发动机燃烧新技术研究进展.doc

发动机燃烧新技术研究进展
摘 要：发动机燃烧是一个涉及了许多学科的复杂的化学反应和能量的转换过程；本文结合了国内外的现状总结了一些有关发动机燃烧方面的理论知识，并且从若干侧面分析了发动机燃烧研究的国内外现状以及发展趋势；并着重分析了内燃机的新燃烧技术,主要包括均质充量压缩燃烧（HCCI）、调谐动力燃烧（MK）、MULINBUMP复合燃烧、预混合稀薄燃烧（PREDIC）等燃烧技术; 并分析了各种燃烧技术的优缺点,为燃烧技术的发展提供参考；
关键词：发动机；燃烧技术；均质充量压缩燃烧（HCCI）；调谐动力燃烧（MK）
The Research Progress Of Engine combustion new technology
Abstract: The combustion in engines is a complex process with chemical reaction and energy conversion; This paper summarizes some theoretical knowledge of the engine combustion combining with the current situation at home and abroad, and the statues and development trends of combustion research in engines are discussed from several aspects., and the new combustion technology is emphasized, mainly includes Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI),Modulated Kinetics Combustion（MK）, MULINBUMP Compound Combustion, Premixed lean diesel combustion（PREDIC）and so on; And the advantages and disadvantages were analysised. This paper provides a reference for the development of combustion technologies;
Key words: Engine; Combustion Technology; Homogeneous Charge Compression Ignition（HCCI）; Modulated Kinetics Combustion（MK）

5

前 言
自从1876年奥托发明的第一台火花点火式发动机和1892年迪塞尔发明第一台压燃式发动机以来，由于具有较高的热效率、比功率和可靠性，内燃机成为了最主要、最理想的船用、工程机械以及车用动力[1]。美国机械协会认为汽车是20世纪唯一的也是最重要的工程界的成就[2]。在可以预见的未来，发动机仍是汽车、机车、轮船、农用机械（农用车）、工程机械及军用车辆等移动装置的动力源；另外内燃机所发出的功率占世界所有动力装备总功率的50%以上，消耗的燃料占石油燃料的60%以上；同时，它也是人类最大的环境污染源之一。燃烧发动机的研究将主要集中在现有石油类燃料发动机的节能和污染物控制、石油替代燃料发动机、可再生能源发动机和新型燃烧方式发动机上，目标是通过石油类燃料发动机节能延石油资源的使用期，开发燃烧发动机的石油替代燃料实现发动机的燃料替代，开发新型发动机燃烧技术实现高效清洁燃烧。为实现上述目标，需要在发动机燃烧方面开展系统深入的基础研究和应用基础研究，为发动机技术的不断发展提供理论支撑和技术创新源泉[3]。
1.燃烧发动机的研究范围[4]
燃烧发动机是把燃料化学能通过燃烧形式转化为机械能的动力装置，是燃烧科学在实际工程上的应用，属工程热物理学科主干领域。研究范围涉及到外源点火式发动机燃烧、压燃式发动机燃烧、气体燃料发动机燃烧、燃气轮机燃烧、特种发动机燃烧等。发动机燃烧研究的主要目的是如何高效低污染地组织燃烧过程，提高燃烧装置的热能转换效率，研发适应不同燃料的燃烧装置以及开发新型的燃烧装置，为机动车、农业和工程机械、船舶、机车等提供动力源。发动机燃烧在相构成上可分为多相燃烧(气液两相燃烧、气固液三相燃烧)和单相燃烧(气相燃烧)，在燃烧形式上可分为单一预混燃烧方式、单一扩散燃烧方式和预混/扩散并存的燃烧方式。发动机燃烧涉及到许多基础科学问题，如数学(燃烧过程的数学模型和数值解法)、物理(混合气形成、喷雾过程、燃料蒸发过程)、化学(着火过程、火焰发展过程、火焰熄灭与淬熄、爆燃、化学反应动力学、颗粒物的成因、燃烧污染物的生成与催化净化)、力学(流体力学，材料力学、振动力学、结构力学)、光学(激光测量、光学成像)、材料(耐高温材料、耐磨性材料、导热性材料、陶瓷材料)、燃料学(燃料组成、燃料理化性能如燃料馏程、自燃性能、抗爆性能)、催化(尾气后处理、催化燃烧)、热物理学(热力学、流体力学、传热学、相变)。此外，燃烧污染物在大气中的扩散和运动规律还涉及到大气科学，燃烧污染物对人体的影响还涉及到毒理学。燃烧发动机在科技、经济、社会发展中具有十分重要的地位，现代社会赖以依存的汽车、摩托车、机车、船舶、飞机、工程机械以及一部分飞行器中都使用燃烧发动机作为其动力源。可以说现代文明社会的海(船舶)陆(汽车)空(飞机器)移动工具都以燃烧发动机为主，从某种意义上来讲燃烧发动机起到现代文明社会的支撑作用。社会经济的发展将增加燃烧发动机的使用数量，这必将会造成对能源的更大需求和环境污染的增加，提出更多的问题需要用先进的科学技术来解决，进而带动科学技术的发展。
2.传统内燃机燃烧技术[5]
2.1压燃式发动机(柴油机)
图1是典型柴油机的放热率曲线图。

图1　传统柴油机放热率曲线图
由于从开始喷油到着火燃烧存在一个着火迟后期,因此在放热曲线图的初期存在一个放热率峰值区,该放热率形状由预混合期内喷入的燃油量及所形成的可燃混合气所决定。该混合气量越多,初始放热率峰值越高,相应地燃烧最高温度就越高,NOx排放也就增加。其后接着进行扩散燃烧,燃油与空气边混合边燃烧。由此可见传统柴油机需要高的喷射压力,以及适当的空气涡流强度,保证扩散燃烧充分完成,以便降低排气烟度。
该种燃烧方式的主要优缺点如下:
a. 热效率高、燃油经济性好。与点燃式发动机(汽油机)相比,由于可以采用较高的压缩比,因此热效率比较高,经济性好。HC, CO排放要好于汽油机。
b. 振动噪音大。由于在上止点前的第一阶段非均质预混合燃烧会引起较高的压力升高率,因此该种燃烧方式的振动噪音比汽油机的要大。
c. 排气烟度高。由于燃油与空气不可能全部预混合,而是以边混合边燃烧为主的扩散燃烧,从而导致排气烟度高,尤其在高负荷时。
d. 高的NOx , PM排放。由于第一阶段的非均质预混合燃烧会引起较高的燃烧温度,而且燃烧室空气又较富裕,因此NOx 排放较高;同时由于扩散燃烧的存在导致不可能完全燃烧,从而引起PM排放比汽油机要高。
2.2　火花点燃式发动机(汽油机)
图2是汽油机的放热率曲线图。由于与柴油机相比,汽油机属于典型的预混合燃烧,因此放热率曲线没有类似柴油机那样的初始阶段的高脉冲峰值。

图2　汽油机放热率曲线图
该种燃烧方式的主要优缺点如下:
a. 热效率低、燃油经济性差。为了防止爆震,汽油机的压缩比较低,因此热效率低、燃油经济性差。与柴油机相比HC, CO排放高。
b. 工作运转平稳。在进气行程燃油就喷入进气管,这样燃油与空气有足够的时间在着火前进行充分地混合,形成基本均匀的可燃混合气,因此汽油机工作比柴油机要来得柔和,振动噪音小。当然由于燃油喷在进气管,这样就不可避免地引起部分燃油吸附在管壁上,因此导致了HC, CO排放比柴油机要高。
c. NOx , PM排放低。由于基本均匀的预混合燃烧, PM排放比较低。同时由于较低的燃烧温度,使得NOx 排放也比柴油机低。
3.发动机新型燃烧技术及理论
为了能够满足排放和能源需求,燃烧技术又出现了很多新理论, 主要包括均质充量压缩燃烧（HCCI）、调谐动力燃烧（MK）、MULINBUMP复合燃烧、可控自燃（CAI）、预混合稀薄燃烧（PREDIC）和均质充量柴油燃烧(HCDC)等燃烧技术等
3.1 均质充量压缩燃烧（HCCI）
内燃机预混合气均质压燃技术(HCCI)也称均质充量压缩燃烧。它既不同于传统汽油机的火花点火、火焰传播燃烧方式,也不同于传统柴油机的燃油喷射、扩散燃烧方式(如图3)。在HCCI燃烧过程中,空气与燃料预混合形成较稀薄的均匀混合气, 在活塞压缩到上止点附近时,依靠混合气的自燃,实现缸内混合气的着火燃烧。

图3 柴油机与汽油机与H C C I发动机的燃烧方式比较
HCCI燃烧方式的出现,有效地解决了传统均质稀混燃烧不同步的缺点, 是有别于传统的汽油机均质点燃预混合燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和缸内直喷汽油机分层稀薄燃烧的第4 种燃烧方式。然而要将HCCI技术应用到产品上,还必须克服下列问题[6]
3.1.1　燃烧相位控制问题
HCCI最主要的挑战之一是燃烧相位的控制问题。它不像火花点燃或者传统柴油机那样,有一个直接的方法来控制开始燃烧,而是由混合气的化学性能决定什么时间开始燃烧。影响HCCI的燃烧相位的主要因素有: a. 燃料的自燃特性;b. 燃料的浓度; c. 废气的残留物及其反应特性;d. 混合物的均匀性; e. 压缩比大小; f. 进气温度、燃料汽化潜热以及发动机温度; g. 对发动机的热交换; h. 由发动机决定的其它参数。目前最成功的方法是通过改变燃料的特性(即采用混合燃料)来控制燃烧相位。
3.1.2　输出功率问题
为了维持HCCI系统稳定地燃烧,必须将空燃比控制在较大值(稀薄混合气) ,因此限制了HCC I系统的最大输出功率。最有效的方法是实施增压将HCCI发动机的功率得到恢复。
3.1.3　均质稀薄混合气的准备
有效的均质混合气的准备以及避免燃油碰壁,对于HCCI来说是降低HC, PM排放的关键。然而像柴油那样低挥发性的燃料要形成均质混合气是比较困难的。
通过以上分析可以初步得到实现HCCI燃烧的基本思想(如图4所示)。

图4　HCCI发动机布置示意图
高增压、稀薄混合气在全时间内实现单一的HCCI燃烧,对于固定动力或者船用动力是非常有吸引力的。然而对于车用动力最好采用双模式燃烧发动机,即在部分负荷采用HCCI燃烧,而在全负荷采用传统的柴油机燃烧模式,或者汽油机的燃烧模式。至于HCCI燃油的引入一般有2种方式,其一为进气道引入;其二为缸内早期直接喷入。
3.2 调谐动力燃烧（MK）
日本日产公司提出的MK燃烧系统如图5[7]所示。MK系统基本特征是属于低温、预混合燃烧,能够同时降低NOx , PM。在MK系统中采用高的废气再循环率,降低进气氧浓度并实现低温燃烧,这样能够大幅度降低NOx。但是由于高的废气再循环率(意味氧浓度降低)通常会引起排气烟度增加,因此设法通过延迟喷油来实现预混合燃烧,达到降低PM的目的。从图6的燃烧照片中反映出,在整个燃烧周期内,MK燃烧没有明显的耀眼火焰。与传统燃烧(放热率曲线由一开始的预混合燃烧与随后进行的扩散燃烧2部分组成)相比,MK燃烧放热率曲线只有光滑的一段,属于预混合燃烧,这样能够降低燃烧烟度,即能够降低PM排放。由于喷油始点的推迟,其燃烧始点明显迟于传统的燃烧方式,而且其后的放热率峰值也小,对应于较小的压力升高率,这样MK燃烧方式也是一种比较柔和燃烧方式。

图5　MK燃烧示意图

图6　传统燃烧与MK燃烧放热率及燃烧照片对比
如上所述,为了实现MK燃烧,有2个基本前提需要满足:一是采用大的废气再循环率;二是将燃油在着火前全部喷入气缸。因此,在MK燃烧试验中发现,当过量空气系数λ< 1. 3时燃油消耗率、CO排放水平将会恶化,因此必须将λ控制在1.3以上,这样也就限制了MK系统的使用范围,只能局限于小负荷工况。如图7 所示, 目前第1代MK燃烧发动机的最大平均有效压力为0155MPa左右,而第2代目标为0. 87MPa左右。要从第1代向第2代进展,采取的主要技术措施是:冷却EGR、低的压缩比、高的喷射压力。优化后的MK燃烧的NOx排放相对传统燃烧模式降低90％多，同时微粒排放保持在0.6 g/kW.h以下（见图8）。显示出新概念燃烧实现清洁、高效燃烧的巨大潜力[8]。

图7　MK燃烧概念的运行工况

图8 MK燃烧的排放结果
3.3 MULINBUMP复合燃烧
天津大学内燃机国家重点实验室苏万华教授提出了一种基于模式调制（图9）的可控预混合燃烧和稀扩散燃烧相结合的复合燃烧系统（MULINBUMP），MULINBUMP复合燃烧是一种基于多脉冲喷射和BUMP燃烧室的复合燃烧技术的简写（Multi-Injection and BUMP Combustion Chamber）[9]。MULINBUMP复合燃烧技术是一种实现柴油燃料均质压燃着火燃烧概念的有效途径（图10）。

图9 典型喷油模式示意图

图10 MULINBUMP复合燃烧技术示意图
基于可控预混合燃烧和稀扩散燃烧相结合的复合燃烧系统（MULINBUMP）是实现柴油燃料均质压燃着火（HCCI）燃烧概念的一种有效途经，这种燃烧系统利用多脉冲喷射形成可控预混合燃料的压燃着火，利用BUMP燃烧室高混合率的优点，形成稀扩散燃烧。MULINBUMP复合燃烧技术，在保持低的PM和NOx排放的基础上，显著地扩展了发动机的负荷范围，目前复合燃烧IMEP可达0.93MPa[10]。
如图11所示，这种“完美”燃烧过程的实现从根本来说可以分为三个方面的控制，即混合过程实现浓度、温度的分层控制，燃烧相位控制以及燃烧速率控制。其中，最核心的还是混合过程的控制。由于在现有柴油机条件下，实现更快速、充分的混合仍是努力的方向。这可以从两方面着手解决，即减小混合特征时间（或延长混合时间）和增加化学特征时间。在第一个途径中，一般通过将喷油定时提前增加混合时间并采用高压喷射，实现快速混合。但在传统喷油系统条件下，提前喷油往往因为较低的缸内温度、压力条件而使得大量燃油贯穿至缸套附近，引起严重的燃油湿壁（Wall-wetting）现象。另外，过快的放热速率也限制了预混燃烧向高负荷拓展。在MULINBUMP复合燃烧系统中，通过基于脉冲喷射调制的喷油策略并辅之于高混合率的燃烧室可有效地缓解上述问题。但燃油湿壁现象的消除以及更高混合率燃烧室的开发仍有待完善。此外，在MULINBUMP复合燃烧系统中也积极引入EGR改变缸内温度的变化历程，使化学特征时间得到有效增加[11]。

图11 MULINBUMP复合燃烧过程研究基本思路

3.4 预混合稀薄燃烧（PREDIC）
该种预混稀薄柴油机燃烧方式是由日本NEW ACE公司提出的一种新的燃烧方式。它针对预混合稀薄柴油机燃烧的3大缺点,即HC,CO排放高,燃油消耗率高,以及运转范围窄而提出的一种复合式燃烧方式。其特点是有2套喷油器(见图12) [12] ,侧置的2个喷油器最大喷射压力达到120MPa,中央置的喷油器最大喷油压力达到250MPa,均为电控高压系统。侧置的2个喷油器在压缩行程早期就将燃油喷入汽缸,使得燃油有足够的时间发展成为均匀、稀薄的混合气,经压缩着火燃烧后在燃烧室内不存在局部的高温区,因此NOx 排放非常低。在第1阶段燃烧结束时由中置喷油器再将燃油喷入汽缸。此时由于燃烧室内温度较高,第2阶段喷油推迟也不会引起失火。而且第2阶段的燃烧是发生在高温缺氧的情况,因此NOx 排放也比较低。

图12　PREDIC燃烧柴油机示意图
但是该系统由于要配置2套喷油器,结构比较复杂,离实际使用还有距离。
4 结束语
综上所述, 发动机燃烧是一个涉及多学科的复杂的化学反应和能量转换过程，发动机燃烧过程还有很多方面没有被人们完全把握。排放法规的不断严格和燃油耗指标的不断提升将推动内燃机燃烧的研究工作，一些新概念燃烧方式也推动了发动机燃烧研究工作的新进展。高效低污染发动机燃烧是国际发动机的研究和发展趋势，是带动发动机基础研究和先进技术开发的动力源。人们越来越认识到：对基础燃烧的认识程度是发动机燃烧研究水平提升、基本现象阐明、理论发展的重要性、以及蕴育先进技术的潜力。基础理论方面的研究要为认识燃烧基础问题和探索先进燃烧途径提供支撑。先进清洁燃烧与诊断技术要为节能与环保发挥重要作用。
参考文献
[1] Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals [M]．McGraw-Hill Science Engineering, 1988
[2] Lentinello R.A. Motoring madness[J]. Mechanical Engineering, 2000, 122(11)：86-92
[3] 黄佐华，蒋德明，王锡斌，内燃机燃烧研究及面临的挑战，内燃机学报，2008，6(2)：101-106
[4] 国家自然科学基金委员会.工程热物理与能源利用(学科发展战略研究报告2006~2010)［M］．北京：科学出版社，2006：127—171.
[5] 阳树毅.学科发展蓝皮书2006 卷(内燃机学科发展蓝皮书)［M］．北京：中国科学技术出版社，2005：645—653.
[6] 姚强，李水清，王宇，燃烧学导论：概念与应用，清华大学出版社，2000
[7] 缪雪龙 ,黄震，内燃机燃烧技术综述，现代车用动力，2006，7-11
[8] 苏万华，林铁坚，张晓宇等，MULINBUMP-HCCI复合燃烧放热特征及其对排放和放热率的影响，内燃机学报，2004，22(3):193～200
[9] Su Wanhua,Wang Hui,Liu Bin.Injection Mode Modulation for HCCI Diesel Combustion,SAE Paper 2005-01-0117,2005 [13] Abraham J，Bracco F V，Reitz R D. Comparison of computed and measured premixed charge engine combustion[J], Combustion and F1ame，1985，60(3): 309～322
[10] 张晓宇，MULINBUMP复合燃烧过程中物理、化学因素耦合作用的研究：[博士学位论文]，天津：天津大学，2007，
[11] 苏万华，先进内燃机燃烧及燃烧控制技术，中国内燃机学会第六届学术年会，2002
[12] 唐娟，任东军，张成涛, 内燃机燃烧技术的研究现状及发展, 内燃机与动力装置,2009，1