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科学家有望开发出污染和耗油量大幅减少的新一代发动机 |
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| http://cn.newmaker.com
5/15/2007 9:15:00 AM
中国科技信息网
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 据sciencedaily网站2007年5月10日报道，研究人员已制造出首台数学模型，它可以通过测试从一个燃烧周期到下一个燃烧周期发动机的性能，从而创造出一种新型的可以大幅减少耗油量和全球变暖污染物排放的发动机。
普渡大学机械工程助理教授格雷戈里·M·夏维尔称：“我们正对发动机技术的大飞跃展开讨论，这种发动机可用于混合燃料汽车，可使车辆更环保及油耗更少。”他基于普渡大学雷·W·赫里克实验室所作的研究的关键在于发动机的设计，它们的进气口和排气阀不再由与活塞相连接的机械装置来驱动。与一个多世纪前进入市场的汽车发动机的工作原理相比，此项创新设计的工作原理有着很大的不同。
在今天的内燃机里，活塞带动机轴以驱动与之相连的凸轮轴打开和关闭阀门，从而使空气和废气顺利进入和排出汽缸。新技术消除了机轴与凸轮轴相连的机械装置，它为阀门提供了一套独立的控制系统。
夏维尔表示，由于阀门的计时不再受到活塞运动的限制，它们可以使柴油、汽油以及可替代燃料（如乙醇和生物燃料）的燃烧变得更有效率。他称，这种概念，即众所周知的可变气门驱动技术，能够给使用常规汽油和柴油发动机的汽车和卡车带来重大的改进。例如可以将此项技术应用于发电机。这项技术还能够带动一种被称之为均质充量压缩燃烧(HCCI)的先进技术的引入，这将使美国摆脱对国外石油资源的依赖性，并大幅减少其有害废气的排放。均质充量压缩燃烧技术可以将汽油发动机的效率提高15%到20%，在几乎消除烟雾产生氮氧化物的同时，使得它们与柴油发动机具有同等的效率。
这种改进后的有效燃烧技术还可以减少另外两种包含于全球变暖二氧化碳和未燃尽碳氢化合物当中的有害气体的排放。此项技术能够对每一个汽缸内的燃料和空气的混合以及它们的燃烧进行更精确的控制，消除常规柴油发动机所出现的“贫氧富油”现象，从而极少地或不会排放出常规柴油发动机所排放的被称之为微粒的污染物质。
可变气门驱动系统能够达到“重引入”的目的，或将废气的一部分回流到汽缸内，从而提高燃烧效率和减少排放。该系统还能够改变常规的和使用均质充量压缩燃烧技术的发动机汽缸内的浓缩度，调整它们的混合和燃烧时间，使燃料更加有效。夏维尔称：“可变气门驱动技术和均质充量压缩燃烧技术通过提高采用乙醇、生物燃料以及其他可替代燃料的发动机的工作效率来减少我们对于石油的依赖。但是，要实现这样的目标，我们还需在资金投入、人力、工业参与以及学术参与等领域加倍努力。”在均质充量压缩燃烧技术方面，“充量”或燃料-空气混合需是均匀的，而且还意味着它是始终如一的。在浓缩前增加回流废气会稀释和升高这种空气-燃料混合物的温度。这一过程同样需要是统一的“自动燃烧”，或无需火花的燃烧，混合物的浓缩度要低于常规柴油发动机所必需的浓缩度，这样就会减少发动机的磨损。
在普通内燃机的汽缸里，燃烧的空气-燃料混合物与未燃烧的部分间存在一个较大的温差，或梯度。而在自动燃烧期间，均质燃料-空气混合物和回流气体会共同发生作用消除这种温度梯度，这将全面降低燃烧的温度。降低燃烧的温度对于大幅减少氮氧化物是至关重要的。面临的主要挑战包括：如何自动调整阀门的运动和燃料注入，以满足诸如车辆变速等因素引起的运行状态改变的要求，它能装载多重的东西以及使用什么类型的燃料。
采用均质充量压缩燃烧技术的发动机将使用传感器来监控发动机的工作情况，通过提供重要的数据来动力改变阀门的时间。通过可变气门驱动控制燃烧过程将需要由普渡大学研究人员开发的专业的软件编码程序。夏维尔称：“我们将使用反馈控制，传感器从发动机提供出所需的重要数据，一种编码程序将精确地对阀门进行控制。”
夏维尔及其同事和学生正在制造使用“安全可变气门驱动技术”的独一无二的多缸发动机。他称，这将有助于均质充量压缩燃烧技术和可替代燃料燃烧的研究。他是荣获“2006年鲁道夫·卡尔曼论文奖”的研究论文的主要作者。这篇论文被刊登在《动力系统、测量和控制》杂志上。他是在2006年芝加哥国际机械工程会议和展览期间获得此项殊荣的。该篇论文主要阐述了与一种新的数学模型相关的发现，这种数学模型将有助于均质充量压缩燃烧系统的研发。为了使该系统得以运作，从一个燃料周期到下一个燃料周期跟踪不断变化的发动机性能是至关重要的。夏维尔所研发的数学模型是首个能够精确跟踪这种动力的周期到周期性能及其他数据的模型。对于拥有一台电力引擎和一台内燃机的混合动力车辆来说，采用均质充量压缩燃烧技术可以使其实现最高效率。他称：“继续对多项前沿技术进行研究是非常重要的，包括研究解决与燃料电池和混合系统相关的问题，理解如何使混合传动系统上的先进内燃机实现一体化。”
到2030年，美国石油进口预计将增长约35%。与此同时，美国与运输相关的二氧化碳排放也将可能增长约35%。
英文原文链接参见：http://www.sciencedaily.com/releases/2007/05/070510093248.htm
图注：普渡大学机械工程助理教授格雷戈里·M·夏维尔（图左）和研究生大卫·斯尼德尔正在讨论如何通过一种新技术改进一台商业柴油发动机，这项新技术将有望大幅减少耗油量以及全球变暖污染物的排放。研究生格雅特里·爱迪（后面）正检测一种新的被称之为均质充量压缩燃烧技术的软件编码情况。
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