燃燒發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢及面臨的問題

陳海倫

(汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 汕尾 516600)

1 燃燒發(fā)動機(jī)的主要研究范圍

燃燒發(fā)動機(jī)主要是將燃料化學(xué)能以燃燒過程轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一類動力裝置，屬于實(shí)際工程領(lǐng)域?qū)θ紵茖W(xué)的具體應(yīng)用，從屬于工程熱物理學(xué)。其研究范圍包括壓燃式發(fā)動機(jī)燃燒、外源點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)燃燒以及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒等。對其加以研究的目的在于怎樣在提高燃燒效率的同時(shí)降低對環(huán)境的污染，促進(jìn)燃燒裝置熱能轉(zhuǎn)換率的提升，產(chǎn)出適合各種燃料的應(yīng)用裝置，為車輛、船舶以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等供給優(yōu)質(zhì)的動力來源。依據(jù)相構(gòu)成對發(fā)動機(jī)燃燒進(jìn)行分類，可以主要分成：單相燃燒與多相燃燒；依據(jù)燃燒形式則可分成單一預(yù)混燃燒、單一擴(kuò)散燃燒以及預(yù)混/擴(kuò)散并存燃燒等。發(fā)動機(jī)燃燒與諸多科學(xué)問題之間具有密切的聯(lián)系，比如數(shù)學(xué)學(xué)科中的數(shù)學(xué)模型、物理學(xué)科中的混合氣形成與燃燒蒸發(fā)，化學(xué)學(xué)科中的著火過程和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、力學(xué)中的結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等，光學(xué)中的光學(xué)成像與激光測量等，材料學(xué)、熱物理學(xué)等。除此之外，由于燃燒過程會產(chǎn)生一定量的污染物，繼而在大氣中逐步擴(kuò)散，其運(yùn)動規(guī)律與大氣科學(xué)直接相關(guān)，對于人類、動植物所形成的影響還關(guān)乎毒理學(xué)。

燃燒發(fā)動機(jī)在人類社會、經(jīng)濟(jì)以及科技發(fā)展過程中扮演著十分重要的角色，現(xiàn)代人生產(chǎn)生活活動中所應(yīng)用的汽車、飛機(jī)、輪船以及工程機(jī)械等都需要將燃燒發(fā)動機(jī)當(dāng)作動力來源。應(yīng)該說現(xiàn)代文明社會中所應(yīng)用的各種移動工具都將燃燒發(fā)動機(jī)作為主要依托，為社會發(fā)展形成巨大的支撐作用。就社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展層面來說，今后燃燒發(fā)動機(jī)的應(yīng)用范圍和數(shù)量將進(jìn)一步拓展，必將導(dǎo)致能源消耗和環(huán)境污染問題的增多，對發(fā)動機(jī)燃燒過程、機(jī)理進(jìn)行深入研究具有至關(guān)重要的意義和社會價(jià)值。

2 燃燒發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢

2.1 發(fā)動機(jī)燃燒相關(guān)的基礎(chǔ)性問題

對燃燒過程燃燒速率的測量屬于認(rèn)識燃燒特性、分析燃燒數(shù)值的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。近年來，隨著內(nèi)燃機(jī)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，越來越多新型燃料投入使用，但關(guān)于燃燒速率方面的研究還顯得不夠健全，亟待開展相關(guān)基礎(chǔ)性測量與研究工作。尤其是與混合燃料相關(guān)的燃燒速率數(shù)據(jù)基本上處于空白狀態(tài)。研究過程一般需要以高溫高壓燃料彈為基礎(chǔ)開展，對液體燃料所具備燃燒速率進(jìn)行測量的過程中，要先實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)，以獲得氣體狀態(tài)，才能進(jìn)行具體研究。內(nèi)燃機(jī)燃料的著火延遲同樣是對其燃燒過程加以控制的關(guān)鍵參數(shù)，屬于HCCI燃燒方式十分重要的數(shù)據(jù)內(nèi)容。對于一些常規(guī)燃料，目前已經(jīng)形成了關(guān)于其著火延遲的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式，但是對于大部分替代燃料來講，還處在空白階段。尤其是對于混合燃料來說，因?yàn)榉蔷€性關(guān)系，無法簡單通過對單質(zhì)燃燒過程著火延遲的研究實(shí)現(xiàn)對混合燃料著火延遲的計(jì)算與分析，需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究獲取在不同當(dāng)量比、溫度以及壓力條件下的數(shù)據(jù)內(nèi)容。通常可以利用快速壓縮裝置、激波管等開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量工作。湍流燃燒被引入內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域以提升熱效率，同時(shí)改善燃燒過程，可以利用燃燒彈裝置以及光學(xué)發(fā)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)研究，比如分析分層混合氣條件下火核形成及火焰發(fā)展、在多次噴射狀態(tài)下預(yù)混與分層組合燃燒等。

2.2 燃燒發(fā)動機(jī)未來的研究重點(diǎn)

汽油內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)熱效率可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上提高約8%，除了改善燃燒過程之外，還能通過技術(shù)改進(jìn)降低發(fā)動機(jī)的摩擦磨損。而促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的方法具有綜合性特征，主要研究領(lǐng)域包括直噴汽油機(jī)、可變氣門以及壓縮比的提升等?；旌蟿恿Φ闹饕獌?yōu)勢在于低負(fù)荷、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、污染物排放較少。HCCI發(fā)動機(jī)的推廣與應(yīng)用將進(jìn)一步縮減混合動力車的實(shí)際應(yīng)用范圍，這是因?yàn)樵谶_(dá)到同等效果的基礎(chǔ)之上，HCCI發(fā)動機(jī)的實(shí)際價(jià)格要更加低廉。

柴油內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)熱效率可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)之上提高約7%，且發(fā)動機(jī)磨損也可進(jìn)一步降低。而具體措施主要包括增壓、燃燒過程控制、應(yīng)用HCCI燃燒方式等。目前，與柴油機(jī)相關(guān)的NOx/PM問題還未實(shí)現(xiàn)真正解決，不能單純依靠對燃燒過程的研究，關(guān)鍵在于后處理技術(shù)(比如電控SCR+DPF)的集成，SCR中所應(yīng)用的尿素能夠縮減20～100nm粒徑顆粒的產(chǎn)生，對改善生態(tài)環(huán)境能夠起到良好的促進(jìn)作用。

目前，一些發(fā)達(dá)國家正在研究用于發(fā)動機(jī)的新型燃燒方法，比如無煙低火焰燃燒，對燃燒過程的溫度(小于1700K)加以控制，應(yīng)用高壓共軌噴射配以小直徑噴孔以獲得更為良好的噴霧效果，利用對廢氣再循環(huán)技術(shù)的引入，讓燃燒過程處于缺氧環(huán)境(氧氣含量為5%～8%)。這種燃燒方式最為顯著的優(yōu)勢在于：在任何工況之下都可以利用單一的燃燒方式獲得低污染效果，有效克服了HCCI發(fā)動機(jī)需要依賴2種燃料進(jìn)行燃燒的缺點(diǎn)。

生物乙醇和低硫柴油屬于我國未來的研究重點(diǎn)。生物乙醇主要利用微生物技術(shù)或者生物化學(xué)技術(shù)通過植物制取，屬于一種新型可再生燃料。我國近幾年已經(jīng)開始逐步推廣乙醇汽油(在汽油中加入生物乙醇)，生物乙醇不僅可以被看作是辛烷值增強(qiáng)劑，還能有效縮減石油燃料的實(shí)際消耗量。而對乙醇柴油(要添入適量助溶劑)的應(yīng)用則能有效縮減柴油機(jī)碳煙的排放量。

氫氣屬于應(yīng)用于燃燒發(fā)動機(jī)最具研究價(jià)值和推廣前途的燃料，而氫氣是否可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茫潢P(guān)鍵在于生產(chǎn)制備。而且，燃?xì)浒l(fā)動機(jī)的燃燒過程控制難度較大，燃燒成本相對較高，若想實(shí)現(xiàn)規(guī)?；眠€需要進(jìn)行更為深入地研究。天然氣摻氫屬于將氫氣應(yīng)用于發(fā)動機(jī)領(lǐng)域最具可行性的一種方式，雖然目前對于此類發(fā)動機(jī)呈現(xiàn)出一些研究，但與推廣使用還有較大的距離。

柴油機(jī)+CRT模式的污染物排放要好于氣體發(fā)動機(jī)，不會產(chǎn)生CH4(CH4會造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)現(xiàn)象，其作用效果為CO2的21倍)。在未來一段時(shí)間之內(nèi)，關(guān)于內(nèi)燃機(jī)燃燒方面的研究重點(diǎn)依然是汽油機(jī)與柴油機(jī)燃燒，而新型燃燒方式則是今后的主要研究方向。無論對何種發(fā)動機(jī)的研發(fā)，都需要將燃燒與排放看作有機(jī)的整體進(jìn)行分析，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的進(jìn)一步提升。

3 結(jié)束語

總而言之，對內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的研究仍然是推動人類社會發(fā)展的焦點(diǎn)之一，值得廣大科研人員投入更多時(shí)間和精力對其進(jìn)行深入研究，充分參考國外先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)各行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步，為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入源源不斷的動力。