燃烧发动机的发展趋势及面临的问题

陈海伦

(汕尾职业技术学院，广东 汕尾 516600)

1 燃烧发动机的主要研究范围

燃烧发动机主要是将燃料化学能以燃烧过程转化为机械能的一类动力装置，属于实际工程领域对燃烧科学的具体应用，从属于工程热物理学。其研究范围包括压燃式发动机燃烧、外源点火式发动机燃烧以及燃气轮机燃烧等。对其加以研究的目的在于怎样在提高燃烧效率的同时降低对环境的污染，促进燃烧装置热能转换率的提升，产出适合各种燃料的应用装置，为车辆、船舶以及工农业生产等供给优质的动力来源。依据相构成对发动机燃烧进行分类，可以主要分成：单相燃烧与多相燃烧；依据燃烧形式则可分成单一预混燃烧、单一扩散燃烧以及预混/扩散并存燃烧等。发动机燃烧与诸多科学问题之间具有密切的联系，比如数学学科中的数学模型、物理学科中的混合气形成与燃烧蒸发，化学学科中的着火过程和化学反应动力学、力学中的结构力学和材料力学等，光学中的光学成像与激光测量等，材料学、热物理学等。除此之外，由于燃烧过程会产生一定量的污染物，继而在大气中逐步扩散，其运动规律与大气科学直接相关，对于人类、动植物所形成的影响还关乎毒理学。

燃烧发动机在人类社会、经济以及科技发展过程中扮演着十分重要的角色，现代人生产生活活动中所应用的汽车、飞机、轮船以及工程机械等都需要将燃烧发动机当作动力来源。应该说现代文明社会中所应用的各种移动工具都将燃烧发动机作为主要依托，为社会发展形成巨大的支撑作用。就社会经济发展层面来说，今后燃烧发动机的应用范围和数量将进一步拓展，必将导致能源消耗和环境污染问题的增多，对发动机燃烧过程、机理进行深入研究具有至关重要的意义和社会价值。

2 燃烧发动机的发展趋势

2.1 发动机燃烧相关的基础性问题

对燃烧过程燃烧速率的测量属于认识燃烧特性、分析燃烧数值的关键性数据。近年来，随着内燃机相关应用技术的发展，越来越多新型燃料投入使用，但关于燃烧速率方面的研究还显得不够健全，亟待开展相关基础性测量与研究工作。尤其是与混合燃料相关的燃烧速率数据基本上处于空白状态。研究过程一般需要以高温高压燃料弹为基础开展，对液体燃料所具备燃烧速率进行测量的过程中，要先实现蒸发，以获得气体状态，才能进行具体研究。内燃机燃料的着火延迟同样是对其燃烧过程加以控制的关键参数，属于HCCI燃烧方式十分重要的数据内容。对于一些常规燃料，目前已经形成了关于其着火延迟的实验数据与经验公式，但是对于大部分替代燃料来讲，还处在空白阶段。尤其是对于混合燃料来说，因为非线性关系，无法简单通过对单质燃烧过程着火延迟的研究实现对混合燃料着火延迟的计算与分析，需要经过大量实验研究获取在不同当量比、温度以及压力条件下的数据内容。通常可以利用快速压缩装置、激波管等开展相关实验测量工作。湍流燃烧被引入内燃机研究领域以提升热效率，同时改善燃烧过程，可以利用燃烧弹装置以及光学发电机进行相关研究，比如分析分层混合气条件下火核形成及火焰发展、在多次喷射状态下预混与分层组合燃烧等。

2.2 燃烧发动机未来的研究重点

汽油内燃机指标热效率可以在现有技术的基础之上提高约8%，除了改善燃烧过程之外，还能通过技术改进降低发动机的摩擦磨损。而促进技术发展的方法具有综合性特征，主要研究领域包括直喷汽油机、可变气门以及压缩比的提升等。混合动力的主要优势在于低负荷、运行经济性强、污染物排放较少。HCCI发动机的推广与应用将进一步缩减混合动力车的实际应用范围，这是因为在达到同等效果的基础之上，HCCI发动机的实际价格要更加低廉。

柴油内燃机指标热效率可以在现有技术的基础之上提高约7%，且发动机磨损也可进一步降低。而具体措施主要包括增压、燃烧过程控制、应用HCCI燃烧方式等。目前，与柴油机相关的NOx/PM问题还未实现真正解决，不能单纯依靠对燃烧过程的研究，关键在于后处理技术(比如电控SCR+DPF)的集成，SCR中所应用的尿素能够缩减20～100nm粒径颗粒的产生，对改善生态环境能够起到良好的促进作用。

目前，一些发达国家正在研究用于发动机的新型燃烧方法，比如无烟低火焰燃烧，对燃烧过程的温度(小于1700K)加以控制，应用高压共轨喷射配以小直径喷孔以获得更为良好的喷雾效果，利用对废气再循环技术的引入，让燃烧过程处于缺氧环境(氧气含量为5%～8%)。这种燃烧方式最为显著的优势在于：在任何工况之下都可以利用单一的燃烧方式获得低污染效果，有效克服了HCCI发动机需要依赖2种燃料进行燃烧的缺点。

生物乙醇和低硫柴油属于我国未来的研究重点。生物乙醇主要利用微生物技术或者生物化学技术通过植物制取，属于一种新型可再生燃料。我国近几年已经开始逐步推广乙醇汽油(在汽油中加入生物乙醇)，生物乙醇不仅可以被看作是辛烷值增强剂，还能有效缩减石油燃料的实际消耗量。而对乙醇柴油(要添入适量助溶剂)的应用则能有效缩减柴油机碳烟的排放量。

氢气属于应用于燃烧发动机最具研究价值和推广前途的燃料，而氢气是否可以实现规模化利用，其关键在于生产制备。而且，燃氢发动机的燃烧过程控制难度较大，燃烧成本相对较高，若想实现规模化利用还需要进行更为深入地研究。天然气掺氢属于将氢气应用于发动机领域最具可行性的一种方式，虽然目前对于此类发动机呈现出一些研究，但与推广使用还有较大的距离。

柴油机+CRT模式的污染物排放要好于气体发动机，不会产生CH4(CH4会造成严重的温室效应现象，其作用效果为CO2的21倍)。在未来一段时间之内，关于内燃机燃烧方面的研究重点依然是汽油机与柴油机燃烧，而新型燃烧方式则是今后的主要研究方向。无论对何种发动机的研发，都需要将燃烧与排放看作有机的整体进行分析，促进内燃机燃烧效率的进一步提升。

3 结束语

总而言之，对内燃机燃烧效率的研究仍然是推动人类社会发展的焦点之一，值得广大科研人员投入更多时间和精力对其进行深入研究，充分参考国外先进技术，促进各行业发展和进步，为国家经济发展注入源源不断的动力。