淺談發(fā)動(dòng)機(jī)低污染排放控制技術(shù)

陳庭琿

摘要：內(nèi)燃機(jī)早已成為船舶、車輛和熱電廠的主要?jiǎng)恿?。一般?lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性和超低的氮氧化物和顆粒物排放。然而，HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是與火花塞和燃油噴射分離的。這意味著 HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)沒有直接控制自動(dòng)點(diǎn)火提前角和隨后的燃燒階段的機(jī)制。如果沒有根據(jù)工況按時(shí)控制自動(dòng)點(diǎn)火提前角的有效策略，HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)由于冷起動(dòng)問題、高壓比和燃燒噪聲，甚至在高負(fù)荷時(shí)會(huì)發(fā)生后果嚴(yán)重的故障。

關(guān)鍵詞：均質(zhì)充量壓縮（HCCI）;低污染排放;形成機(jī)理;研究;參考價(jià)值

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)低污染排放控制概述

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明促進(jìn)了人類文明和工業(yè)化。工業(yè)化和發(fā)動(dòng)機(jī)人口的同時(shí)增長(zhǎng)，加上礦物資源的消耗，導(dǎo)致燃料價(jià)格上漲[1][2]。石油是歐洲、非洲和美洲的主要燃料，而煤炭是亞太地區(qū)的主要燃料。石油仍然是世界上最主要的燃料，占所有能源消耗的三分之一多一點(diǎn)。目前，以汽油和柴油為主要燃料的石油產(chǎn)品主要用于交通運(yùn)輸約占65%。內(nèi)燃機(jī)在燃料燃燒過程中產(chǎn)生各種排放物和溫室氣體。未燃碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、二氧化碳（CO2）和顆粒物（PM）是廢氣的主要成分。在氮氧化物和陽(yáng)光的存在下，HC和CO反應(yīng)生成地面臭氧，這對(duì)生活環(huán)境是危險(xiǎn)的。自從19世紀(jì)末第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車問世以來(lái)，內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)過110多年的不斷發(fā)展和改進(jìn)，在與蒸汽機(jī)汽車、燃?xì)廨啓C(jī)車等競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)上取得了一席之地。到目前為止，內(nèi)燃機(jī)仍然是熱效率最高、性能最好的發(fā)動(dòng)機(jī)，在汽車動(dòng)力裝置中占有主導(dǎo)地位。發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展為汽車工業(yè)、石油工業(yè)和高速公路的現(xiàn)代化奠定了基礎(chǔ)，改變了能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，使人類社會(huì)獲得了前所未有的繁榮。

但內(nèi)燃機(jī)汽車也有其自身的缺陷，即其尾氣中的有害物質(zhì)嚴(yán)重污染了環(huán)境，危害了人類的健康和植物的生長(zhǎng)。伴隨著世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車保有量大大增加，汽車尾氣又成為主要的城市污染源之一。為了解決這個(gè)問題，自20世紀(jì)70年代初以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，控制汽車排放對(duì)人類生存環(huán)境造成的日益嚴(yán)重的危害。汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)和實(shí)施，迫使汽車行業(yè)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)投入大量的人力、物力進(jìn)行研究，以減少各種尾氣排放物質(zhì)對(duì)環(huán)境的危害。

隨著越來(lái)越多的傳統(tǒng)化石燃料的消耗和運(yùn)輸部門和發(fā)電廠嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)界探索了許多有效的技術(shù)和控制策略，以提高有效效率和減少內(nèi)燃機(jī)的排放[3]。毫無(wú)疑問，混合動(dòng)力汽車（HEV），純電動(dòng)汽車（pem）和燃料電池汽車（FCV）在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都得到了迅猛發(fā)展。然而，電池壽命、充電站和里程的限制可能會(huì)讓一些消費(fèi)者望而卻步，直到一個(gè)全面的基礎(chǔ)設(shè)施到位。不可否認(rèn)，在未來(lái)幾十年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍然是客車，尤其是重型運(yùn)輸車輛的主要?jiǎng)恿ρb置。

另外，在未來(lái)幾十年里，燃料消耗將大大減少。為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)和經(jīng)濟(jì)需求，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，如壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)和火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，需要配備精密的后處理系統(tǒng)，就像一個(gè)微型的“化學(xué)工廠”來(lái)轉(zhuǎn)化有毒廢氣。因此，排氣再循環(huán)（EGR）、三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）和特殊過濾器（PF）被廣泛應(yīng)用于汽油機(jī)，而EGR、柴油氧化催化劑（DOC）、選擇性催化還原（SCR）、柴油特殊過濾器（DPF）則被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)。顯然，內(nèi)燃機(jī)排放轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的復(fù)雜性及其成本過高。

2? HCCI尾氣排放控制技術(shù)分析

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速的主要原因是對(duì)排放氣體控制要求更加嚴(yán)格，以及需要降低燃料消耗。這項(xiàng)發(fā)展是基于對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)、新技術(shù)的發(fā)明和實(shí)施。

2.1 均質(zhì)壓燃著火時(shí)間和燃燒階段的基本規(guī)律

在點(diǎn)火時(shí)間方面，在均質(zhì)壓燃內(nèi)燃機(jī)中，確保在氣缸內(nèi)的每個(gè)循環(huán)中，在合適的曲軸轉(zhuǎn)角下，無(wú)論混合氣狀況如何變化，都能可靠地重復(fù)點(diǎn)火，是一個(gè)極其困難和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。由于點(diǎn)火時(shí)間和燃燒階段取決于混合氣的理化性質(zhì)、氣缸內(nèi)的時(shí)空溫度歷史、邊界條件和發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件。如果自動(dòng)點(diǎn)火發(fā)生在上止點(diǎn)之前過早，反應(yīng)速度會(huì)加快，燃燒峰值和壓力上升速度也會(huì)加快。而如果自動(dòng)點(diǎn)火發(fā)生在上止點(diǎn)之后，則會(huì)延長(zhǎng)燃燒持續(xù)時(shí)間和燃燒過程中的高循環(huán)變動(dòng)。光學(xué)調(diào)查表明，自燃發(fā)生在整個(gè)燃燒室的不同地點(diǎn)的多個(gè)點(diǎn)，在整個(gè)燃燒過程中沒有觀察到可辨別的火焰前沿和傳播[1]。

此外，在汽缸內(nèi)采用光譜法測(cè)定了自燃前甲醛（CH2O）、過氧化氫（H2O2）和氧自由基的高水平中間態(tài)。顯然，這些中間產(chǎn)物是通過低溫自燃化學(xué)反應(yīng)從較大的石蠟基碳?xì)淙剂现蟹蛛x出來(lái)的。氫燃料的氧化過程主要通過低溫和高溫反應(yīng)路徑進(jìn)行。近年來(lái)，通過先進(jìn)的激光診斷和計(jì)算量子化學(xué)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)界對(duì)碳?xì)淙剂涎趸瘷C(jī)理和自燃化學(xué)過程有了更深入的了解。在點(diǎn)火的過程中，烷基自由基在低溫反應(yīng)過程中起主導(dǎo)作用，引發(fā)一系列反應(yīng)，產(chǎn)生多種含氧產(chǎn)物。隨后，高溫燃燒過程中的示蹤產(chǎn)物自燃后出現(xiàn)了高濃度的甲基苯、氫和羥基自由基。這些中介物質(zhì)是由熱分解反應(yīng)產(chǎn)生的[2]。

而在燃燒期，通過改變氣缸內(nèi)均質(zhì)燃料的時(shí)間-溫度歷史和改變混合氣的反應(yīng)性，基本上可以控制HCCI燃燒相位。在燃燒室中，燃燒速率和燃燒壓力上升速率是燃燒階段非常重要的參數(shù)。高的壓力上升速率會(huì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲學(xué)振蕩，并伴隨著乒乓聲，這很容易引發(fā)爆震燃燒，導(dǎo)致不可接受的噪音和可能的發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。這是由于HCCI燃燒模式基本上與火花塞和燃油噴射脫鉤。燃用不同碳?xì)淙剂系腍CCI燃燒模式表現(xiàn)出單級(jí)或兩級(jí)燃燒特性。低辛烷值碳?xì)淙剂暇哂械湫偷膬呻A段燃燒特性，如正庚烷、一級(jí)參考燃料80（prf80，含80%異辛烷和20%正庚烷）和二甲醚（DME），而高辛烷值碳?xì)淙剂先缫掖蓟虍愋镣閯t具有單階段燃燒特性。燃用不同辛烷值燃料的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)具有典型的單級(jí)和兩級(jí)燃燒特性[3]。一方面，可以調(diào)節(jié)和控制具有兩級(jí)燃燒特性的碳?xì)淙剂系牡谝患?jí)著火延遲，有利于優(yōu)化燃燒階段，限制燃燒壓力上升速率，特別是在高負(fù)荷區(qū)。另一方面，單級(jí)著火的碳?xì)淙剂峡梢砸种苹驕p緩化學(xué)動(dòng)力學(xué)速率，有利于延緩燃燒階段。因此，將碳?xì)淙剂吓c單級(jí)和兩級(jí)燃燒行為耦合，可以顯著延長(zhǎng)自燃事件的持續(xù)時(shí)間，有利于控制自燃點(diǎn)火時(shí)間，降低熱釋放峰值，減緩燃燒速率。

本文采用甲烷在壓縮機(jī)中的燃燒作為示例進(jìn)行深入分析與研究，沼氣燃燒發(fā)生在低濃度，表示該模型中使用了過量氧化劑。

2.2 燃料管理策略

燃料管理包括使用不同反應(yīng)性燃料、調(diào)整燃料組成和采用噴油策略。首先，研究人員和工程師對(duì)高/低反應(yīng)性燃料和非反應(yīng)性流體的各種組合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，以創(chuàng)建反應(yīng)性差異或分布在汽缸內(nèi)控制自動(dòng)點(diǎn)火提前和優(yōu)化燃燒階段，除了解決高壓力上升率和甚至操作范圍的限制。此外，在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛采用改變?nèi)剂辖M成和在原燃料中添加添加劑的方法進(jìn)行試驗(yàn)。采用燃油噴射策略也是控制自動(dòng)點(diǎn)火正時(shí)的一種有效方法。燃料管理是控制HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)自燃點(diǎn)火提前角和燃燒階段的有效策略。在HCCI燃燒應(yīng)用中，高活性燃料與低活性燃料的反應(yīng)性差異對(duì)控制燃燒相和優(yōu)化放熱曲線起著至關(guān)重要的作用。它可以大致分為兩類：整體反應(yīng)性和反應(yīng)性分層。整體反應(yīng)性在很大程度上取決于燃料具有高揮發(fā)性、易汽化和混合物形成等特性（這些特性在自燃發(fā)生之前被用來(lái)形成均質(zhì)燃料）。在這種模式下，使用外部混合物制備形成均勻混合物，如燃料蒸發(fā)器/混合器/重整裝置/pfi。為了研究均質(zhì)壓燃（HCCI）燃燒過程中整體反應(yīng)性的影響。分析選定組件的摩爾分?jǐn)?shù)和曲軸角度之間的關(guān)系。前者的反應(yīng)中含有0.13%的甲醛，而后者的反應(yīng)中僅模擬純凈的甲烷。

本文對(duì)兩種情況進(jìn)行了調(diào)整，使點(diǎn)火過程接近上止點(diǎn)，并以兩種成分濃度為基準(zhǔn)進(jìn)行比較。比較兩種方法的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)CH2O可以促進(jìn)HO2和H2O2的形成，這個(gè)過程又可以促進(jìn)OH自由基的產(chǎn)生，而OH自由基是加速燃料燃燒的關(guān)鍵因素。在本文的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)比了不同正丁醇-汽油混合燃料HCCI的燃燒特性。選用純度為99.7%正丁醇（BU100）的93無(wú)鉛汽油（BU0）作為基本燃料，燃料性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

然而，反應(yīng)性分層更加靈活，總是與多次注射、排氣再循環(huán)或再次呼吸相結(jié)合。在這種模式下，純粹通過利用 PFI形成低反應(yīng)性燃料的稀薄或化學(xué)計(jì)量均質(zhì)混合氣，直接在缸內(nèi)噴入高反應(yīng)性或非反應(yīng)性燃料控制自燃和燃燒階段來(lái)確定燃料分層，充分利用噴霧滲透及其與夾帶和混合氣的相互作用。汽缸中的混合燃料通常是由低反應(yīng)性燃料（如汽油，酒精和其他替代燃料）的端口燃料噴射和高反應(yīng)性燃料（如柴油，生物柴油）的優(yōu)化單次或多次直接噴射組合而成。

另外，在壓縮沖程后期，柴油和汽油之間采用具有自燃特性的燃料直接噴射。這種燃料/噴射策略組合不僅可以產(chǎn)生貧油或等效空燃比，而且可以根據(jù)負(fù)載和速度改變汽缸中低反應(yīng)性和高反應(yīng)性燃料的噴射量（形成反應(yīng)性分層），逐個(gè)循環(huán)地調(diào)整燃料反應(yīng)性循環(huán)。隨后，燃燒順序從高反應(yīng)性區(qū)域（高十六烷值）發(fā)展到低反應(yīng)性區(qū)域（高辛烷值），使得這些燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)對(duì)熱釋放率有顯著的影響。燃燒相和燃燒壓力上升速率主要由負(fù)溫度系數(shù)的 LTHR控制，而高溫高壓燃燒則嚴(yán)重依賴于預(yù)混合燃料。具有兩段著火特性的燃料對(duì)于優(yōu)化燃燒相和放熱速率、擴(kuò)大負(fù)荷范圍和避免爆震有著重要的作用。此外，反應(yīng)性分層可能有助于減輕燃燒噪音。

3? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要討論了控制策略對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)點(diǎn)火提前角和燃燒階段的影響。每一種控制策略都在不同的部分進(jìn)行了詳細(xì)的討論。最終得出的結(jié)論在于在 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了在較寬的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)工作，通常采用不同的控制策略相結(jié)合的方式來(lái)控制自動(dòng)點(diǎn)火提前角和優(yōu)化燃燒階段。

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