浅谈发动机低污染排放控制技术

陈庭珲

摘要：内燃机早已成为船舶、车辆和热电厂的主要动力。一般来说，与传统的内燃机相比，均质压燃发动机具有优越的燃油经济性和超低的氮氧化物和颗粒物排放。然而，HCCI 发动机本质上是与火花塞和燃油喷射分离的。这意味着 HCCI 发动机没有直接控制自动点火提前角和随后的燃烧阶段的机制。如果没有根据工况按时控制自动点火提前角的有效策略，HCCI 发动机由于冷起动问题、高压比和燃烧噪声，甚至在高负荷时会发生后果严重的故障。

关键词：均质充量压缩（HCCI）;低污染排放;形成机理;研究;参考价值

1  发动机低污染排放控制概述

内燃机的发明促进了人类文明和工业化。工业化和发动机人口的同时增长，加上矿物资源的消耗，导致燃料价格上涨[1][2]。石油是欧洲、非洲和美洲的主要燃料，而煤炭是亚太地区的主要燃料。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点。目前，以汽油和柴油为主要燃料的石油产品主要用于交通运输约占65%。内燃机在燃料燃烧过程中产生各种排放物和温室气体。未燃碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、二氧化碳（CO2）和颗粒物（PM）是废气的主要成分。在氮氧化物和阳光的存在下，HC和CO反应生成地面臭氧，这对生活环境是危险的。自从19世纪末第一台内燃机车问世以来，内燃机汽车经过110多年的不断发展和改进，在与蒸汽机汽车、燃气轮机车等竞争激烈的市场上取得了一席之地。到目前为止，内燃机仍然是热效率最高、性能最好的发动机，在汽车动力装置中占有主导地位。发动机的发展为汽车工业、石油工业和高速公路的现代化奠定了基础，改变了能源生产和消费结构，极大地推动了现代工业的发展，使人类社会获得了前所未有的繁荣。

但内燃机汽车也有其自身的缺陷，即其尾气中的有害物质严重污染了环境，危害了人类的健康和植物的生长。伴随着世界上工业发达的国家经济的不断发展，汽车保有量大大增加，汽车尾气又成为主要的城市污染源之一。为了解决这个问题，自20世纪70年代初以来，发达国家纷纷制定汽车排放标准，控制汽车排放对人类生存环境造成的日益严重的危害。汽车尾气排放标准的出台和实施，迫使汽车行业及相关研究机构投入大量的人力、物力进行研究，以减少各种尾气排放物质对环境的危害。

随着越来越多的传统化石燃料的消耗和运输部门和发电厂严格的排放标准，发动机界探索了许多有效的技术和控制策略，以提高有效效率和减少内燃机的排放[3]。毫无疑问，混合动力汽车（HEV），纯电动汽车（pem）和燃料电池汽车（FCV）在发达国家和发展中国家都得到了迅猛发展。然而，电池寿命、充电站和里程的限制可能会让一些消费者望而却步，直到一个全面的基础设施到位。不可否认，在未来几十年内，内燃机仍然是客车，尤其是重型运输车辆的主要动力装置。

另外，在未来几十年里，燃料消耗将大大减少。为了满足严格的排放法规和经济需求，传统的内燃机，如压缩点火发动机和火花点火发动机，需要配备精密的后处理系统，就像一个微型的“化学工厂”来转化有毒废气。因此，排气再循环（EGR）、三元催化转化器（TWC）和特殊过滤器（PF）被广泛应用于汽油机，而EGR、柴油氧化催化剂（DOC）、选择性催化还原（SCR）、柴油特殊过滤器（DPF）则被广泛应用于柴油机。显然，内燃机排放转换系统的复杂性及其成本过高。

2  HCCI尾气排放控制技术分析

柴油发动机发展迅速的主要原因是对排放气体控制要求更加严格，以及需要降低燃料消耗。这项发展是基于对现有系统的改进、新技术的发明和实施。

2.1 均质压燃着火时间和燃烧阶段的基本规律

在点火时间方面，在均质压燃内燃机中，确保在气缸内的每个循环中，在合适的曲轴转角下，无论混合气状况如何变化，都能可靠地重复点火，是一个极其困难和具有挑战性的任务。由于点火时间和燃烧阶段取决于混合气的理化性质、气缸内的时空温度历史、边界条件和发动机工作條件。如果自动点火发生在上止点之前过早，反应速度会加快，燃烧峰值和压力上升速度也会加快。而如果自动点火发生在上止点之后，则会延长燃烧持续时间和燃烧过程中的高循环变动。光学调查表明，自燃发生在整个燃烧室的不同地点的多个点，在整个燃烧过程中没有观察到可辨别的火焰前沿和传播[1]。

此外，在汽缸内采用光谱法测定了自燃前甲醛（CH2O）、过氧化氢（H2O2）和氧自由基的高水平中间态。显然，这些中间产物是通过低温自燃化学反应从较大的石蜡基碳氢燃料中分离出来的。氢燃料的氧化过程主要通过低温和高温反应路径进行。近年来，通过先进的激光诊断和计算量子化学分析，发动机界对碳氢燃料氧化机理和自燃化学过程有了更深入的了解。在点火的过程中，烷基自由基在低温反应过程中起主导作用，引发一系列反应，产生多种含氧产物。随后，高温燃烧过程中的示踪产物自燃后出现了高浓度的甲基苯、氢和羟基自由基。这些中介物质是由热分解反应产生的[2]。

而在燃烧期，通过改变气缸内均质燃料的时间-温度历史和改变混合气的反应性，基本上可以控制HCCI燃烧相位。在燃烧室中，燃烧速率和燃烧压力上升速率是燃烧阶段非常重要的参数。高的压力上升速率会在汽缸内产生强烈的声学振荡，并伴随着乒乓声，这很容易引发爆震燃烧，导致不可接受的噪音和可能的发动机损坏。这是由于HCCI燃烧模式基本上与火花塞和燃油喷射脱钩。燃用不同碳氢燃料的HCCI燃烧模式表现出单级或两级燃烧特性。低辛烷值碳氢燃料具有典型的两阶段燃烧特性，如正庚烷、一级参考燃料80（prf80，含80%异辛烷和20%正庚烷）和二甲醚（DME），而高辛烷值碳氢燃料如乙醇或异辛烷则具有单阶段燃烧特性。燃用不同辛烷值燃料的HCCI发动机具有典型的单级和两级燃烧特性[3]。一方面，可以调节和控制具有两级燃烧特性的碳氢燃料的第一级着火延迟，有利于优化燃烧阶段，限制燃烧压力上升速率，特别是在高负荷区。另一方面，单级着火的碳氢燃料可以抑制或减缓化学动力学速率，有利于延缓燃烧阶段。因此，将碳氢燃料与单级和两级燃烧行为耦合，可以显著延长自燃事件的持续时间，有利于控制自燃点火时间，降低热释放峰值，减缓燃烧速率。

本文采用甲烷在压缩机中的燃烧作为示例进行深入分析与研究，沼气燃烧发生在低浓度，表示该模型中使用了过量氧化剂。

2.2 燃料管理策略

燃料管理包括使用不同反应性燃料、调整燃料组成和采用喷油策略。首先，研究人员和工程师对高/低反应性燃料和非反应性流体的各种组合进行了实验和数值研究，以创建反应性差异或分布在汽缸内控制自动点火提前和优化燃烧阶段，除了解决高压力上升率和甚至操作范围的限制。此外，在HCCI发动机上广泛采用改变燃料组成和在原燃料中添加添加剂的方法进行试验。采用燃油喷射策略也是控制自动点火正时的一种有效方法。燃料管理是控制HCCI发动机自燃点火提前角和燃烧阶段的有效策略。在HCCI燃烧应用中，高活性燃料与低活性燃料的反应性差异对控制燃烧相和优化放热曲线起着至关重要的作用。它可以大致分为两类：整体反应性和反应性分层。整体反应性在很大程度上取决于燃料具有高挥发性、易汽化和混合物形成等特性（这些特性在自燃发生之前被用来形成均质燃料）。在这种模式下，使用外部混合物制备形成均匀混合物，如燃料蒸发器/混合器/重整装置/pfi。为了研究均质压燃（HCCI）燃烧过程中整体反应性的影响。分析选定组件的摩尔分数和曲轴角度之间的关系。前者的反应中含有0.13%的甲醛，而后者的反应中仅模拟纯净的甲烷。

本文对两种情况进行了调整，使点火过程接近上止点，并以两种成分浓度为基准进行比较。比较两种方法的结果，我们发现CH2O可以促进HO2和H2O2的形成，这个过程又可以促进OH自由基的产生，而OH自由基是加速燃料燃烧的关键因素。在本文的实验中，对比了不同正丁醇-汽油混合燃料HCCI的燃烧特性。选用纯度为99.7%正丁醇（BU100）的93无铅汽油（BU0）作为基本燃料，燃料性质统计表如表1所示。

然而，反应性分层更加灵活，总是与多次注射、排气再循环或再次呼吸相结合。在这种模式下，纯粹通过利用 PFI形成低反应性燃料的稀薄或化学计量均质混合气，直接在缸内喷入高反应性或非反应性燃料控制自燃和燃烧阶段来确定燃料分层，充分利用喷雾渗透及其与夹带和混合气的相互作用。汽缸中的混合燃料通常是由低反应性燃料（如汽油，酒精和其他替代燃料）的端口燃料喷射和高反应性燃料（如柴油，生物柴油）的优化单次或多次直接喷射组合而成。

另外，在压缩冲程后期，柴油和汽油之间采用具有自燃特性的燃料直接喷射。这种燃料/喷射策略组合不仅可以产生贫油或等效空燃比，而且可以根据负载和速度改变汽缸中低反应性和高反应性燃料的喷射量（形成反应性分层），逐个循环地调整燃料反应性循环。随后，燃烧顺序從高反应性区域（高十六烷值）发展到低反应性区域（高辛烷值），使得这些燃料的化学动力学对热释放率有显著的影响。燃烧相和燃烧压力上升速率主要由负温度系数的 LTHR控制，而高温高压燃烧则严重依赖于预混合燃料。具有两段着火特性的燃料对于优化燃烧相和放热速率、扩大负荷范围和避免爆震有着重要的作用。此外，反应性分层可能有助于减轻燃烧噪音。

3  结束语

综上所述，本文主要讨论了控制策略对HCCI发动机自动点火提前角和燃烧阶段的影响。每一种控制策略都在不同的部分进行了详细的讨论。最终得出的结论在于在 HCCI发动机中，为了在较宽的转速和负荷范围内工作，通常采用不同的控制策略相结合的方式来控制自动点火提前角和优化燃烧阶段。

参考文献：

[1]赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[J].航空动力学报，2008（06）：986-996.

[2]赵坚行.民用发动机污染排放及低污染燃烧技术发展趋势[A].中国航空学会、中国工程院机械与运载工程学部.大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C].中国航空学会、中国工程院机械与运载工程学部：中国航空学会，2007：15.

[3]刘剑.发动机低污染排放控制技术的研究方向与现状[J]. 客车技术与研究，2005（02）：4-7.