燃燒發動機的發展趨勢及面臨的問題

陳海倫

(汕尾職業技術學院，廣東 汕尾 516600)

1 燃燒發動機的主要研究范圍

燃燒發動機主要是將燃料化學能以燃燒過程轉化為機械能的一類動力裝置，屬于實際工程領域對燃燒科學的具體應用，從屬于工程熱物理學。其研究范圍包括壓燃式發動機燃燒、外源點火式發動機燃燒以及燃氣輪機燃燒等。對其加以研究的目的在于怎樣在提高燃燒效率的同時降低對環境的污染，促進燃燒裝置熱能轉換率的提升，產出適合各種燃料的應用裝置，為車輛、船舶以及工農業生產等供給優質的動力來源。依據相構成對發動機燃燒進行分類，可以主要分成：單相燃燒與多相燃燒；依據燃燒形式則可分成單一預混燃燒、單一擴散燃燒以及預混/擴散并存燃燒等。發動機燃燒與諸多科學問題之間具有密切的聯系，比如數學學科中的數學模型、物理學科中的混合氣形成與燃燒蒸發，化學學科中的著火過程和化學反應動力學、力學中的結構力學和材料力學等，光學中的光學成像與激光測量等，材料學、熱物理學等。除此之外，由于燃燒過程會產生一定量的污染物，繼而在大氣中逐步擴散，其運動規律與大氣科學直接相關，對于人類、動植物所形成的影響還關乎毒理學。

燃燒發動機在人類社會、經濟以及科技發展過程中扮演著十分重要的角色，現代人生產生活活動中所應用的汽車、飛機、輪船以及工程機械等都需要將燃燒發動機當作動力來源。應該說現代文明社會中所應用的各種移動工具都將燃燒發動機作為主要依托，為社會發展形成巨大的支撐作用。就社會經濟發展層面來說，今后燃燒發動機的應用范圍和數量將進一步拓展，必將導致能源消耗和環境污染問題的增多，對發動機燃燒過程、機理進行深入研究具有至關重要的意義和社會價值。

2 燃燒發動機的發展趨勢

2.1 發動機燃燒相關的基礎性問題

對燃燒過程燃燒速率的測量屬于認識燃燒特性、分析燃燒數值的關鍵性數據。近年來，隨著內燃機相關應用技術的發展，越來越多新型燃料投入使用，但關于燃燒速率方面的研究還顯得不夠健全，亟待開展相關基礎性測量與研究工作。尤其是與混合燃料相關的燃燒速率數據基本上處于空白狀態。研究過程一般需要以高溫高壓燃料彈為基礎開展，對液體燃料所具備燃燒速率進行測量的過程中，要先實現蒸發，以獲得氣體狀態，才能進行具體研究。內燃機燃料的著火延遲同樣是對其燃燒過程加以控制的關鍵參數，屬于HCCI燃燒方式十分重要的數據內容。對于一些常規燃料，目前已經形成了關于其著火延遲的實驗數據與經驗公式，但是對于大部分替代燃料來講，還處在空白階段。尤其是對于混合燃料來說，因為非線性關系，無法簡單通過對單質燃燒過程著火延遲的研究實現對混合燃料著火延遲的計算與分析，需要經過大量實驗研究獲取在不同當量比、溫度以及壓力條件下的數據內容。通常可以利用快速壓縮裝置、激波管等開展相關實驗測量工作。湍流燃燒被引入內燃機研究領域以提升熱效率，同時改善燃燒過程，可以利用燃燒彈裝置以及光學發電機進行相關研究，比如分析分層混合氣條件下火核形成及火焰發展、在多次噴射狀態下預混與分層組合燃燒等。

2.2 燃燒發動機未來的研究重點

汽油內燃機指標熱效率可以在現有技術的基礎之上提高約8%，除了改善燃燒過程之外，還能通過技術改進降低發動機的摩擦磨損。而促進技術發展的方法具有綜合性特征，主要研究領域包括直噴汽油機、可變氣門以及壓縮比的提升等。混合動力的主要優勢在于低負荷、運行經濟性強、污染物排放較少。HCCI發動機的推廣與應用將進一步縮減混合動力車的實際應用范圍，這是因為在達到同等效果的基礎之上，HCCI發動機的實際價格要更加低廉。

柴油內燃機指標熱效率可以在現有技術的基礎之上提高約7%，且發動機磨損也可進一步降低。而具體措施主要包括增壓、燃燒過程控制、應用HCCI燃燒方式等。目前，與柴油機相關的NOx/PM問題還未實現真正解決，不能單純依靠對燃燒過程的研究，關鍵在于后處理技術(比如電控SCR+DPF)的集成，SCR中所應用的尿素能夠縮減20～100nm粒徑顆粒的產生，對改善生態環境能夠起到良好的促進作用。

目前，一些發達國家正在研究用于發動機的新型燃燒方法，比如無煙低火焰燃燒，對燃燒過程的溫度(小于1700K)加以控制，應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，利用對廢氣再循環技術的引入，讓燃燒過程處于缺氧環境(氧氣含量為5%～8%)。這種燃燒方式最為顯著的優勢在于：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發動機需要依賴2種燃料進行燃燒的缺點。

生物乙醇和低硫柴油屬于我國未來的研究重點。生物乙醇主要利用微生物技術或者生物化學技術通過植物制取，屬于一種新型可再生燃料。我國近幾年已經開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劑，還能有效縮減石油燃料的實際消耗量。而對乙醇柴油(要添入適量助溶劑)的應用則能有效縮減柴油機碳煙的排放量。

氫氣屬于應用于燃燒發動機最具研究價值和推廣前途的燃料，而氫氣是否可以實現規模化利用，其關鍵在于生產制備。而且，燃氫發動機的燃燒過程控制難度較大，燃燒成本相對較高，若想實現規模化利用還需要進行更為深入地研究。天然氣摻氫屬于將氫氣應用于發動機領域最具可行性的一種方式，雖然目前對于此類發動機呈現出一些研究，但與推廣使用還有較大的距離。

柴油機+CRT模式的污染物排放要好于氣體發動機，不會產生CH4(CH4會造成嚴重的溫室效應現象，其作用效果為CO2的21倍)。在未來一段時間之內，關于內燃機燃燒方面的研究重點依然是汽油機與柴油機燃燒，而新型燃燒方式則是今后的主要研究方向。無論對何種發動機的研發，都需要將燃燒與排放看作有機的整體進行分析，促進內燃機燃燒效率的進一步提升。

3 結束語

總而言之，對內燃機燃燒效率的研究仍然是推動人類社會發展的焦點之一，值得廣大科研人員投入更多時間和精力對其進行深入研究，充分參考國外先進技術，促進各行業發展和進步，為國家經濟發展注入源源不斷的動力。