車用內燃機節能環保技術的研究進展

許建民 任恒山

[摘要]詳細分析和討論近幾年來為適應環保和節能需要，車用內燃機在汽油直噴燃燒技術、柴油機高壓共軌電子控制燃油噴射技術、代用清潔燃料和均質充量壓縮點火(HCCI)燃燒技術等幾方面取得的技術進展和尚未解決的問題。

[關鍵詞]內燃機環保節能

中圖分類號：TK4文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020150--01

隨著石油能源短缺和世界各國排放法規的逐步加嚴，為適應當前節能和件排放的需要，在車用內燃機上出現了許多新的技術。其中目前最具代表性的先進技術有：(1)柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術；(2)汽油直噴燃燒技術(GDI)i(3)代用清潔燃料的研究；(4)均質充量壓縮點火(HCCI)燃燒技術。下面就以上4項技術的研究現狀及進展作一些介紹。

一、柴油機高壓共軌電控燃油噴射技術

共軌電噴技術是指在高壓油泵、壓力傳感器和電子控制裝置(ECU)組成的閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。它是由高壓油泵將高壓燃油輸送到公共供油管，通過公共供油管內的油壓實現精確控制，使高壓油管壓力大小與發動機的轉速無關，可以大幅度減小柴油機供油壓力隨發動機轉速變化的程度，因此，也就減少了傳統柴油機的缺陷。ECU控制噴油器的噴油量，其大小取決于燃油軌道(公共供油管)壓力和電磁閥開啟時間的長短。目前，這項技術的研究的重點是：(1)高壓共軌系統的恒高壓密封問題；(2)高壓共軌系統中共軌壓力的微小波動所造成的噴油量控制數據的優化問題；(3)高壓共軌系統三維控制數據的優化問題；(4)微結構、高頻響電磁開關閥涉及與制造過程中的關鍵技術問題。

二、清潔代用燃料

近幾十年來，國內外在努力降低作為汽車主流動力的汽油機和柴油機的排放污染的同時，也在不懈地探索和研究開發更理想的動力系統和排放污染更低的代用燃料。這些研究的目的，不僅是為了降低汽車排氣污染，也是為了節省能源和開發新的汽車能源，以緩解汽車對石油燃料的單純依賴。清潔燃料可以分為[1]:1，如常規燃料的變型產品：如，新配方汽油(RFG)，新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等。2，氣體燃料：如，天然氣(NG)，壓縮天然氣(cNG)，液化天然氣(LNG)，氨(NH3)，H2，石油液化氣(LPG，其主要成份為丙烷)等。3，在天然氣，煤基礎上生產的燃料。如FTL(FT油，甲醇，和醚類燃料(如二甲醚DME；二乙醚DEE等)。4、由玉米，草木類植物，含碳廢棄物提煉的生物乙醇。5，由花生油，菜子油等生產的生物柴油。

三、缸內直接噴射技術(GDI)

缸內直噴汽油機是在部分負荷時用混合氣的分層化實現超稀薄燃燒，得到同柴油機一樣低的燃油消耗率；在高負荷時用預混合汽油機的均勻混合，得到高功率特性的理想汽油機。目前，發動機缸內直接噴射(GDI，gasoline direct injection)技術已有少量機型出現，歐洲市場還有一些直噴發動機系統。如福特公司開發的PROCO稀燃系統，三菱4G系列缸內直噴稀燃發動機和豐田D一4缸內直噴稀燃發動機[2]。

GDI面臨的主要排放問題是UBHC(unburned hydrocarbons發動機中未燃盡的碳氫化合物)和NOx。由于GDI油氣的混合主要是依靠噴霧和缸內的空氣運動，與冷起動時的低溫關系不大，所以冷起動時無需過量供油，有效地解決了PFI(電噴汽油機)冷起動時UBHC排放過多的問題。但是GDI在中小負荷的情況下，其未燃碳氫化合物的排放仍然較多。目前，GDI對NOX排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOX催化轉化器，其中后者的發展有著深遠的影響。部分負荷不使用EGR時，GDI~NOx的排放水平與PFI相差不多。但由于GDI可實現超稀薄分層燃燒，較稀的空燃比使得缸內的富裕氧氣較多，從而允許使用高的EGR率，充分降低NOx排放量，并且燃燒特性不會因為EGR而惡化。據試驗表明[3，4]，在燃油經濟性改善保持不變的情況下，GDI的EGR可高達40％。雖然如此，但EGR始終還是不能在整個發動機轉速負荷范圍內減少NOx排放量，所以單靠EGR是不能滿足更為嚴格的EuroⅢ和EuroIV排放法規的，進一步降低NOx排放就必需開發在稀燃條件下的NOX催化轉化技術[3，4]。

四、均質混合氣壓燃(BCCl)

均質充量壓縮著火(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃燒方式，被人們稱為內燃機的第三種燃燒方式，這是當前內燃機燃燒的一個研究熱點[5]，它最有希望在近期以兩種燃燒方式(dualmode)的組合(即在起動和高負荷時以火花點火(SI)方式或柴油機燃燒(DI)運轉，在中、低負荷和怠速時以HCCI方式工作)在轎車發動機上應用，從而獲得和汽油機一樣的高功率輸出和低PM排放，以及在部分負荷(可達75％負荷)和怠速獲得和柴油機一樣或更高的經濟性，但NOx排放很低[6]。

采用均質壓燃可以使排氣中氮氧化物的含量急劇下降至百萬分之幾。這是由于均質壓燃可以使用非常稀的混合氣，使燃氣的最高溫度不超過1600℃。在此溫度以下，空氣中的氮氣和氧氣不進行化合反應或者化合反應速度非常低。排氣中超低的氮氧化物含量減輕了稀薄燃燒排氣后處理的困難。在較高負荷工況，供油量增加，空燃比下降。當燃氣溫度升高到1600℃以上，氨氧化物的排放開始急劇升高[7]。為了抑制氮氧化物的生成，可采用進氣增壓來提高混合氣的空燃比。

五、結論

發動機節能和減排是當前汽車工業的研究主題，上述幾項新技術的出現對實現汽車的環保節能起到了非常重要的作用。但是這些新技術還存在著許多亟待解決的問題。尤其對于我國的內燃機工作者，迫切需要解決的問題是完全掌握柴油機高壓共軌系統、缸內汽車直噴技術和均勻充氣壓縮著火技術的關鍵技術，并根據我國的能源特點研究開發新型的適合國情的代用清潔燃料。