柴油發動機新技術論文

　　柴油發動機是燃燒柴油來獲取能量釋放的發動機。小編為大家整理的，希望你們喜歡。

　　篇一

　　柴油發動機燃燒技術及汽車新能源

　　摘要：汽車無疑是21世紀發展最為迅速，對人類影響最大的機械。近幾十年來，面對地球能源的日益短缺和環境保護的嚴重形勢，人們對車用發動機的燃油經濟性更加重視，節能減排受到廣泛關注。本文針對近年來柴油發動機燃燒技術以及其他汽車替代燃料的新能源開發應用進行了介紹和評論。最後對柴油發動機燃燒新技術的今後發展進行了展望，指出了汽車科技在21世紀的發展方向，即改善燃燒技術並且研發應用新能源。

　　關鍵詞：柴油發動機燃燒技術燃料新能源

　　0 引言

　　隨著機動車保有量的迅速增加，全球石油能源臨近枯竭。同時，排放法規日益嚴格，要求大幅降低汽車尾氣中NOx和PM等排放。因此，燃油的經濟性、節能減排受到廣泛關注。改善燃燒技術，研發汽車新能源漸漸成為一項重要的課題。

　　汽車的動力來源於發動機氣缸內燃料燃燒所放出的熱能。傳統的汽車發動機根據所用燃料種類區分，可分為柴油發動機和汽油發動機。近年來，由於世界能源短缺和環保低碳的要求，人們開始開發新型清潔燃料，如甲醇、乙醇、液化石油氣***LPG***、壓縮天然氣***CNG***等。現在又大力開發混合動力汽車、電池電動汽車、電容電動汽車和太陽能汽車等。

　　1 柴油發動機燃燒技術

　　柴油機汽車因壓縮比高，燃油消耗平均比汽油機汽車低30%左右，所以燃油經濟性較好、熱效率較高。但是傳統的柴油機燃燒過程，是採用高壓噴射將燃油噴入氣缸，形成混合氣，並借缸空氣的高溫自行發火燃燒。如果燃燒不充分，極易產生NOx 、PM。隨著排放標準的提高，政府對節約能源與減少排放日益重視。為達到排放法規和降低油耗的要求，應該加強新的燃燒方式的探索，開發出高效能低成本的先進柴油機。近些年應運而生的先進的燃燒技術有：均質充量壓縮點燃***HCCI***和低溫燃燒***LTC***等。他們與傳統的燃燒模式相比有很多自身的優勢，有足夠的提高效率和降低排放的潛力，但還需要進一步的深入討論和完善。

　　1.1 均質充量壓縮著火***HCCI***燃燒

　　自20世紀70年代末，均質充量壓縮著火***HCCI***燃燒這一新概念被報道，國際上學術界和工業界一直高度重視這一燃燒技術，是世界內燃機燃燒研究領域中的熱點之一。

　　均質充量壓縮著火燃燒，就是柴油機在著火前像汽油機那樣形成均質混合氣，消除擴散燃燒，採用較高壓縮比，壓縮可控著火，實現近似等壓燃燒;同時要具有良好的化學反應動力學效應，實現低溫火焰快速燃燒，燃燒持續期短，燃燒效率高，可以同時保持較高的動力性和燃油經濟性，達到高效、低汙染的目標。與傳統的點燃式發動機相比，它取消了節氣門，泵氣損失小，混合氣多點同時著火，燃燒持續期短，可以得到與壓燃式發動機相當的較高的熱效率;與傳統柴油機相比，由於混合氣是均質的，有效的解決了傳統均質稀混合氣燃燒速度慢的缺點，燃燒反應幾乎是同步進行，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，實施HCCI燃燒模式可以簡化發動機燃燒系統和噴油系統的設計。因為HCCI燃燒的著火和燃燒速率只受燃料氧化反應的化學反應動力學控制，受缸內流場影響較小，同時均質預混的混合氣組織也比較簡單。HCCI的優點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用前景。目前已在化學反應動力學機理、燃燒控制、負荷拓展等多個方面有了很大的進步。不過，業內多數研究機構認為該技術成熟至少應在2015年後，要想實用化在還技術上還存在很多弊端。這些弊端主要包括：均質混合氣的製備;CO和HC排放的降低;低負荷下的燃燒不穩定和失火;高負荷下的燃燒粗暴;著火相位和燃燒速率的控制等。

　　1.2 低溫擴散燃燒

　　對於柴油機來說，燃燒技術的關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，儘量燃燒“均勻”混合氣，同時還需要降低燃燒溫度，實現“低溫”燃燒。柴油機低溫燃燒，就是控制缸內燃燒溫度低於NOx和碳煙的生成溫度，從而有效降低NOx和碳煙排放。均質充量壓縮著火***HCCI***燃燒屬於低溫燃燒，另一種低溫燃燒技術是低溫擴散燃燒。

　　與均質充量壓縮著火***HCCI***燃燒不同，低溫擴散燃燒的著火仍是由燃油噴射來控制。著火時，缸記憶體在燃空當量比大於1的區域，因此也就存在擴散火焰，燃燒速率受控於燃油空氣混合速率，其較低的燃燒溫度是通過採用相當大的冷卻EGR率、低壓縮比以及推遲噴射定時等措施來實現的。

　　1.3 富氧燃燒技術

　　發動機氣缸內燃料的燃燒是靠空氣中的氧氣來助燃的，因此改善發動機燃燒技術可以從進入發動機氣缸助燃的空氣入手。發動機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動機進氣的燃燒。富氧燃燒可增加發動機的功率密度，提高柴油機的動力性和經濟性，降低碳煙、CO和HC的排放，它是一項高效節能的燃燒技術。

　　早在 20世紀60年代末Karim等就已經開始了對柴油機富氧進氣燃燒的研究[2]。我國於80年代中期開始富氧技術的研究。從20世紀90年代開始，通過研究人員的大量研究，富氧燃燒技術取得了一系列實質性進展。

　　由於富氧燃燒提高了柴油機的燃燒速率，優化了燃燒過程，提高了燃料能量釋放率，所以使柴油機具有更好的動力性和經濟性。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的燃燒技術――膜法富氧燃燒，膜法富氧技術其基本原理主要是擴散和溶解，利用供應的氣體分離膜兩邊的壓力差以及各氣體組分對於特定高分子膜的相對通過率不一樣，而實現滲透和分離，獲得某種高濃度氣體[3]。

　　對於柴油發動機來說，膜法富氧不但可以提高發動機動力效能，最重要的是能夠降低NOx和碳煙，達到降低排放的目的。膜法富氧技術被稱為“資源的創造性技術”。　　1.4 當量比燃燒

　　最近幾年，為了適應更加苛刻的環保法規，柴油機產品上都使用了尾氣後處理器，使柴油機的成本增加，也降低了可靠性。為降低後處理成本，Reitz等人[4]-[6]開展了柴油機當量比燃燒的研究，以便使用三元催化器。在一臺單缸機上進行了試驗。研究發現，在一定條件下，柴油機當量比燃燒可以實現極低的NOx和碳煙排放，二者都在0.2g/***kWh***以下。柴油機當量比燃燒研究的開展是最近幾年才開始的，已經顯示出很好的低NOX和PM排放效能。如果能夠改善經濟性，當量比燃燒在柴油機上的應用獎充滿期望。

　　2 汽車新能源

　　隨著汽車工業的不斷髮展，柴油、汽油等燃料的需求也越來越大，導致的最直接的後果就是石油日益枯竭，柴油、汽油等價格上漲。同時汽車尾氣汙染也日趨嚴重，在不可再生能源的日益枯竭和價格的不斷上漲以及環保要求的雙重壓力下，尋找新能源將是今後汽車行業的主要任務。

　　2.1 燃氣汽車

　　燃氣汽車主要有液化石油氣汽車和壓縮天然氣汽車。燃氣汽車由於其排放效能好，執行成本低、技術成熟、安全可靠，被世界各國公認為當前最理想的替代品。天然氣作為一種儲量豐富乾淨可靠的清潔燃料，兼備汽油柴油的優點，具有抗爆性好、自燃溫度高、排放特性好等特點，非常適合作為內燃機的代用燃料使用。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，加強對燃氣汽車的研究，對緩解石油能源危機，改善環境具有重要意義，對於保障國民經濟的持續發展也具有重大的戰略意義。

　　2.2 電動汽車

　　電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。電動汽車最大的優點是隻要有電力供應的地方都能夠充電。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，又沒形成經濟規模，故購買價格較貴。目前電動汽車上應用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸蓄電池由於比能量較低，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，這些新型電源的應用對環境影響相對傳統汽車較小，其前景被廣泛看好，但當前技術尚不成熟。

　　2.3 混合動力汽車

　　混合動力是指在原有的汽油發動機和柴油發動機基礎上，同時配以電動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。混合動力主要以發動機驅動行駛，利用電動馬達所具有的再啟動時產生強大動力的特徵，在汽車起步、加速等發動機燃油消耗較大時，用電動馬達輔助驅動的方式來降低發動機的油耗。混合動力汽車最大的優點就是“零”排放，而且採用混合動力後可按平均需用的功率來確定內燃機的最大功率。

　　2.4 甲醇HCCI燃燒

　　均質壓燃的燃燒方式本身具有熱效率高、NOx 排放低和幾乎零PM排放的優點。甲醇來源廣泛，著火界限寬，其氣化速度快和易於形成混合氣的特點，能更好地適應HCCI稀薄燃燒及分散式多點著火的工作方式。具有較高的抗爆效能，可以提高發動機的壓縮比和熱效率。將HCCI燃燒技術運用到甲醇車用發機上可滿足節能減排的要求，但是目前還未能滿足實際運用的要求，如對甲醇發動機HCCI燃燒過程的進行控制、拓展其負荷範圍的方法等。

　　由此可見，汽車科技在21世紀的發展方向就是改善燃燒技術並且研發應用新能源。在大力改善燃燒技術的同時，積極降低替代燃料的生產成本、使用價格，使新能源發展為汽車產業的可持續發展帶來光明的前景。

　　參考文獻：

　　[1]Karim G A.Ward G.The examination of the cnmhustion processes in a compression-ignition engine by changing the partial pressure of oxygen in the intake charge[C].SAE Paper 680767.

　　[2]李勝琴，關強，張文會等.汽油發動機富氧燃燒分析[J].內燃機，2007***1***：51-52.

　　[3]SangsukLee，ManuelA.GonzalezD.andRolfD.Re-itz.Stoichi-ometriccombustioninaHSDIdieselenginetoallowuseofathree-wayexhaustcatalyst[C].SAE Paper 2006-01-1148.

　　[4]Lee，S.，GonzalezD.，M.A.，Reitz，R.D.Effectsofengineoperatingparametersonnearstoichiometricdieselcombustioncharacteristics[C].SAE Paper 2007-01-0121.

　　[5]Chase，S.，Nevin，R.，Winsor，R.，Baumgard，K.，StoichiometricCompressionIgnition***SCI***Engine[C].SAE Paper2007-01-4224.

　　[6]黃喜鳴.淺談汽油機稀燃層燃技術[J].裝備製造技術，2006***4***：174-175.

　　篇二

　　現代柴油發動機節能減排新技術

　　摘要：文章主要對傳統柴油發動機與汽油發動機的優缺點、現狀及存在的問題進行了分析和闡述，從高壓電控共軌技術、冷卻式EGR技術等幾方面介紹了現代柴油機為了更好地適應社會發展所採用的一系列節能減排的新技術，以提高柴油機的綜合性能。

　　關鍵詞：柴油機;節能減排;冷卻式EGR技術;高壓電控共軌技術

　　中圖分類號：U464 　　　文獻標識碼：A 　　　　文章編號：1009-2374***2012***20-0135-03

　　近幾年來，隨著發達國家柴油轎車在全部轎車中所佔份額的不斷增加，電控汽車柴油機開始異軍突起，技術也有所突破，特別是出現了改變傳統燃油噴射系統的組成和結構特徵的高壓共軌系統，並且為了符合國際的排放標準及節能標準出現了各種各樣

　　的節能減排技術，使得柴油機的發展越來越好。

　　1　柴油發動機的優缺點

　　1.1 柴油機的優點

　　柴油機與汽油機相比，主要有三大優點：

　　***1***扭矩大。相同排量下，柴油機力氣更大，扭矩更大。

　　***2***省油。首先柴油的能量密度含量比汽油高;其次柴油機的熱效率高。一般柴油機的油耗要比汽油機的低30%～40%。

　　***3***環保。由於柴油機的富氧燃燒，所以柴油機的CO、HC和CO2排量相對於汽油機較低。

　　1.2 柴油機存在的問題

　　柴油機的效能雖然在很多方面比汽油機更有優勢，但是也存在著很多關鍵性的問題需要解決。

　　***1***尾氣排放問題。雖然較汽油機來說，柴油機的CO、HC和CO2排量較低，但是顆粒和NOX的排放比較難控制。

　　***2***油耗問題。雖然柴油機的油耗要比汽油機的低，但是為了實現社會發展的需要，進一步降低油耗也成為柴油發動機所要克服的問題之一。

　　***3***升功率問題。柴油發動機本身的質量和體積也影響了其各方面的效能，所以為了使得柴油機進一步得到社會的認可，如何提高柴油發動機的升功率也成為了柴油機發展過程中的問題。

　　***4***比質量問題。柴油機由於採用壓燃的方式，所以其材料要求較高，且其壓縮比較大，也使得

　　柴油機相對於汽油機在同等排量的情況下其質量較大。

　　2　現代柴油機新技術

　　2.1　高壓電控共軌技術

　　高壓電控共軌式燃油噴射系統的出現，基本上改變了傳統柴油機燃油噴射系統的組成和結構特徵。高壓電控共軌系統的最大特徵就是燃油壓力的形成和燃油量的計量在時間上、在系統中的部位和功能方面都是分開的。燃油壓力的形成和燃油量的輸送基本上與噴油過程無關。根據電控單元的指令控制每個噴油器，使得每個噴油器可按所要求的精確的噴油正式從共軌中“調出”具有所要求的精確壓力和精確迴圈的燃油。改善了燃燒過程，提高了燃燒效率，降低了燃燒噪聲和排放。該項技術已普遍在柴油車上使用。

　　2.2 　冷卻式EGR技術

　　採用冷卻式EGR系統，在EGR氣體流動管上安裝冷卻裝置，當EGR氣體進入進氣管前先降低其溫度，故燃燒溫度比一般的EGR系統明顯降低，且因進氣密度高，進入燃燒室的氣體量多，使得燃燒更完全，故也可減少PM的排放。

　　2.3　均質燃燒技術***HCCI***

　　在均質燃燒方式下，柴油和空氣在燃燒開始前已充分混合，形成均質預混合氣。混合氣被活塞壓縮併發生自燃，並呈分佈均勻、稀混合的低溫、快速燃燒，從根本上消除了產生NOx的區域性高溫區和產生PM的過濃混合區，從而能大大降低NOx和PM的排放。

　　2.4　NOx排放控制技術

　　***1***AR***吸附還原催化劑***。在稀燃階段將NOx吸附儲存起來，而在短暫的富燃階段，NOx釋放並被排氣中的HC還原。

　　***2***SCR催化轉化器。它是一種劑量系統，系統將還原劑***尿素***匯入排氣中，混合後再經過催化，可減少NOx的排放。

　　***3***NSCR。它是在去氮催化器中，用碳氫化合物作還原劑，將廢氣中的NO3還原。

　　***4***採用碳素纖維載入低電壓技術。碳素纖維具有催化活性，能促進廢氣中的NO與C或HC進行氧化還原反應，隨著電壓的升高，可使NOx排放明顯降低。

　　2.5　顆粒排放控制技術

　　***1***顆粒捕捉器。顆粒***PM***是柴油機尾氣主要成分之一，對人體的危害也非常大。顆粒捕捉器能夠將尾氣中的顆粒物過濾掉，可以達到90%以上的淨化效果。

　　***2***氧化催化器。氧化催化器是利用催化器中的催化劑來降低廢氣中的HC、CO和顆粒中的可溶有機成分的活化效能，使這些成分能與廢氣中的O2在較低的溫度下發生反應，從而降低柴油機的有害物質排放量。

　　2.6　多氣門技術

　　多氣門發動機是指每一個氣缸的氣門數目超過兩個，即兩個進氣門和一個排氣門的三氣門式;兩個進氣門和兩個排氣門的四氣門式;三個進氣門和兩個排氣門的五氣門式。氣門佈置在氣缸燃燒室中心兩側傾斜的位置上，是為了儘量擴大氣門頭的直徑，加大氣流通過面積，改善換氣效能，形成一個火花塞位於中心的緊湊型燃燒室，有利於混合氣的迅速燃燒，提高柴油機的經濟性。

　　2.7　增壓中冷技術

　　增壓就是增加進入柴油機汽缸內的空氣密度，中冷則是將壓縮後的空氣的溫度降低。最終是提高進入氣缸內的空氣量，能夠在不改變發動機排量的基礎上提高柴油機輸出功率，降低其升功率。

　　2.8　輕質量設計技術

　　在柴油機設計上，由於輕質量技術的應用以及材料和製造水平的提高，使得柴油機的比質量也有所下降，由汽油機派生出來的柴油機總質量約為汽油機的110%。

　　3　柴油機技術發展趨勢

　　從當今世界各主要汽車與發動機公司開發的新一代柴油機的技術變化看來，儘管柴油機各有特點，但大體上反映了以下發展趨勢：

　　3.1　優化結構設計

　　優化結構設計，減少摩擦與附件功率損失，提高機械效率。柴油機的有效效率等於指示效率與機械效率的乘積，因此，柴油機的燃油消耗率也直接受到機械效率的影響，國外在致力於完善缸內工作過程的同時，也十分重視減少摩擦損失和提高機械效率的研究。此外，以德國MTU公司為代表的可變排量技術也是一種有效手段。

　　3.2　發展各種代用燃料

　　代用燃料大多是二次能源，常用的有植物油、天然氣、醇類燃料、氫和燃料電池等。各種代用燃料一般都有降低環境汙染的效果，並且都有較為可靠的來源。

　　3.3　降汙的柴油新增劑

　　研究節能降汙的柴油新增劑，改善燃料的燃燒效能，對已投入使用的車輛來說，是較佳的技術處理方法之一。