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. 1 MK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

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

发展，LIF法正被更多的研究者用于内燃机可视化研究。

在用LIF法进行内燃机可视化研究中作为观察对象的受激分子通常是以NO为代的燃烧产物中的小分子，或是羟基(0H)、氰基(CN)等有较好荧光特性并能表征流场内某些物化参数的活性基，或是人为添加的、以丙酮和甲苯等为代表的有机小分子。荧光的淬息效应和示踪物质荧光特性随温度与压力的变化是LIF技术面临的主要问题，上述因素带来的影响主要在标定和校正的过程中解决。因此，不同环境下的标定方法是LIF定量测量中的主要技术难点。

可喜的是，随着近年来相关技术的不断发展，许多难题已得到解决。国外众多大学以及相关研究机构已将此项技术用在了内燃机燃烧当中。美国Sandia国家实验室的Richard Steeper和Shane De Zilwa公布了一项研究，即在可视化发动机上用LIF法观测HCCI燃烧时示踪剂的选择研究，其目的是寻找与燃油挥发特性尽可能相近的示踪剂及浓度参数。卡尔斯鲁厄大学的研究人员用此方法在可视化发动机上进行了气流引导直喷汽油机喷雾和火花塞附近混合气状态的研究。研究中使用异辛烷作为替代燃料，示踪剂为3-戊酮，体积分数为8％。广岛大学的科学家们在一项

研究中用LIF-PIV（粒子成像测速）方法在定容燃烧弹上进行了直喷汽油机旋流喷嘴的喷雾特性试验。 LIF法作为内燃机燃烧光学诊断的重要手段被广泛地应用于浓度场、温度场的测量目前，国际上主流的内燃机LIF测试以混合气、NO，OH等浓度分布以及温度场测量为主。未来LIF技术的应用将更为广泛地结合如PIV、激光诱导炽光法等技术，在获得更多信息的基础上，进一步提高测试精度。LIF方法是国外研究者常用的研究汽油机喷雾混合气分布的测试手段，而在国内，相关的研究尚不多见。这说明我国在相关技术领域还处于相对落后的位置。我们应正视我们与国外先进技术之间的差距，并加大自主研发的技术投入，只有这样，我国在这项技术领域中才能迎头赶上，并占据一席之地。可以预见采用LIF方法研究的内燃机燃烧技术，将会在未来内燃机燃烧的研发中继续起重要作用。

三、内燃机燃烧测试技术发展概况

随着内燃机产品的日益广泛应用及产品技术性能的不断提高，在现代电子与计算机应用技术迅速发展的今天，内燃机测试技术尤其是内燃机燃烧测试分析技术已发展到较高水平。

3.1 内燃机燃烧测试分析方法及其仪器设备

1)机械或直接测量法。采用古老的机械式示功器。

2)电测连续模拟量分析法。所用仪器设备包括：测量系统、传感器及其整形放大设备，将机械量(压力、位移等)转变为可计量的电压量；显示系统，电子或光电示波器；记录或打印系统。典型的如气电示功器。

3)电测及数字采集分析法。采用由数据采集器、存贮器、计算机、转角信号发生器、图像显示屏、打印机和绘图仪等组成的仪器设备，可以进行动态参数采集和实时数据处理。它是目前广泛应用的内燃机燃烧测试分析技术。

3.2 内燃机燃烧测试分析的目的和内容

内燃机产品质量与性能的好坏通常用动力性、经济性、排放性、可靠性和耐久性等技术性能指标来衡量，这些指标基本上可在内燃机试验台架上直接测试。但分析及改进或提高这些指标，还需对产品热循环及燃烧过程进行测试分析。通过内燃机燃烧测试分析，可获得：

1)进排气能量利用及其过程的完善程度，即从进排气过程气门前后瞬态压力可分析活塞泵气功损失及进排气能量的利用程度；

2)循环有用功、平均指示压力及指示热效率；

3)循环最高爆发压力及压力升高率，以了解及控制内燃机机械负荷程度；

4)循环变动量分析；

5)燃烧延迟期及燃烧放热率分析；

6)汽油机不正常燃烧(如爆震燃烧)及燃烧噪声分析；

7)柴油机喷油系统工作状态(如高压油管瞬态压力、喷油嘴针阀升程等)监测与分析。

通过内燃机燃烧测试的分析与诊断，人们可更加明确内燃机燃烧过程的真实情况，这可以帮助人们了解内燃机运行过程中的每一个细节。内燃机燃烧的测试技术必将成为燃烧领域中不可或缺的一项重要技术。

四、内燃机燃料优化技术

近年来，二甲醚(DME)作为柴油机代用燃料引起了国内外的广泛关注，柴油机燃用二甲醚可达到和原机相当的热效率，同时实现较低的NO，排放、较低的发动机噪声和无烟燃烧，因此，二甲醚被认为是有巨大发展潜力和市场前景的新型柴油机代用燃料。研究表明，在柴油机上，二甲醚采用传统的缸内直喷燃烧方式时，优点是CO和HC排放较低，NOx排放虽然比柴油机要低，可达到欧美汽车排放标准，但要在维持与柴油机相当的热效率的条件下，NO排放很难达到更严格的排放标准，原因是：二甲醚的密度和热值低于柴

油，要发出同等功率，在热效率相等的情况下，二甲醚的喷射量约是柴油的1.9倍；在燃料喷射系统做了适当调整后，相同工况下的二甲醚喷射持续期往往要大于柴油。所以不能过分推迟二甲醚的喷油定时来降低NO排放，否则，易产生后燃，排温升高，热效率降低。因此，传统的二甲醚缸内直喷燃烧方式，发动机NO排放与燃料经济性仍存在较强的trade-off（平衡）关系。二甲醚采用进气道喷射的HCCI燃烧方式时，优点是NOx排放极低，但CO和HC排放较高。它们的共同特点是碳烟排放均为零。可见，二甲醚采用传统的缸内直喷燃烧方式和二甲醚完全采用进气道喷射的HCCI燃烧方式正好存在着相反的优缺点。针对二甲醚在柴油机上应用研究存在的主要问题，相关的研究人员将HCCI燃烧和喷雾扩散燃烧结合起来，探索性地提出一种新的二甲醚燃烧方式——燃用二甲醚柴油机气道--气缸喷射复合燃烧(CCCI)。其基本思路是：利用DME容易汽化的特性，将其引入发动机进气道，使得DME和空气在进气和压缩行程形成均质混合气，并与缸内二甲醚喷射相结合，实现先二甲醚HCCI燃烧，后缸内喷雾扩散燃烧。由于第二部分二甲醚是在第一级燃烧产生的高温高压废气中进行，所以滞燃期短，更重要的是第一级燃烧的废气具有EGR(废气再循环)作

用，这可抑制第二级燃烧的NO，生成，同时，第二级燃烧还会将第一级废气中的CO和HC烧掉。可根据发动机工况，调整气道喷射与缸内直喷的燃料比例以及缸内直喷的喷射次数和喷射时刻，加上对第一部分二甲醚HCCI燃烧的控制措施，如燃料设计、EGR等，控制其燃烧压力和速率，可拓展均质压燃工况范围，提高发动机热效率，实现发动机在全负荷范围内的高效清洁燃烧。

五、结束语

随着人类迈人21世纪，资源和环境的问题愈加突出。如何实现高效和清洁燃烧是国际内燃机界共同面临的一个最紧迫的课题。人们除了在研究新的燃烧技术以外，还把目光转向一些基于全新理念并有诱人前景的新型发动机，如基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机等。虽然许多技术还不成熟，但已经给人们指出了发展的方向。尽管在内燃机燃烧技术方面，人们已经取得了很大的进步，但距离我们的目标还存在着很大的距离。但我相信，只要我们坚定我们的信心和理念，人类必将会迈入一个节能环保的新纪元。

参考文献

1、孙田；苏万华；郭松红应用激光诱导荧光法研究超高压喷雾气液相浓度场分布特性。 内燃机学报 2007.2

2、雷卫；苏万华一种新的HCCI柴油机燃油喷雾特性的PLIF法测试装置。 2004.4

3、尧命发；许斯都直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)试验研究。 燃烧科学与技术 2002.8

4、李君；朱昌吉；马光兴等二甲醚发动机性能试验研究。 燃烧科学与技术 2003.9