車用內(nèi)燃機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究進(jìn)展

許建民 任恒山

[摘要]詳細(xì)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(jī)在汽油直噴燃燒技術(shù)、柴油機(jī)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(diǎn)火(HCCI)燃燒技術(shù)等幾方面取得的技術(shù)進(jìn)展和尚未解決的問題。

[關(guān)鍵詞]內(nèi)燃機(jī)環(huán)保節(jié)能

中圖分類號：TK4文獻(xiàn)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(jī)上出現(xiàn)了許多新的技術(shù)。其中目前最具代表性的先進(jìn)技術(shù)有：(1)柴油機(jī)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(diǎn)火(HCCI)燃燒技術(shù)。下面就以上4項(xiàng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展作一些介紹。

一、柴油機(jī)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(shí)現(xiàn)精確控制，使高壓油管壓力大小與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的程度，因此，也就減少了傳統(tǒng)柴油機(jī)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(xiàng)技術(shù)的研究的重點(diǎn)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(jī)和柴油機(jī)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(jī)是在部分負(fù)荷時用混合氣的分層化實(shí)現(xiàn)超稀薄燃燒，得到同柴油機(jī)一樣低的燃油消耗率；在高負(fù)荷時用預(yù)混合汽油機(jī)的均勻混合，得到高功率特性的理想汽油機(jī)。目前，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直接噴射(GDI，gasoline direct injection)技術(shù)已有少量機(jī)型出現(xiàn)，歐洲市場還有一些直噴發(fā)動機(jī)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(jī)和豐田D一4缸內(nèi)直噴稀燃發(fā)動機(jī)[2]。

GDI面臨的主要排放問題是UBHC(unburned hydrocarbons發(fā)動機(jī)中未燃盡的碳?xì)浠衔?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(yùn)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(jī))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?xì)浠衔锏呐欧湃匀惠^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(yuǎn)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(shí)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?yàn)镋GR而惡化。據(jù)試驗(yàn)表明[3，4]，在燃油經(jīng)濟(jì)性改善保持不變的情況下，GDI的EGR可高達(dá)40％。雖然如此，但EGR始終還是不能在整個發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jī)的第三種燃燒方式，這是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)燃燒的一個研究熱點(diǎn)[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(diǎn)火(SI)方式或柴油機(jī)燃燒(DI)運(yùn)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(jī)上應(yīng)用，從而獲得和汽油機(jī)一樣的高功率輸出和低PM排放，以及在部分負(fù)荷(可達(dá)75％負(fù)荷)和怠速獲得和柴油機(jī)一樣或更高的經(jīng)濟(jì)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?xì)獾淖罡邷囟炔怀^1600℃。在此溫度以下，空氣中的氮?dú)夂脱鯕獠贿M(jìn)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?xì)鉁囟壬叩?600℃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(jìn)氣增壓來提高混合氣的空燃比。

五、結(jié)論

發(fā)動機(jī)節(jié)能和減排是當(dāng)前汽車工業(yè)的研究主題，上述幾項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)對實(shí)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(jī)工作者，迫切需要解決的問題是完全掌握柴油機(jī)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(diǎn)研究開發(fā)新型的適合國情的代用清潔燃料。