未来汽油机三剑客之三——燃料改质技术

  • 发表于: 2015/06/30 02:37:06 来源:车云网

作为丰田认定的未来汽油机的三大核心技术之一,燃料改质是什么你了解吗?

车云按:车云菌欲以丰田先行设计部部长友田晃利在日本“2015年春季大会学术演讲会”的演讲为背景,对“可变压缩比”、“稀薄燃烧”、“燃料改质”三大极具潜力的内燃机技术进行简要解读。此文是本系列的第四篇,主要围绕燃料改质技术展开探讨。燃料改质是怎样的一种技术?相关研究目前又处于何等水平?您均可从通过本文寻获答案。

假如您错过了之前的文章,这里有传送门:

未来汽油机三剑客之一——可变压缩比技术(上篇)

未来汽油机三剑客之一——可变压缩比技术(下篇)

未来汽油机三剑客之二——稀薄燃烧技术

燃料改质是什么?

在写此文之前,车云菌曾向身边的数十位朋友问过这一问题,不过得到的回答却有些出乎意料。其中超过八成的人第一反应是油改气,甚至还有极少一部分人干脆就说不知道。

的确,与此前讨论过的可变压缩比及稀薄燃烧技术相比,燃料改质在坊间少有人提及。不光是在业外,就是在业内,许多非专门从事发动机相关技术研究的工程人员,对这一技术究竟为何物亦不是很了解。

其实燃料改质的核心在于“改质”二字。那什么是改质呢?举个最简单的例子就是电解水,利用该原理将水变成氢气和氧气的过程就是改质,而对于汽油机而言,在一定条件下使汽油或者醇类等物质发生反应,使其分解成以H2及CO为主要成份的可燃性气体,并掺入油气混合气中,我们便称之为燃料改质。

燃料改质技术有什么用?

说起燃料改质的作用,依旧是那个老生常谈的话题——节能减排。在本系列的上篇文章中曾提到,采用稀薄燃烧技术可使发动机拥有更高的燃效,尤其是超稀薄燃烧技术,其效果更为显著。

可如果空燃比过低,则会导致燃速过缓及点火困难等次生问题的出现,而目前解决此类问题的手段无外乎有两种,其一是换装高能火花塞以提高点火能量,再者就是采用快燃技术来增加稀混合气的燃烧速度,但以上两种方法均非万事皆准,一旦空燃比低到一定程度,即便是点火能量再高,也会出现无法被引燃的情况。

为应对上述问题,燃料改质技术开始为业内所关注。由于改质生成的可燃气体比稀薄汽油混合气更易点燃(主要源自混合气内的氢气成份),因此可将其融入到稀薄混合气当中作为助燃剂,从而保证发动机在高空燃比状态下的仍具有较高的点火稳定性。另外,改质气体对发动机运行状态的改善也大有裨益。

有哪些物质可用作燃料改质?

可用作燃料改质的物质粗略可分为两大类。

其一是对燃料直接进行改质。此种方法主要是利用了燃料高温燃烧热分解的化学特性。比如汽油,其主要成分是 C4-C12的烃类化合物,通过自身的热解反应便可分离出含有氢气的混合气。不过目前几乎没有一家厂商仍在沿用此种改质方法,其最大的弊端在于需要极高的外界温度来作为热解反应的前提条件,所以对汽车领域并不适用。

其二就是利用甲醇、乙醇等其它烃类化合物进行燃料改质,此法也是目前最为主流的一种改质方法。简单来说,如果对烃类化合物施加一定的温度及加入触媒(一般以镍基触媒为主),便可诱发改质反应。更具体点说,此类改质方法属于吸热反应,需要一定的温度来保证反应进行(其反应条件温度要远低于燃料直接改质),而保证温度的热量来源亦可再分为两种。一种是依靠外部热源,现今很多惯用这一加热方式(如醇类改质可利用废气余热加温)。另一类是通过燃烧部分碳氢化合物来生热,但由此一定会带来热量损失,故会削弱燃料改质对发动机整体燃效的提升效果。

燃料改质的好处有哪些?

前文已经提到,燃料改质可以增加稀薄混合气的可燃性,那除此以外还有别的好处吗?当然!

首先,燃料改质技术可提升发动机的整体燃效,理由如下:

  1. 1.由于氢气的可燃性高,因此发动机可实现在更稀薄的混合气状态下稳定运行。

  2. 2.如上一期文章中所述,稀薄燃烧可降低缸内温度,使发动机的热损及比热下降,进而改善循环效率。

  3. 3.混合气越稀薄,发动机的泵气损失也越小。

  4. 4.如果对醇类等特殊液体进行改质,则可在反应过程中回收废气中的残余热量用于气化及与触媒发生反应,进一步提升了发动机的整体热效率。

其次,燃料改质技术还可改善发动机排放。与稀薄燃烧技术类似,经试验论证,改质混合气同样能降低废气中的HC、CO、NOx等污染物的含量。不仅如此,对于因富氧环境所导致的稀薄燃烧中高NOx排放的后处理难题,燃料改质技术亦可使之得到明显缓解。

众所周知,废气再循环(EGR)技术可以有效抑制NOx的生成。加入改质气体后,由于发动机的燃烧状态更为稳定,故可加大废气再循环的比例,以达到削减NOx排放的目的。

第三,燃料改质技术对HCCI(压燃稀薄燃技术)的发展有明显的促进作用,其理由同样源于燃料改质技术对燃烧稳定性方面的贡献。如果汽油想要实现压燃,就必须使之处于高温及高压缩比状态,这势必会使发动机的爆震几率大大增加,而通过改质气体的调和,可降低爆震的可能,从而拓宽了HCCI技术的所适用的转速范围。

为何迟迟未能大规模应用?

虽然燃料改质技术有诸多好处,但由于改质装置十分复杂,体积也相对庞大,因此至今并未大规模在汽车制造领域得到应用。

不过,正如上期文章结尾处所提到的那样,面对极具诱惑的技术潜力,各大厂商对燃料改质的兴趣始终高涨,并积极开展相关领域的研究开发。除努力将反应装置小型化外,将之拓展到更为宽广的技术领域也逐渐成为新的潮流,如丰田的改质燃料电池、日产的“March”燃料改质试验车就是此中颇具代表性的例子。

车云小结:

通过四期文章,车云菌带您简要了解了未来汽油机发展的三大核心技术。从中不难看中,无论是稀薄燃烧技术还是本期所介绍的燃料改质技术,都不是一个独立存在的个体,各个技术彼此间相辅相成,互为利好。因此,我们不难预见,随着时间的不断推移,集成各家之所长注定会成为未来汽油机技术发展的大势所趋,而只采用稀薄燃烧或是可变压缩比技术的发动机或将消失。

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