柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，降低碳煙、CO和HC的排放，它是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒技術(shù)。

早在 20世紀(jì)60年代末Karim等就已經(jīng)開始了對柴油機(jī)富氧進(jìn)氣燃燒的研究[2]。我國于80年代中期開始富氧技術(shù)的研究。從20世紀(jì)90年代開始，通過研究人員的大量研究，富氧燃燒技術(shù)取得了一系列實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

由于富氧燃燒提高了柴油機(jī)的燃燒速率，優(yōu)化了燃燒過程，提高了燃料能量釋放率，所以使柴油機(jī)具有更好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。富氧燃燒降低了碳煙、CO和HC的排放， 卻增加了NO的排放。近年來研究人員提出了更為先進(jìn)的燃燒技術(shù)——膜法富氧燃燒， 膜法富氧技術(shù)其基本原理主要是擴(kuò)散和溶解，利用供應(yīng)的氣體分離膜兩邊的壓力差以及各氣體組分對于特定高分子膜的相對通過率不一樣，而實(shí)現(xiàn)滲透和分離，獲得某種高濃度氣體[3]。

對于柴油發(fā)動機(jī)來說，膜法富氧不但可以提高發(fā)動機(jī)動力性能，最重要的是能夠降低NOx和碳煙，達(dá)到降低排放的目的。膜法富氧技術(shù)被稱為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”。

1.4 當(dāng)量比燃燒

最近幾年，為了適應(yīng)更加苛刻的環(huán)保法規(guī)，柴油機(jī)產(chǎn)品上都使用了尾氣后處理器，使柴油機(jī)的成本增加，也降低了可靠性。為降低后處理成本，Reitz等人[4]-[6]開展了柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒的研究，以便使用三元催化器。在一臺單缸機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒可以實(shí)現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放，二者都在0.2g/（kWh）以下。柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒研究的開展是最近幾年才開始的，已經(jīng)顯示出很好的低NOX和PM排放性能。如果能夠改善經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)量比燃燒在柴油機(jī)上的應(yīng)用獎充滿期望。

2 汽車新能源

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，柴油、汽油等燃料的需求也越來越大，導(dǎo)致的最直接的后果就是石油日益枯竭，柴油、汽油等價格上漲。同時汽車尾氣污染也日趨嚴(yán)重，在不可再生能源的日益枯竭和價格的不斷上漲以及環(huán)保要求的雙重壓力下，尋找新能源將是今后汽車行業(yè)的主要任務(wù)。

2.1 燃?xì)馄?/p>

燃?xì)馄囍饕幸夯蜌馄嚭蛪嚎s天然氣汽車。燃?xì)馄囉捎谄渑欧判阅芎茫\(yùn)行成本低、技術(shù)成熟、安全可靠，被世界各國公認(rèn)為當(dāng)前最理想的替代品。天然氣作為一種儲量豐富干凈可靠的清潔燃料，兼?zhèn)淦筒裼偷膬?yōu)點(diǎn)，具有抗爆性好、自燃溫度高、排放特性好等特點(diǎn)，非常適合作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料使用。與柴油相比，顆粒物和NOx排放非常少，而與汽油相比，HC、NOx和CO2排放較少。因此，加強(qiáng)對燃?xì)馄嚨难芯?，對緩解石油能源危機(jī)，改善環(huán)境具有重要意義，對于保障國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展也具有重大的戰(zhàn)略意義。

2.2 電動汽車

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。電動汽車最大的優(yōu)點(diǎn)是只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。但是蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購買價格較貴。目前電動汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發(fā)展的電源主要有鎳鎘電池、鈉硫電池、燃料電池、鋰電池、飛輪電池等，這些新型電源的應(yīng)用對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。

2.3 混合動力汽車

混合動力是指在原有的汽油發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，同時配以電動機(jī)來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型?；旌蟿恿χ饕园l(fā)動機(jī)驅(qū)動行駛，利用電動馬達(dá)所具有的再啟動時產(chǎn)生強(qiáng)大動力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動機(jī)燃油消耗較大時，用電動馬達(dá)輔助驅(qū)動的方式來降低發(fā)動機(jī)的油耗。混合動力汽車最大的優(yōu)點(diǎn)就是“零”排放，而且采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率。

2.4 甲醇HCCI燃燒

均質(zhì)壓燃的燃燒方式本身具有熱效率高、NOx 排放低和幾乎零PM排放的優(yōu)點(diǎn)。甲醇來源廣泛，著火界限寬，其氣化速度快和易于形成混合氣的特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)HCCI稀薄燃燒及分布式多點(diǎn)著火的工作方式。具有較高的抗爆性能，可以提高發(fā)動機(jī)的壓縮比和熱效率。將HCCI燃燒技術(shù)運(yùn)用到甲醇車用發(fā)機(jī)上可滿足節(jié)能減排的要求，但是目前還未能滿足實(shí)際運(yùn)用的要求，如對甲醇發(fā)動機(jī)HCCI燃燒過程的進(jìn)行控制、拓展其負(fù)荷范圍的方法等。

由此可見，汽車科技在21世紀(jì)的發(fā)展方向就是改善燃燒技術(shù)并且研發(fā)應(yīng)用新能源。在大力改善燃燒技術(shù)的同時，積極降低替代燃料的生產(chǎn)成本、使用價格，使新能源發(fā)展為汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來光明的前景。

參考文獻(xiàn)：

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