车用内燃机节能环保技术的研究进展

许建民 任恒山

[摘要]详细分析和讨论近几年来为适应环保和节能需要，车用内燃机在汽油直喷燃烧技术、柴油机高压共轨电子控制燃油喷射技术、代用清洁燃料和均质充量压缩点火(HCCI)燃烧技术等几方面取得的技术进展和尚未解决的问题。

[关键词]内燃机环保节能

中图分类号：TK4文献标识码：A文章编号：1671—7597(2009)1020150--01

随着石油能源短缺和世界各国排放法规的逐步加严，为适应当前节能和件排放的需要，在车用内燃机上出现了许多新的技术。其中目前最具代表性的先进技术有：(1)柴油机高压共轨电控燃油喷射技术；(2)汽油直喷燃烧技术(GDI)i(3)代用清洁燃料的研究；(4)均质充量压缩点火(HCCI)燃烧技术。下面就以上4项技术的研究现状及进展作一些介绍。

一、柴油机高压共轨电控燃油喷射技术

共轨电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制装置(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速变化的程度，因此，也就减少了传统柴油机的缺陷。ECU控制喷油器的喷油量，其大小取决于燃油轨道(公共供油管)压力和电磁阀开启时间的长短。目前，这项技术的研究的重点是：(1)高压共轨系统的恒高压密封问题；(2)高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量控制数据的优化问题；(3)高压共轨系统三维控制数据的优化问题；(4)微结构、高频响电磁开关阀涉及与制造过程中的关键技术问题。

二、清洁代用燃料

近几十年来，国内外在努力降低作为汽车主流动力的汽油机和柴油机的排放污染的同时，也在不懈地探索和研究开发更理想的动力系统和排放污染更低的代用燃料。这些研究的目的，不仅是为了降低汽车排气污染，也是为了节省能源和开发新的汽车能源，以缓解汽车对石油燃料的单纯依赖。清洁燃料可以分为[1]:1，如常规燃料的变型产品：如，新配方汽油(RFG)，新配方柴油(RFD)或低硫柴油(LSD)等。2，气体燃料：如，天然气(NG)，压缩天然气(cNG)，液化天然气(LNG)，氨(NH3)，H2，石油液化气(LPG，其主要成份为丙烷)等。3，在天然气，煤基础上生产的燃料。如FTL(FT油，甲醇，和醚类燃料(如二甲醚DME；二乙醚DEE等)。4、由玉米，草木类植物，含碳废弃物提炼的生物乙醇。5，由花生油，菜子油等生产的生物柴油。

三、缸内直接喷射技术(GDI)

缸内直喷汽油机是在部分负荷时用混合气的分层化实现超稀薄燃烧，得到同柴油机一样低的燃油消耗率；在高负荷时用预混合汽油机的均匀混合，得到高功率特性的理想汽油机。目前，发动机缸内直接喷射(GDI，gasoline direct injection)技术已有少量机型出现，欧洲市场还有一些直喷发动机系统。如福特公司开发的PROCO稀燃系统，三菱4G系列缸内直喷稀燃发动机和丰田D一4缸内直喷稀燃发动机[2]。

GDI面临的主要排放问题是UBHC(unburned hydrocarbons发动机中未燃尽的碳氢化合物)和NOx。由于GDI油气的混合主要是依靠喷雾和缸内的空气运动，与冷起动时的低温关系不大，所以冷起动时无需过量供油，有效地解决了PFI(电喷汽油机)冷起动时UBHC排放过多的问题。但是GDI在中小负荷的情况下，其未燃碳氢化合物的排放仍然较多。目前，GDI对NOX排放的控制主要依靠EGR和稀燃NOX催化转化器，其中后者的发展有着深远的影响。部分负荷不使用EGR时，GDI~NOx的排放水平与PFI相差不多。但由于GDI可实现超稀薄分层燃烧，较稀的空燃比使得缸内的富裕氧气较多，从而允许使用高的EGR率，充分降低NOx排放量，并且燃烧特性不会因为EGR而恶化。据试验表明[3，4]，在燃油经济性改善保持不变的情况下，GDI的EGR可高达40％。虽然如此，但EGR始终还是不能在整个发动机转速负荷范围内减少NOx排放量，所以单靠EGR是不能满足更为严格的EuroⅢ和EuroIV排放法规的，进一步降低NOx排放就必需开发在稀燃条件下的NOX催化转化技术[3，4]。

四、均质混合气压燃(BCCl)

均质充量压缩着火(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃烧方式，被人们称为内燃机的第三种燃烧方式，这是当前内燃机燃烧的一个研究热点[5]，它最有希望在近期以两种燃烧方式(dualmode)的组合(即在起动和高负荷时以火花点火(SI)方式或柴油机燃烧(DI)运转，在中、低负荷和怠速时以HCCI方式工作)在轿车发动机上应用，从而获得和汽油机一样的高功率输出和低PM排放，以及在部分负荷(可达75％负荷)和怠速获得和柴油机一样或更高的经济性，但NOx排放很低[6]。

采用均质压燃可以使排气中氮氧化物的含量急剧下降至百万分之几。这是由于均质压燃可以使用非常稀的混合气，使燃气的最高温度不超过1600℃。在此温度以下，空气中的氮气和氧气不进行化合反应或者化合反应速度非常低。排气中超低的氮氧化物含量减轻了稀薄燃烧排气后处理的困难。在较高负荷工况，供油量增加，空燃比下降。当燃气温度升高到1600℃以上，氨氧化物的排放开始急剧升高[7]。为了抑制氮氧化物的生成，可采用进气增压来提高混合气的空燃比。

五、结论

发动机节能和减排是当前汽车工业的研究主题，上述几项新技术的出现对实现汽车的环保节能起到了非常重要的作用。但是这些新技术还存在着许多亟待解决的问题。尤其对于我国的内燃机工作者，迫切需要解决的问题是完全掌握柴油机高压共轨系统、缸内汽车直喷技术和均匀充气压缩着火技术的关键技术，并根据我国的能源特点研究开发新型的适合国情的代用清洁燃料。