高效清洁燃料发动机和燃烧基础研究

概述

中国是一个人口众多而除煤炭资源以外其他能源又相对短缺的国家，尤其是随着中国经济的高速发展，这种供需矛盾显得更加突出。中国能源结构中对煤炭的依存度仍然高达60％，由于设备和技术与世界发达国家还存在一定的差距，能耗率和污染物排放也较高，中国也在尝试煤炭直接燃烧外的其他高效清洁转化与利用方式，如煤气化、煤液化、煤的多联产技术等。近年来，中国汽车工业得到快速发展，汽车保有量迅猛增加，石油燃料在能源中的比例不断增加，2009年国内汽车产量已超过1000万辆。由于中国石油资源有限，难以满足日益扩大的石油消耗，石油进口不得不成为可选择的燃料补充方式。对内燃机而言，动力燃料的高效洁净利用已成为节能和污染控制中一个越来越重要的方面，降低动力燃料的能耗率也可对温室气体CO2减排作出贡献。与中国相比，美国、日本、欧盟等发达国家在燃料能源供应和使用方面主要是石油燃料，美国97%的交通燃料来自于石油，其中汽油机消耗了65%，柴油机消耗了20%，涡轮发动机消耗了12%，美国的研究报告预测，动力装置的技术进步仍可使发动机热效率提高25-50%。中国93%以上的交通能源来源于石油，交通运输领域消耗了40%以上的石油，95%的汽油、60%的柴油和80%的煤油被各类交通工具所消耗。研究预测，中国2010年汽车消耗石油占全国石油总消耗量为43％，2020年将达到67％。目前，中国交通燃料的年消耗总量仅次于美国，位居世界第二。因此，交通领域动力燃料的高效清洁转利用已成为影响中国经济、社会可持续发展和环境保护的一个重要环节。

面对迫切需要对应的石油燃料高效清洁利用问题，中国发展与改革委员会、科学技术部、国家自然科学基金委员会等都给予重点支持和资金、项目资助来开展研究和技术转化与推广。如科学技术部在国家“863计划”中的“节能与新能源汽车”重大专项，集中了汽车企业、高等院校和科研单位针对石油燃料发动机和石油替代燃料发动机进行技术开发研究，目标是形成一定规模的示范和推广作用。在“973计划”中的“内燃机低温低污染燃烧理论与清洁替代燃料的基础性研究”，主要集中了高等院校针对内燃机高效清洁利用的一些关键基础理论问题开展前瞻性研究工作，形成用于指导内燃机新技术开发的源泉。国家自然科学基金委员会则在更大更广的范围和方向上对内燃机高效低污染利用中基础问题研究给予资助。

西安交通大学先进喷雾与燃烧研究团队所开展的研究工作

1. 天然气掺氢发动机研究

在国家“973计划”项目“天然气发动机低温燃烧与污染物控制的基础研究”的资助下，通过采用天然气掺氢技术途径来探索实现发动机的低温低污染燃烧。中国天然气汽车已在包括西安在内的若干城市公交车和出租车上使用，对降低汽车排气污染起到了一定的效果。稀燃(Lean burn)技术是提高发动机燃油经济性和实现低温低污染燃烧的一条有效手段，但天然气发动机稀燃时会遇到燃烧速率慢、燃烧循环变动率大等问题，影响到发动机的稳定运行。将燃烧速率快的氢气掺混到天然气中可望提高燃烧速率和降低燃烧循环变动率。基于上述思路，西安交通大学集中开展了天然气掺氢发动机的研究工作，研究工作从基础燃烧现象的阐明到发动机运行。首先开展了天然气掺氢发动机的燃烧与排放研究，然后针对天然气掺氢后燃烧的一些基础问题，采用定容燃烧装置对预混球形发展火焰进行了基础研究，最后基于基础研究获得的结果指导发动机的优化控制，实现发动机的低温低污染燃烧。基于我们的研究，获得了如下的成果和对一些基本现象的认识。天然气掺氢可提高发动机稀燃能力，降低稀燃条件下发动机的循环变动率，每增加10％体积比例的氢气到天然气中可是发动机稀燃能力提高10％。天然气掺氢时发动机燃烧放热时间缩短，有害排放物一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(UHC)降低，氢气的加入被认为是促进一氧化碳和未燃碳氢化合物氧化的重要因素。由于掺氢提高了燃烧速率，因此，实现最大扭矩(Torque)的点火时刻需要推迟。虽然在化学计量比时天然气掺氢发动机氮氧化物(NOx)排放会增加，由于稀燃能力的提高，天然气掺氢发动机可稳定运行在稀混合气范围，其低温燃烧条件可有效降低氮氧化物排放。天然气掺氢燃烧方式由于降低了燃料中碳的比例，发动机二氧化碳排放也得到降低。由于氢气单位体积的质量小，掺氢会混合气的体积热值降低，研究发现，适当的掺氢比例使对燃烧的改善效果大于燃料热值降低而带来的效果，因此有助于提高发动机动力性能和降低排放，但掺氢比例超过一定数值后，对燃烧的改善效果会被燃料热值降低和增加的传热损失所抵消，发动机输出动力反而降低。而掺氢比例过小时，对燃烧改善效果不明显。因此，选择适当的掺氢比例才能实现最佳的发动机性能。基于大量的发动机试验，发现选择20％氢气体积掺混比的天然气掺氢发动机达到最佳的动力性能。西安交通大学在均质混合气天然气掺氢发动机和缸内直接喷射分层燃烧发动机上的试验都获得了20％最佳掺氢比例的结果，表明最佳掺氢比例与混合气形成方式无关。
    天然气掺氢对燃烧速率的提高和发动机循环变动的降低提供了允许采用废气再循环(EGR)进一步降低发动机氮氧化物排放的可能性。在化学计量比混合气燃烧时，天然气掺氢发动机增加了氮氧化物排放，采用适当比例的EGR可以降低氮氧化物排放而不会影响发动机的动力性能和热效率。相同循环变动系数下天然气掺氢可允许使用更大的EGR率，大EGR率时天然气掺氢对变动系数的降低效果则更加明显。天然气掺氢结合适当的EGR比例可实现稳定的气体燃料发动机低温燃烧。EGR比例20％时即可获得氮氧化物排放的大幅度降低，而此EGR比例配合20％掺氢比例不会影响发动机动力性能、热效率、CO和UHC排放。发动机实现低温低污染的燃烧过程。

天然气掺氢发动机

火花点火发动机采用的是点火后火焰传播燃烧方式，由于发动机缸内影响因素众多，为便于研究天然气掺氢燃烧中的基本现象合规律，西安交通大学采用定容燃烧装置对预混球形发展火焰开展了大量理论与实验研究，包括甲烷中掺氢比例、压力和温度、混合气浓度以及模拟EGR的稀释比条件下的燃烧基本特性。掺氢后的层流燃烧速率得到提高，火焰从层流火焰向湍流火焰的转换时刻提前，火焰结构更趋于不稳定结构，进而使燃烧速率大大提高，这也是天然气掺氢发动机提高燃烧速率的内在原因。采用化学反应动力学对火焰中间基(Intermediate radicals)和反应过程进行了分析。同时，还利用同步辐射光电离测试手段(Synchrotron Photoionization)研究甲烷-氢气-氧气低压层流预混火焰中间产物的摩尔分数分布曲线，分析了掺氢对火焰主要产物和中间产物摩尔分数的影响。结果表明：掺氢后火焰中H和OH摩尔分数增加，氢的强扩散性和活性增大了火焰化学反应速率，掺氢后实验测得的火焰中间产物摩尔分数均大幅降低。

清洁燃料燃烧研究装置

针对缸内直喷天然气掺氢发动机，采用定容燃烧装置对燃料的射流和与空气的混合过程进行了研究，对高压喷射燃烧和均质混合气燃烧进行了对比分析，发现混合气分层和湍流是促进燃料喷射燃烧速率提高的关键因素。喷射燃烧的燃烧速率高于均质混合气燃烧，稀混合气情况下湍流和分层对喷射燃烧速率提高的效果更明显。天然气掺氢对均质混合气燃烧速率的提高效果高于对喷射燃烧的速率的提高效果。喷射燃烧因湍流的随机特性，在火核形成的早期就存在循环变动，天然气掺氢可有效降低火核形成早期和火焰发展过程中的循环变动，实现气体燃料的快速稳定燃烧。燃烧参数与掺氢比例之间呈现非线性关系。燃烧弹中的结果验证了发动机中存在的现象，对发动机研究提供了理论指导。配合发动机研究工作，采用数值模拟手段开展了天然气掺氢发动机燃烧过程的数值模拟，对认识燃烧过程的细节起到了补充作用。

 此外，西安交通大学还在乙烷掺氢、丙烷掺氢、丁烷掺氢等方面开展了预混合层流燃烧的基础研究，对低碳燃料掺氢燃烧形成了比较系统的认识。为进一步认识低碳燃料掺氢后的着火特性，西安交通大学正在利用激波管(Shock tube)高温高压条件下掺氢燃料的着火延迟期(Ignition delay)，为发动机工作提供理论支撑和基础数据。

            

2. 清洁含氧燃料发动机研究

    清洁含氧燃料替代发动机是西安交通大学近年来开展的主要研究方向之一，研究工作得到科技部“973计划”、国家自然科学基金项目的支持，研究工作既涉及到发动机，也覆盖到喷雾和燃烧的基础研究。发动机包括汽油机和柴油机，单一燃料有二甲醚(Dimethyl ether)，混合燃料包括汽油－甲醇、柴油－甲醇、汽油－乙醇、柴油－乙醇、柴油－二甲醚、柴油－二甲氧基甲烷(dimethoxymethane)、柴油－二乙二醇二甲醚混合燃料(diglyme)、柴油－碳酸二甲酯(dimethyl carbonate)、柴油－碳酸二乙酯(diethyl carbonate)、柴油－己二酸二乙酯(diethyl adipate)。柴油－生物柴油混合燃料发动机方面也开展了研究工作。

二甲醚被认为是替代柴油的一种清洁燃料，二甲醚可从煤炭或天然气中制取。对于煤炭相对丰富的中国来说，煤制二甲醚是一条可行的技术途径。西安交通大学1997开始在美国福特基金的资助下，率先在中国开展二甲醚发动机的研究工作，开发了中国第一辆二甲醚汽车并进行了道路试验。在二甲醚发动机的燃烧与排放方面开展了系统性研究，二甲醚发动机无碳烟排放的主要原因存在富氧条件下的扩善燃烧现象，而少量预混燃烧实现了发动机燃烧过程的低噪声，快速的扩散燃烧是提高发动机热效率的主要原因。提出了优化二甲醚发动机供油和燃烧系统的关键技术。二甲醚发动机实现了无烟燃烧，采用废气再循环措施解决了二甲醚发动机NOx排放问题，实现了发动机无烟燃烧和低NOx排放目标。由于二甲醚存在粘度低，润滑效果差的缺点，采用80％柴油和20％二甲醚混合燃料的方案可在兼顾有效降低炭烟的同时保持较好的燃料润滑性，便于在现有发动机上使用。

西安交通大学开发的二甲醚汽车

汽油机使用汽油－甲醇或汽油－乙醇混合燃料原理和技术上已比较成熟，小比例掺混甲醇或乙醇具有较好的互溶性，发动机动力性能和热效率有所提高，一氧化碳得到降低。但大比例掺混甲醇或乙醇需要添加助溶剂或表面活性剂来实现汽油与醇燃料间的互溶。由于醇燃料热值低于汽油，大比例掺醇后发动机燃油消耗率增加，未燃甲醇和甲醛的排放会有所增加，这需要借助排气管上的氧化催化反应器来消除。西安交通大学在汽油醇混合燃料汽油机上主要开展了低温启动过程的性能和排放研究。从可再生和生物燃料考虑，采用汽油－乙醇混合燃料更有发展的空间。

柴油机的两大排放物炭烟(Smoke)和氮氧化物，喷雾控制的扩散燃烧因局部混合气偏浓而形成炭烟。提高喷射压力改善雾化是降低炭烟的一个途径，采用含氧燃料改善燃烧中氧的补充也是降低碳烟的一个途径。研究表明：燃料中氧对炭烟的降低作用要明显大于空气中氧对炭烟的降低作用。选择含氧化合物需要考虑一些关键参数，如含氧量、燃料十六烷值(Cetane number)、密度、沸点、与柴油的互溶性等。基于上述参数的考虑，西安交通大学开展了柴油机燃用柴油－甲醇、柴油－乙醇、柴油－二甲醚、柴油－二甲氧基甲烷、柴油－二乙二醇二甲醚、柴油－碳酸二甲酯、柴油－碳酸二乙酯、柴油－己二酸二乙酯的性能、燃烧和排放研究。研究发现：着火延迟期受燃料种类影响，使用十六烷值高于柴油的含氧化合物组成的柴油－含氧化合物混合燃料的着火延迟期缩短，缸内最大压力和压力升高率降低，燃烧噪声降低。反之，着火延迟期增加，缸内最大压力和压力升高率增加，燃烧噪声增加。研究发现：发动机的燃烧参数和排放指标与燃料中氧比例有关，与燃料种类关系不大，即含氧混合燃料存在共性关系。发动机热效率随混合燃料中含氧化合物含量的增加而改善，这归功于燃烧时间缩短和扩散过程燃烧的改善。燃用柴油－含氧化合物混合燃料可显著降低发动机CO和烟度，大负荷工况下降低效果更加明显，混合燃料中氧质量比例10％时发动机炭烟降低40％。同时，柴油－含氧化合物在降低炭烟的同时不会增加氮氧化物排放。柴油－含氧化合物的颗粒物分布趋向于小粒径，粒径数目会有所增加。配合发动机研究工作，借助定容装置研究了柴油－含氧化合物的喷雾特性，采用数值模拟手段分析了喷雾特征。

3. 柴油溶气喷雾与发动机燃烧研究

将部分气体燃料在高压下溶入柴油，利用喷雾的闪击沸腾(Flash boiling)现象可促进燃油的雾化，进而在不提高柴油机喷射压力的条件下改善发动机性能和降低排放。西安交通大学尝试了将一定比例的甲烷和丙烷溶入柴油形成柴油溶气混合燃料，开展了喷雾和发动机试验研究。喷雾试验表明：柴油溶气可明显改善燃油雾化质量，促进燃油与空气的混合，减少喷雾中过浓混合气区域。喷雾粒径分布规律向小粒径方向移动，低粘度的燃油有助于增强溶气对燃油雾化的促进作用。发动机试验表明：柴油溶入低沸点燃料后着火延迟期缩短，预混燃烧所占的比例增加，扩散燃烧所占的比例减少，燃烧时间缩短，发动机热效率得到提高，未燃碳氢、一氧化碳和炭烟排放降低，但氮氧化物排放会有所增加。柴油溶入6％丙烷时发动机炭烟排放比燃用柴油时降低50％。随后炭烟降低效果减弱，柴油溶入14％丙烷时发动机炭烟排放比燃用柴油时降低65％，仅比6％时降低15％。因此，如在发动机上使用柴油－丙烷混合燃料，选择10％以内比较合适。

4. 混合燃料着火延迟期研究

着火延迟期对发动机性能有很大影响，对于单一燃料，已有比较全面的着火延迟期数据。然而，目前还缺乏混合燃料的着火延迟期数据。配合西安交通大学开展的混合燃料发动机研究，采用激波管装置正在开展混合燃料的着火延迟期测量，包括多组分的气体燃料和液体燃料。由于着火延迟期与燃料组成比例存在非线性关系，因此，只有通过实验测定才能获得混合燃料着火延迟期准确的数据。着火延迟期数据对发展混合燃料化学反应动力学提供了验证性数据，对清洁燃料发动机的基础研究十分重要。该平台可开展
（1）气体燃料着火延迟期测量和化学反应动力学研究
（2）液体燃料着火延迟期测量和化学反应动力学研究
（3）混合燃料着火延迟期测量和化学反应动力学研究
（4）燃料替代物（Surrogate）着火延迟期测量和化学反应动力学研究
（4）燃料热解研究
（5）Soot生成机理研究
  

激波管装置
 

5. 清洁燃料预混层流燃烧的基础研究

层流燃烧速率是燃料燃烧的基础数据，是验证燃料化学反应动力学的重要参数，也是发动机等燃烧装置燃烧数值模拟的基础参数。层流火焰和燃烧速率使燃烧学研究的重要分支领域，我国学者近年来在此研究方面已逐渐被国际燃烧学术界认可，正在开展燃料的燃烧基础研究。测量燃烧速率有球形发展火焰法，对冲火焰法和热流量法，西安交通大学采用球形发展火焰法测量层流燃烧速率。
（1）烷烃燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（2）烯烃燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（3）醇燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（4）醚燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（5）芳香烃燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（6）混合燃料层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（7）燃料替代物（Surrogate）层流燃烧速率测量和化学反应动力学研究
（8）球形发展火焰表面不稳定性研究
                
                
                     高温高压燃烧弹实验装置

    

                                         CNG-H2-Air mixtures                                DMF-Air mixtures


6. 预混和扩散火焰结构与中间基测量

该平台采用PLIF测量装置研究预混和扩散火焰的基本特性，测量火焰中OH、NO、CO、CH、C2等中间基，分析火焰结构与中间基分布规律，为设计高效清洁的燃烧装置提供理论指导。
  




7. 国际间合作

西安交通大学在高效低污染清洁燃料发动机和基础燃烧研究方面建立了广泛的国际间合作关系，先后与美国威斯康辛大学发动机研究中心，麻省理工学院，普林斯顿大学，斯坦福大学，伊利诺伊大学，密尼苏达大学，南加州大学；日本庆应大学，东北大学，广岛大学，群马大学，冈山大学；英国曼切斯特大学, 伯明翰大学，谢菲尔德大学，兰卡斯特大学，帝国理工，香港理工大学等开展合作研究，与美国通用汽车公司、福特汽车公司开展合作研究，并承担多项双边合作研究项目或政府间协议项目，加强学者和学生之间的互访，共同组织国际会议。实质性的国际合作促进了西安交通大学高效低污染清洁燃料发动机和基础燃烧方面的研究工作，成为中国有代表性的研究基地之一。

西安交通大学清洁燃料发动机和基础燃烧研究团队