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1、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
2、 new technologyAbstract: 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 combustio
3、n 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 advant
4、ages 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）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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、科学技术的发展。2.传统内燃机燃烧技术52.1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
10、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
11、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, P
12、M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
13、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63.1.1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;
14、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
15、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4HCCI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57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
16、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5MK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
