文档介绍：“均质压燃,低温燃烧”技术
“均质压燃,低温燃烧”技术
摘要:摘要:阐述了“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技术的背景、技术路线以及所取得的主要研究进展,汽油机样机可实现均质压燃着火与火花点火燃烧模式的平稳切换,最大节油达30%, NOx排放降低95%以上。还介绍了“均质压燃、低温燃烧”燃烧控制方法:废气控制和火花助燃CAI混合燃烧。
关键字:均质压燃;低温燃烧;废气重压;废气重吸;CAI混合燃烧
0前言
内燃机是我国石油的主要消费源,消耗了我国60%的石油。随着我国经济的快速发展,石油总需求越来越大。我国从1993年已成为原油净进口国,2009年我国石油对外依存度首度超过50%, 2011年7月国家工信部公布数据,1-7月,%,%。国际能源署(IEA)预测,“中国原油需求增速未来若保持不变,2030年石油进口依存度或将超过80% ,
内燃机是大气环境特别是城市大气环境的主要污染源。近年来上海市区机动车排放的C0, HC和NOx分担率分别为86 %,90%和56 %,北京在非采暖期,机动车排放的C0, HC和NOx分担率分别为60% , %%o HC与NOx在太阳光照射下会引起光化学反应,形成光化学烟雾,刺激眼睛和喉咙,阻碍植物生长。内燃机排出的微粒物(PM ),一般小于1 um,,可吸人到人肺的底部,微粒中的
多环芳烃等是致癌物质,危害人类的健康。国家环保局提供的数据表明,全世界20个大气质量最差的城市中,中国占了10个。
因此,提高内燃机的燃料利用率,降低有害排放,对于节约石油资源,缓解能源压力,确保国家能源安全及保护环境有重大意义,是我国国民经济和社会发展的重大需求。 1“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术介绍
汽油和柴油都是从石油中提炼出来的,但它们性质差别相当大。汽油易引燃但自燃温度高,相反,柴油自燃温度低但难引燃。简而言之,汽油靠近火便可能燃烧,而柴油容易自燃。汽油给人印象好像很容易燃烧,但事实并非如此。此外,汽油是石油中低碳的成份,而柴油相对是高碳成分,所以汽油粘度小,易挥发,柴油粘度高,汽化温度高。
由于汽油和柴油两种燃料的理化特性和燃烧特性不同,内燃机分为火花点燃式内燃机(汽油机)和压燃式内燃机(柴油机),因此,传统汽油机和柴油机工作原理并不完全相同。汽油机属于预混合均质燃烧,借助电火花点燃。由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制,汽油机只能采用较低的压缩比,使热效率比柴油机低得多。为了控制排放,绝大多数汽油机都采用三元后处理器,需要将当量比控制为1,即进气中的氧气量正好是喷人的汽油完全燃烧反应理论当量。所以汽油机工况调节实质上是对进气量的调节,需要用节气门控制进气量,人们所说的油门对于汽油机实际上是进气节气门,是控制进气量的,发动机电控单元(ECU)会根据进气量计算出需要喷人多少燃油。在部分负荷工况,进气的空气量较小,此时进气过程中缸内的压力低于大气压力,产生所谓的泵气损失,从而导致汽油机热效率比柴油机低。综合上述因素,汽油机的燃料利用率比柴油机低
20%一30 %,这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限。
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柴油机是依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高温使混合气自燃着火,属于燃料喷雾扩散燃烧,即燃烧过程中大部分燃料是一边与空气混合一边燃烧,燃烧过程主要依赖于燃油与空气的混合过程。由于喷雾与空气的混合时间很短,燃料与空气的混合严重不均匀,导致缸内燃烧过程中温度与浓度分布极为不均匀,形成了高温火焰区和高温过浓区。在高温富氧区域产生大量的NOx排放,在高温过浓区,由于缺氧又生成大量碳烟。由于柴油机非均质燃烧的固有性质,使柴油机存在碳烟和NOx排放的最低极限。
提高汽油机热效率,降低柴油机碳烟和NOx排放一直都是内燃机燃烧技术研究的热点。多年来,人们试图想结合柴油机和汽油机的优点来解决上述问题,即柴油机的燃烧尽可能采用预混合稀燃燃烧(降低碳烟和NOx),而汽油机采用柴油机的压燃燃烧方式(提高压缩比)。实际上目前很多的先进内燃机燃烧技术都是向这一方向努力,如汽油机缸内直喷方式、柴油机通过电控喷油实现预喷燃油等。20世纪}o年代未报道了基于这一概念—均质压燃,即实现均匀混合气、压缩自燃着火的燃烧。但由于当时内燃机电控技术刚刚发展,控制技术很难实现这一燃烧方式的有效控制,因此近20年内并没有得到发展。20世纪90年代末和21世纪初,随着控制技术的发展和汽车内燃机排放法规的日益严格,国际上学术界和工业界开始高度重视这一燃烧技术,认为是未来内燃机的燃烧替代技术,各国政府和跨国公司拆巨资开展相关的研究,以“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术为代表的
先进内燃机技术进人了新一轮的国