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发动机燃烧技术

一、概述
内燃机的发展已经有一百多年的历史,自从 1876 年奥托发明的第一台火花 点火式发动机和 1892 年迪塞尔发明第一台压燃式发动机以来,由于具有较高的 热效率、比功率和可靠性,内燃机成为了最主要、最理想的船用、工程机械以及 车用动力。 美国机械协会认为汽车是 20 世纪唯一的也是最重要的工程界的成就。 在可以预见的未来,发动机仍然是汽车、机车、轮船、农用机械和工程机械等移 动装置的动力源。 然而随着世界经济的高速发展,促使内燃机的保有量迅速增加,这样能源消 耗以及环境污染问题就日益严重,相应地对内燃机提出了新的技术要求。其中提 高内燃机燃油经济性一直是该领域研究工作者所追求的。 同时保护环境的呼声日益提高,如何降低内燃机的有害排放物,是大家共同 关心重视的课题。一方面,通过机内净化技术,如柴油机采用电控高压共轨喷射 技术,并结合燃烧系统、进排气系统的优化改进,使得整机的排放性能得到极大 的改善; 另一方面, 机外净化技术, 将各种污染物的排放量控制在非常低的水平。 而内燃机的燃烧技术是改善内燃机动力特性、经济性和排放性的本质和关键技 术,当很多研究者对内燃机的燃烧技术进行了研究,为提供内燃机动力特性,降 低排放量提供了技术支持。

二、内燃机燃烧技术介绍
首先是压燃式柴油机燃烧技术,柴油机是典型的压燃式发动机,通过缸内压 缩混合气体到一定压力与温度,使得混合气体自燃,其中预混燃烧量越多,初始 放热率峰值越高,相应地燃烧最高温度就越高,氮氧化物的排放量就增加,其后 接着进行扩散燃烧,燃油与空气边混合边燃烧。因此,传统柴油机需要较高的喷 射压力, 以及适当的空气涡流强度, 保证扩散燃烧充分完成, 以便降低排气烟度。 这种燃烧方式的有点是很明显的,首先是热效率高、燃油经济性好,由于可以采 用较高的压缩比,因此热效率比较高,经济性好。但是其缺点也是很明确的,首 先是其振动噪声大, 由于在上止点前的第一阶段非均质预混合燃烧会引起较高的 压力升高率,因此该种燃烧方式的振动噪音比汽油机的要大,其次,其氮氧化物 的排放量变高,预混合燃烧会引起较高的燃烧温度,且燃烧室的空气比较富裕, 因此, 氮氧化物的排放会较高, 而且由于扩散燃烧的存在可能使得混合气燃烧不 完全,从而使得引起的颗粒物排放比汽油机要高。 其次,是点燃式发动机,这种形式的发动机主要应用于汽油机上,这种燃烧 方式与柴油机相比,汽油机属于典型的预混燃烧,这种燃烧方式有很多的优点, 比如说,工作运转平稳,其在进气行程中燃油就喷入进气管,遮掩燃油与空气有 足够的时间在着火前进行充分地混合,形成基本均匀的可燃混合气,因此汽油机 工作比柴油机要来的平稳, 并且其振动噪声也要比柴油机小很多。更值得一提的 是, 在如今环境保护的大趋势与政策下,汽油机的燃烧方式中氮氧化物与颗粒物 的排放比柴油机低很多,因为基本均匀的预混燃烧,颗粒物的排放比较低。由于 较低的燃烧温度,使得氮氧化物的排放也是比柴油机要低很多的。

三、内燃机燃烧技术的发展

由于人类的大规模活动所造成能源与环境的巨大问题, 促使全球的能源与环 境工作者们开始研究新的技术来满足在新的时期的能源与环境的要求, 内燃机领 域也不例外, 全球的内燃机工作者正在努力探索新的技术以满足新的世纪的能源 与环境的新的发展与要求。目前的具有代表性的柴油机的电控高压共轨喷射技 术、汽油机的缸内直喷技术、进气道喷射技术如此等等的技术日新月异,大放异 彩。 首先,我们要介绍的就是柴油机的高压共轨喷射技术,详细介绍如下,电控 高压共轨系统由高压泵、轨、喷油器、控制电磁阀、各类传感器、电控单元所组 成。燃油经过高压泵增压后送到轨道内,再由轨道通过高压油管送到喷油器。在 喷油器上安装控制喷油时间、 喷油量的电磁阀,该电磁阀的动作有电控单元根据 各个传感器的反馈信号来进行控制。 近几年来发展起来的柴油机高压共轨喷射技术,由于其喷射压力不随负荷、 转速而变动, 在低转速低负荷的时候仍能够维持较高的喷射压力,因此使得柴油 机性能得到大幅度的提高。特别是结合电控技术以后,能够实现灵活的预喷,满 足较高的排放性能要求。 其次, 我们要介绍的是汽油机缸内直喷技术,由于传统汽油机与柴油机相比 较存在节气门,使得泵气损失增加,机械效率降低。为了克服上述缺点,开始了 缸内直喷技术的研究。 由于燃油喷射不在进气管而与柴油机一样改在汽缸内直接 喷射, 因此缸内直喷的汽油机有如下的几个优点:首先是发动机的燃油经济性得 到重大提高,特别是部分负荷的经济性可改善较多;第二点是其瞬态工况改善, 可以降低对加速加浓的要求; 最后一点是二氧化碳与碳氢化合物的排放指标能够 得到改善。 不仅仅是内燃机的燃烧技术得到了巨大的变化与发展, 并且内燃机的燃烧技 术的新的理论也得到了巨大的发展。如近些年来发展出的均质混合燃烧、预混合 稀薄燃烧、MK 燃烧以及均质冲量柴油燃烧等等先进的燃烧技术。

四、内燃机燃烧技术总结与展望
全球内燃机工作者为了改善内燃机的燃油经济性以及排放性能, 正在尝试一 种将压燃式与点燃式发动机的有点结合在一起的一种燃烧方式。 其中预混燃烧方 式近些年来成为了研究热点之一,如果对此种方式与技术进行深入地研究,则有 望在极大程度上解决内燃机排放的难题。 尽管前途是光明的, 但是道路是曲折的, 要解决内燃机燃烧与排放问题, 在实际应用中还有很长的一段路途要走,在工程 应用中也有很多问题亟待解决, 如最高燃烧压力过高,预混气体制备方式与质量 问题, 预混燃烧的适应性问题等等很多问题。 虽然有很多问题摆在所有内燃机燃 烧技术的工作者面前,但是只要我们迎难而上,不畏困难,这些技术上的难题终 究会被我们所克服的,从而迎来内燃机燃烧技术的突飞猛进的变革与发展。

参考文献: [1]. 唐娟、任东军、张成涛,内燃机燃烧技术的研究现状及发展,内燃机与动力 装置,2009 年 01 月;

[2]. 黄佐华、蒋德明,内燃机燃烧研究及面临的挑战,内燃机学报,2008 年 01 月; [3]. 缪雪龙、黄震,内燃机燃烧技术综述,现代车用动力,2006 年 02 月;


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