新型燃烧技术及测试技术

内燃机燃烧测试技术与优化概况摘要：论述内燃机燃烧在近几年来的发展概况，及其发展前景；新型燃料的使用情况；未来内燃机燃烧技术的展望。

关键词：内燃机；燃烧；新型燃料

一、引言

内燃机是现代工业文明的产物，是一种将化学能转变为动能的能量转换机械，有较高的燃烧热效率、动力性和可靠性，是目前世界上应用范围最广的热机。它广泛应用于人类社会的各个领域，成为现代社会不可缺少的动力源，对人类生活和社会发展起到了巨大的推动作用。预计在今后相当长的时间内，内燃机将继续在交通运输领域中扮演重要角色。

现如今，内燃机所用燃料主要以液体燃料为主。而在液体燃料中，主要是柴油和汽油，也有些是采用煤油作燃料。这些燃料都是从石油中炼制出来的。然而，现有全世界石油储量只够开采30年，解决能源短缺问题已到了迫在眉睫的时候了。鉴于内燃机在工业领域中广泛的使用，以及在今后相当长的时间内无可替代的地位，优化内燃机燃烧并发展其相关测试技术，以及寻找可代替燃料就成为了如今解决能源问题最可

行的方法之一。

目前，分析与研究内燃机燃烧的方法主要是理论计算分析和试验分析，前者也需借助一系列试验分析结果。因此，内燃机循环及燃烧测试分析方法不仅是提高与研究内燃机产品性能的基础，也是进一步完善与发展内燃机循环的主要手段。

一、内燃机燃烧新技术概况

1.1均质压燃技术

均质压燃技术（HCCI）是目前发动机领域的研究热点之一。均质压燃（HCCI）能够使发动机同时保持较高的动力性能和燃油经济性，而且能有效降低发动机的NOx和PM排放，是一种克服传统的汽油机和柴油机缺点、集二者优点于一身的新的燃烧模式。它的另一个突出优点是燃料的广泛适应性。

均质压燃全称为均质充量压缩着火燃烧方式，被人们称为内燃机的第三种燃烧方式。均质压燃燃烧系统主要有可控自燃(CAI)燃烧系和优化动力过程燃烧系统(OKP) 。

1.1.1 可控自燃燃烧系统(CAT)

首先受到广泛关注的均质压燃燃烧系统称为控自(CAI)燃烧系统。这类系统的主要特点是通过改变进排气阀的开闭时间来大幅度增加残余废气系数，提高

混合气温度，使混合气在压缩过程的终点能达到自燃温度。在以均质压燃方式工作时，排气阀在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭，使相当一部分废气不能排出气缸而成为残余废气。当排气阀提前关闭后，缸内气体由于活塞继续上行受到压缩。为避免进气阀打开时缸内压缩气体突然膨胀，不再能对活塞作功，造成能量损失，进气阀打开的时间被推迟到上止点后直至缸内压力下降至大气压。这样进排气阀打开的时间不再重叠，反而有相当大的间隔，称为负的气阀重叠。在不同工况下运行时，燃烧时间的控制是通过对气阀开闭时间的控制采调节残余废气系数和混合气温度。这类均质压燃汽油机的压缩比通常与点燃汽油机相同，大约为10或者略高。

1.1.2 优化动力过程燃烧系统(OKP)

另外一种均质压燃系统称为优化动力过程(OKP)燃烧系统。这种系统对传统汽油机进行了较大的改造。优化动力系统充分利用了一台汽油机几乎所有可利用的热能源使混合气达到自燃温度。它采用较高的压缩比，大约为1 5；增加了压缩所转化的热能使混合气达到自燃温度。它采用热交换器来回收冷却水和排气中的余热对空气进行加热，使进气温度升高。同时，它

还适当增加缸内残余废气使混合气温度升高。在优化动力系统中均质压燃燃烧的时间是通过对进气温度的快速调节来控，制时。这种汽油机的进气被分成两股，一股空气流经热交换器被冷却水和排气所加热，另一股空气不经过热交换器直接流到进气道。进气温度的控制是通过调节两股气流的比例来实现的。冷热气流的比例可采用气流控制阀来调节。这种进气系统设计极大地减少了进气系统的热惯性对温度调节的不利影响，可进行快速温度调节进气温度调节的速度取决于气流控制阀流通截面改变的速度。

均质压燃是一种完全不同的燃烧方式，具有解决内燃机热效率低问题的能力，使汽油机的指示热效率可达到甚至超过目前柴油机的水平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的压缩比也不再受到爆震的限制。因此，均质压燃汽油机有可能使汽油机的热效率大幅度提高。与此同时，由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，氮氧化物的生成受到抑制，减轻了排气后处理的困难。

2. 1MK燃烧技术概况与应用

近年来，人们提出了另一种新型燃烧系统，称为MK燃烧系统。MK系统基本特征是属于低温、预混合燃烧,能够同时降低NOx, PM。在MK系统中采用

高的废气再循环率,降低进气氧浓度并实现低温燃烧,这样能够大幅度降低NOx。但是由于高的废气再循环率通常会引起排气烟度增加,因此设法通过延迟喷油来实现预混合燃烧,达到降低PM的目的。相关研究表明,在整个燃烧周期内,MK燃烧没有明显的耀眼火焰。与传统燃烧相比,MK燃烧放热率曲线只有光滑的一段,属于预混合燃烧,这样能够降低燃烧烟度,即能够降低PM排放。由于喷油始点的推迟,其燃烧始点明显迟于传统的燃烧方式,而且其后的放热率峰值也小,对应于较小的压力升高率,这样MK燃烧方式也是一种比较柔和的燃烧方式。如上所述,为了实现MK燃烧,有2个基本前提需要满足:一是采用大的废气再循环率;二是将燃油在着火前全部喷入气缸。因此,在MK燃烧试验中发现,当过量空气系数λ< 1. 3时燃油消耗率、CO 排放水平将会恶化,因此必须将λ控制在1. 3以上,这样也就限制了MK系统的使用范围,只能局限于小负荷工况。目前，第1代MK燃烧发动机的最大平均有效压力为0155MPa左右,而第2代目标为0. 87MPa左右。要从第1代向第2代进展,采取的主要技术措施是:冷却EGR、低的压缩比、高的喷射压力。

除此以外，新型燃烧技术还有PRED IC燃烧技术，以及HCDC燃烧技术等。PRED IC燃烧技术是主要针

对预混合稀薄柴油机燃烧的三大缺点，即HC、CO排放高，燃油消耗率高，以及运转范围窄而提出的一种复合式燃烧方式。HCDC燃烧技术则是针对柴油机如何同时降低NOx和PM排放而提出的一种新的燃烧思想。这里不再做过多介绍。

虽然当今内燃机领域内相关的燃烧技术发展日新月异，并取得了长足的进步和可喜的成果，但在能源消耗日趋严重，排放要求更加严格，保护环境呼声越来越高的今天，内燃机燃烧技术的发展还有相当长的一段路要走，以满足人类更高的生活要求。但要达到这一目标，还需要更多内燃机燃烧相关技术的同步发展，以及人们测试水平的不断提高。只有在不同方向众多领域都取得突破性进展，才能满足人们不同的生活生产需求。

三、内燃机燃烧可视化技术

以激光诱导荧光(LIF)法为代表的现代光学诊断方法用于内燃机可视化技术是近年来的研究热点。LIF 法可以以非侵入的形式定量测量主要污染物及中间产物浓度分布、流场温度、混合气浓度分布等参数，采用不同的试验装置可以进行单点、一维、二维及准三维的测量，是一种灵活而有效的测试手段。随着激光器、增强型电荷耦合器件及光电倍增管等技术的不断