燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問(wèn)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(dòng)機(jī)的主要研究范圍

燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)主要是將燃料化學(xué)能以燃燒過(guò)程轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一類(lèi)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒、外源點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒以及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒等。對(duì)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(duì)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(chē)輛、船舶以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等供給優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力來(lái)源。依據(jù)相構(gòu)成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒進(jìn)行分類(lèi)，可以主要分成：?jiǎn)蜗嗳紵c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(dòng)機(jī)燃燒與諸多科學(xué)問(wèn)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(guò)程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(cè)量等，材料學(xué)、熱物理學(xué)等。除此之外，由于燃燒過(guò)程會(huì)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(dòng)規(guī)律與大氣科學(xué)直接相關(guān)，對(duì)于人類(lèi)、動(dòng)植物所形成的影響還關(guān)乎毒理學(xué)。

燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)在人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及科技發(fā)展過(guò)程中扮演著十分重要的角色，現(xiàn)代人生產(chǎn)生活活動(dòng)中所應(yīng)用的汽車(chē)、飛機(jī)、輪船以及工程機(jī)械等都需要將燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)作動(dòng)力來(lái)源。應(yīng)該說(shuō)現(xiàn)代文明社會(huì)中所應(yīng)用的各種移動(dòng)工具都將燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要依托，為社會(huì)發(fā)展形成巨大的支撐作用。就社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展層面來(lái)說(shuō)，今后燃燒發(fā)動(dòng)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(wèn)題的增多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程、機(jī)理進(jìn)行深入研究具有至關(guān)重要的意義和社會(huì)價(jià)值。

2 燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相關(guān)的基礎(chǔ)性問(wèn)題

對(duì)燃燒過(guò)程燃燒速率的測(cè)量屬于認(rèn)識(shí)燃燒特性、分析燃燒數(shù)值的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著內(nèi)燃機(jī)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)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(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)性測(cè)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(guò)程一般需要以高溫高壓燃料彈為基礎(chǔ)開(kāi)展，對(duì)液體燃料所具備燃燒速率進(jìn)行測(cè)量的過(guò)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(duì)其燃燒過(guò)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(duì)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(duì)于大部分替代燃料來(lái)講，還處在空白階段。尤其是對(duì)于混合燃料來(lái)說(shuō)，因?yàn)榉蔷€性關(guān)系，無(wú)法簡(jiǎn)單通過(guò)對(duì)單質(zhì)燃燒過(guò)程著火延遲的研究實(shí)現(xiàn)對(duì)混合燃料著火延遲的計(jì)算與分析，需要經(jīng)過(guò)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?？梢岳每焖賶嚎s裝置、激波管等開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)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(dòng)機(jī)未來(lái)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(guò)程之外，還能通過(guò)技術(shù)改進(jìn)降低發(fā)動(dòng)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(mén)以及壓縮比的提升等?；旌蟿?dòng)力的主要優(yōu)勢(shì)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(dòng)機(jī)的推廣與應(yīng)用將進(jìn)一步縮減混合動(dòng)力車(chē)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(wèn)題還未實(shí)現(xiàn)真正解決，不能單純依靠對(duì)燃燒過(guò)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(duì)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(guó)家正在研究用于發(fā)動(dòng)機(jī)的新型燃燒方法，比如無(wú)煙低火焰燃燒，對(duì)燃燒過(guò)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(duì)廢氣再循環(huán)技術(shù)的引入，讓燃燒過(guò)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(shì)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(dòng)機(jī)需要依賴(lài)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(guó)未來(lái)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(guò)植物制取，屬于一種新型可再生燃料。我國(guó)近幾年已經(jīng)開(kāi)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(duì)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(dòng)機(jī)最具研究?jī)r(jià)值和推廣前途的燃料，而氫氣是否可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化利用，其關(guān)鍵在于生產(chǎn)制備。而且，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程控制難度較大，燃燒成本相對(duì)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域最具可行性的一種方式，雖然目前對(duì)于此類(lèi)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)，不會(huì)產(chǎn)生CH4(CH4會(huì)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(lái)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(wú)論對(duì)何種發(fā)動(dòng)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(yǔ)

總而言之，對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的研究仍然是推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)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(duì)其進(jìn)行深入研究，充分參考國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)各行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入源源不斷的動(dòng)力。