汽車燃燒技術(shù)論文
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汽車無疑是21世紀(jì)發(fā)展最為迅速，對(duì)人類影響最大的機(jī)械。小編整理了汽車燃燒技術(shù)論文，歡迎閱讀!
汽車燃燒技術(shù)論文篇一
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)及汽車新能源
摘要：汽車無疑是21世紀(jì)發(fā)展最為迅速，對(duì)人類影響最大的機(jī)械。近幾十年來，面對(duì)地球能源的日益短缺和環(huán)境保護(hù)的嚴(yán)重形勢(shì)，人們對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性更加重視，節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注。本文針對(duì)近年來柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)以及其他汽車替代燃料的新能源開發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了介紹和評(píng)論。最后對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒新技術(shù)的今后發(fā)展進(jìn)行了展望，指出了汽車科技在21世紀(jì)的發(fā)展方向，即改善燃燒技術(shù)并且研發(fā)應(yīng)用新能源。
關(guān)鍵詞：柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒技術(shù) 燃料 新能源
0 引言
隨著機(jī)動(dòng)車保有量的迅速增加，全球石油能源臨近枯竭。同時(shí)，排放法規(guī)日益嚴(yán)格，要求大幅降低汽車尾氣中NOx和PM等排放。因此，燃油的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注。改善燃燒技術(shù)，研發(fā)汽車新能源漸漸成為一項(xiàng)重要的課題。
汽車的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料燃燒所放出的熱能。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)所用燃料種類區(qū)分，可分為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。近年來，由于世界能源短缺和環(huán)保低碳的要求，人們開始開發(fā)新型清潔燃料，如甲醇、乙醇、液化石油氣(LPG)、壓縮天然氣(CNG)等?，F(xiàn)在又大力開發(fā)混合動(dòng)力汽車、電池電動(dòng)汽車、電容電動(dòng)汽車和太陽能汽車等。
1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)
柴油機(jī)汽車因壓縮比高，燃油消耗平均比汽油機(jī)汽車低30%左右，所以燃油經(jīng)濟(jì)性較好、熱效率較高。但是傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒過程，是采用高壓噴射將燃油噴入氣缸，形成混合氣，并借缸空氣的高溫自行發(fā)火燃燒。如果燃燒不充分，極易產(chǎn)生NOx 、PM。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，政府對(duì)節(jié)約能源與減少排放日益重視。為達(dá)到排放法規(guī)和降低油耗的要求，應(yīng)該加強(qiáng)新的燃燒方式的探索，開發(fā)出高性能低成本的先進(jìn)柴油機(jī)。近些年應(yīng)運(yùn)而生的先進(jìn)的燃燒技術(shù)有：均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃(HCCI)和低溫燃燒(LTC)等。他們與傳統(tǒng)的燃燒模式相比有很多自身的優(yōu)勢(shì)，有足夠的提高效率和降低排放的潛力，但還需要進(jìn)一步的深入討論和完善。
1.1 均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒
自20世紀(jì)70年代末，均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒這一新概念被報(bào)道，國(guó)際上學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一直高度重視這一燃燒技術(shù)，是世界內(nèi)燃機(jī)燃燒研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一。
均質(zhì)充量壓縮著火燃燒，就是柴油機(jī)在著火前像汽油機(jī)那樣形成均質(zhì)混合氣，消除擴(kuò)散燃燒，采用較高壓縮比，壓縮可控著火，實(shí)現(xiàn)近似等壓燃燒;同時(shí)要具有良好的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)低溫火焰快速燃燒，燃燒持續(xù)期短，燃燒效率高，可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到高效、低污染的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它取消了節(jié)氣門，泵氣損失小，混合氣多點(diǎn)同時(shí)著火，燃燒持續(xù)期短，可以得到與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)妮^高的熱效率;與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，由于混合氣是均質(zhì)的，有效的解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀混合氣燃燒速度慢的缺點(diǎn)，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進(jìn)行，沒有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低，可以同時(shí)降低NOx 和PM排放。另外，實(shí)施HCCI燃燒模式可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因?yàn)镠CCI燃燒的著火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場(chǎng)影響較小，同時(shí)均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡(jiǎn)單。HCCI的優(yōu)點(diǎn)還包括它的燃料靈活性高，它能使用包括汽油、柴油、天然氣、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多種燃料。
HCCI這一燃燒方式具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。目前已在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、燃燒控制、負(fù)荷拓展等多個(gè)方面有了很大的進(jìn)步。不過，業(yè)內(nèi)多數(shù)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為該技術(shù)成熟至少應(yīng)在2015年后，要想實(shí)用化在還技術(shù)上還存在很多弊端。這些弊端主要包括：均質(zhì)混合氣的制備;CO和HC排放的降低;低負(fù)荷下的燃燒不穩(wěn)定和失火;高負(fù)荷下的燃燒粗暴;著火相位和燃燒速率的控制等。
1.2 低溫?cái)U(kuò)散燃燒
對(duì)于柴油機(jī)來說，燃燒技術(shù)的關(guān)鍵是同時(shí)降低微粒和 NOx 排放，基本思想是加速燃油與空氣混合，盡量燃燒“均勻”混合氣，同時(shí)還需要降低燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)“低溫”燃燒。柴油機(jī)低溫燃燒，就是控制缸內(nèi)燃燒溫度低于NOx和碳煙的生成溫度，從而有效降低NOx和碳煙排放。均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒屬于低溫燃燒，另一種低溫燃燒技術(shù)是低溫?cái)U(kuò)散燃燒。
與均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI)燃燒不同，低溫?cái)U(kuò)散燃燒的著火仍是由燃油噴射來控制。著火時(shí)，缸內(nèi)存在燃空當(dāng)量比大于1的區(qū)域，因此也就存在擴(kuò)散火焰，燃燒速率受控于燃油空氣混合速率，其較低的燃燒溫度是通過采用相當(dāng)大的冷卻EGR率、低壓縮比以及推遲噴射定時(shí)等措施來實(shí)現(xiàn)的。
1.3 富氧燃燒技術(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料的燃燒是靠空氣中的氧氣來助燃的， 因此改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)可以從進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸助燃的空氣入手。發(fā)動(dòng)機(jī)富氧燃燒就是用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的燃燒。富氧燃燒可增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，降低碳煙、CO和HC的排放，它是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒技術(shù)。
早在 20世紀(jì)60年代末Karim等就已經(jīng)開始了對(duì)柴油機(jī)富氧進(jìn)氣燃燒的研究[2]。我國(guó)于80年代中期開始富氧技術(shù)的研究。從20世紀(jì)90年代開始，通過研究人員的大量研究，富氧燃燒技術(shù)取得了一系列實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
由于富氧燃燒提高了柴油機(jī)的燃燒速率，優(yōu)化了燃燒過程，提高了燃料能量釋放率，所以使柴油機(jī)具有更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。富氧燃燒降低了碳煙、CO和HC的排放， 卻增加了NO的排放。近年來研究人員提出了更為先進(jìn)的燃燒技術(shù)――膜法富氧燃燒， 膜法富氧技術(shù)其基本原理主要是擴(kuò)散和溶解，利用供應(yīng)的氣體分離膜兩邊的壓力差以及各氣體組分對(duì)于特定高分子膜的相對(duì)通過率不一樣，而實(shí)現(xiàn)滲透和分離，獲得某種高濃度氣體[3]。
對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，膜法富氧不但可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，最重要的是能夠降低NOx和碳煙，達(dá)到降低排放的目的。膜法富氧技術(shù)被稱為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”。 1.4 當(dāng)量比燃燒
最近幾年，為了適應(yīng)更加苛刻的環(huán)保法規(guī)，柴油機(jī)產(chǎn)品上都使用了尾氣后處理器，使柴油機(jī)的成本增加，也降低了可靠性。為降低后處理成本，Reitz等人[4]-[6]開展了柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒的研究，以便使用三元催化器。在一臺(tái)單缸機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒可以實(shí)現(xiàn)極低的NOx和碳煙排放，二者都在0.2g/(kWh)以下。柴油機(jī)當(dāng)量比燃燒研究的開展是最近幾年才開始的，已經(jīng)顯示出很好的低NOX和PM排放性能。如果能夠改善經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)量比燃燒在柴油機(jī)上的應(yīng)用獎(jiǎng)充滿期望。
2 汽車新能源
隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，柴油、汽油等燃料的需求也越來越大，導(dǎo)致的最直接的后果就是石油日益枯竭，柴油、汽油等價(jià)格上漲。同時(shí)汽車尾氣污染也日趨嚴(yán)重，在不可再生能源的日益枯竭和價(jià)格的不斷上漲以及環(huán)保要求的雙重壓力下，尋找新能源將是今后汽車行業(yè)的主要任務(wù)。
2.1 燃?xì)馄?/p>
燃?xì)馄囍饕幸夯蜌馄嚭蛪嚎s天然氣汽車。燃?xì)馄囉捎谄渑欧判阅芎?，運(yùn)行成本低、技術(shù)成熟、安全可靠，被世界各國(guó)公認(rèn)為當(dāng)前最理想的替代品。天然氣作為一種儲(chǔ)量豐富干凈可靠的清潔燃料，兼?zhèn)淦筒裼偷膬?yōu)點(diǎn)，具有抗爆性好、自燃溫度高、排放特性好等特點(diǎn)，非常適合作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料使用。與柴油相比，顆粒物和NOx排放非常少，而與汽油相比，HC、NOx和CO2排放較少。因此，加強(qiáng)對(duì)燃?xì)馄嚨难芯?，?duì)緩解石油能源危機(jī)，改善環(huán)境具有重要意義，對(duì)于保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展也具有重大的戰(zhàn)略意義。
2.2 電動(dòng)汽車
電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。電動(dòng)汽車最大的優(yōu)點(diǎn)是只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。但是蓄電池單位重量?jī)?chǔ)存的能量太少，還因電動(dòng)車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購買價(jià)格較貴。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發(fā)展的電源主要有鎳鎘電池、鈉硫電池、燃料電池、鋰電池、飛輪電池等，這些新型電源的應(yīng)用對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。
2.3 混合動(dòng)力汽車
混合動(dòng)力是指在原有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，同時(shí)配以電動(dòng)機(jī)來改善低速動(dòng)力輸出和燃油消耗的車型?；旌蟿?dòng)力主要以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，利用電動(dòng)馬達(dá)所具有的再啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗較大時(shí)，用電動(dòng)馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)的方式來降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗?；旌蟿?dòng)力汽車最大的優(yōu)點(diǎn)就是“零”排放，而且采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率。
2.4 甲醇HCCI燃燒
均質(zhì)壓燃的燃燒方式本身具有熱效率高、NOx 排放低和幾乎零PM排放的優(yōu)點(diǎn)。甲醇來源廣泛，著火界限寬，其氣化速度快和易于形成混合氣的特點(diǎn)，能更好地適應(yīng)HCCI稀薄燃燒及分布式多點(diǎn)著火的工作方式。具有較高的抗爆性能，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比和熱效率。將HCCI燃燒技術(shù)運(yùn)用到甲醇車用發(fā)機(jī)上可滿足節(jié)能減排的要求，但是目前還未能滿足實(shí)際運(yùn)用的要求，如對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI燃燒過程的進(jìn)行控制、拓展其負(fù)荷范圍的方法等。
由此可見，汽車科技在21世紀(jì)的發(fā)展方向就是改善燃燒技術(shù)并且研發(fā)應(yīng)用新能源。在大力改善燃燒技術(shù)的同時(shí)，積極降低替代燃料的生產(chǎn)成本、使用價(jià)格，使新能源發(fā)展為汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來光明的前景。
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