韩永强:致力于满足车用内燃机节能减排的重大需求
2013-06-26 17:03:36   来源:   评论:0 点击:

自19世纪末内燃机诞生以来,汽车工业便迅速发展,为人类带来了交通上的方便。但是随着汽车数量的迅速发展,环境污染、能源紧缺成为了全球重大问题,节能减排成为车用内燃机重大需求和发展方向。
吉林大学汽车工程学院内燃机系韩永强教授以车用重型发动机瞬态性能源头正向控制、新型燃烧模式组织及优化、排气余能回收为切入点,深入开展了车用内燃机节能减排关键技术研究,并在如下领域中取得了系列原创成果。

车用内燃机瞬态性能源头正向控制
车用发动机大部分时间工作在瞬态工况,而由于内燃机进气、供油、缸内热状态的响应历程不同,瞬态过程中会出现大量明显偏离稳态工况的燃烧边界畸态组合。这种燃烧边界畸态组合使得车用内燃机尤其是增压机型性能偏离稳态工况,出现动力性下降、经济性恶化、有害物排放急剧增加等现象。
韩永强教授在国家“973”课题、国家自然科学基金课题以及省部级重大课题的资助下,深入开展了车用重型增压发动机瞬态工况响应特性研究。通过攻关,他揭示了瞬态性能恶化的根源是燃烧边界响应特性差异带来的畸态组合;基于提升慢参数响应、控制快参数历程的方案,构建了燃烧边界主动控制策略。实践结果也表明,恒速加油工况上抛型供油策略可大幅提升动力响应并极大降低氮氧、微粒排放,而他所提出的瞬态测试循环稳态化标定流程则可大幅缩减产品开发周期。
超低排放双阶段燃烧概念提出及实现
韩永强教授在其主持的国家自然科学基金项目的支持下,基于柴油机氮氧化物、微粒生成与燃烧反应区温度、浓度映射规律,提出了“低高温双阶段燃烧”模式。该模式将整个燃烧过程分为两个阶段:先进行均质稀混合气低温燃烧;然后,向适宜的化学氛围、热氛围区域再次喷入适量的燃油。利用第一阶段燃烧生成的高残余废气氛围抑制着火,使得在PM岛中不燃烧或少燃烧。基于强化混合手段迅速形成混合气并降低浓度-温度分布离散度,使得该部分燃油冲出PM岛后在较浓混合气氛围下高温燃烧(利用高温抑制微粒生长过程并促进微粒核后期氧化,利用缺氧抑制NOx生成)。这样一来,一方面,两个燃烧阶段的燃烧反应区氛围均避开了有害排放物生成的区域从而具有超低排放特性;另一方面,在综合考虑热效率、CO排放等限制因素前提下优化分配两部分的燃油喷射量(放热量),可以使得混合气的宏观浓度大幅度提升,从而扩大超低排放燃烧模式的工况适用范围。
该燃烧模式以多段燃烧间的耦合机制为切入点,以重构段间缸内氛围同时降低氮氧与微粒排放为目标,以喷油间隔、缸内流动组织控制为手段实现了清洁、充分燃烧。测试结果表明,采用该燃烧模式可同时降低微粒和氮氧排放且具有匹配低成本后处理器达国IV的能力,达到了强化机内净化目标。

废气余能回收技术研究
随着我国经济的迅速发展,能源短缺也日趋严重,节能已成为各国普遍关心的问题。作为主要能源的石油,其供求矛盾尤为突出。因此,对于汽车行业来说,如何降低燃油消耗从而节省费用,成为了研究的热点和前沿。
车用内燃机是目前热效率最高的动力源,但是柴油机排出的高温废气带走了相当于有效功率的热能,部分回收废气余能并实现机械能或电能利用可大幅度地改善柴油机的经济性。
韩永强教授对目前广泛研究的发动机废气动力涡轮电能/机械能回收技术、有机郎肯循环电能/机械能回收技术、加热锅炉/吸收式制冷热能利用回收技术进行了深入、细致的分析。基于减少能量转化次数、降低机械能输出运动速度原则创新性地提出了“残气动力涡轮+朗肯动力涡轮—高压压缩空气—气动马达”构架的气动式机械能回收技术、“有机郎肯循环——自由活塞”机械能/电能回收技术、“相变材料储能控制后处理器入口温度”热能回收技术等发动机尾气余能利用技术体系。目前,在废气余能利用领域已申请发明专利7项、授权发明专利4项。
2011年,他申请了新世纪人才支持计划,获资助后,着重研究具有原始创新性的发动机尾气余能回收技术体系。此领域的突破将会为提升发动机效率、减少能源消耗和CO2排放提供理论和技术支撑,最终实现余能高效利用,达到节能减排的目的,为地球减轻一份负担,为人类节省一份能源。

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