汽車燃燒技術論文

　　汽車無疑是21世紀發展最為迅速，對人類影響最大的機械。小編整理了，歡迎閱讀!

　　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.

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