氣環(huán)工作原理

氣環(huán)可能有3條漏氣的通道：環(huán)面與氣缸壁間；環(huán)與環(huán)槽的側面間；開口端隙處。

第一密封面的建立?；钊h(huán)在自由狀態(tài)下，其外圓直徑略大于缸徑，所以裝入氣缸后，環(huán)就產(chǎn)生一定的彈力，與缸壁壓緊，形成了第一密封面。

第二密封面的建立。由于活塞頭部與缸壁間有間隙，活塞環(huán)還有側隙和背隙，氣缸內(nèi)未被密封的氣體不能通過第一密封面下竄，變竄入側隙和背隙。由于側隙的阻力及背隙內(nèi)空腔較大氣體壓力降為背壓力和環(huán)側氣體壓力。另外，活塞環(huán)在運動時產(chǎn)生慣性力，并與缸壁間產(chǎn)生摩擦力。因而環(huán)與環(huán)槽側面密封的壓緊力是環(huán)側氣體壓力、環(huán)的慣性力和環(huán)與缸壁的摩擦力3個沿著氣缸軸線方向力的代數(shù)和。作功與壓縮行程，對密封的要求高，此時氣體壓力一般起主導作用，使活塞環(huán)緊推壓在環(huán)槽的下側，形成第二密封面。一般情況下，排氣行程第二密封面也在環(huán)的下側，形成第二密封面。一般情況下，排氣行程第二密封面也在環(huán)的下側，而進氣行程在環(huán)槽的上側，另外，在某臨界轉速和一定的工作狀態(tài)下，3個力可能互相平衡，即合力為零，環(huán)即暫時在槽內(nèi)浮動而跳上跳下，并可引起環(huán)的徑向振動，使一個或兩個密封面都失去密封作用，漏氣量大增，此即為環(huán)的顫振。如果通過端隙的氣流大于環(huán)和缸壁的摩擦力時，環(huán)會轉動而對口漏氣?？梢姯h(huán)在氣缸中有3種運動狀態(tài)，即跳動浮起、徑向顫振、旋轉對口，使其密封性能惡化。

氣環(huán)的第二次密封。竄入活塞環(huán)背隙和側隙的氣體，產(chǎn)生背壓力和側壓力，使環(huán)對缸壁和環(huán)槽進一步壓緊，顯著加強了第一、二密封面的密封。此即為氣環(huán)的第二次密封。作功行程時，環(huán)的背壓力遠大于環(huán)的彈力，所以此時第一密封面的密封，主要是靠第二次密封。但是，如果環(huán)的彈力不好或接觸面貼合不良，而在環(huán)面和缸壁間出現(xiàn)了縫隙，此縫隙就要首先漏竄氣體，且其單位壓力大于單位背壓力，就將削弱或形不成第二密封面。因此，靠活塞環(huán)彈力產(chǎn)生的密封，是第一密封面第二次密封的前提。

有了兩個密封面的密封，理論上只有開口處是唯一的漏氣通道。由于開口很小，并且相互按一定位置錯開，形成迷宮式封氣路線，氣體通過各道環(huán)口以后，壓力顯著下降，其漏氣量在高速發(fā)動機上是很微小的，一般僅為進氣量的0.2%~1.0%。

如果密封不良，不但發(fā)動機起動困難、功率下降，燃油和機油的消耗量增加，機油老化變質，而且還由于活塞環(huán)外圓與氣缸壁貼合不嚴密，活塞頂部接受的熱傳不出去，而導致活塞及活塞環(huán)溫度升高，甚至被燒壞。另外還起到刮油、布油的輔助作用。一般發(fā)動機的每個活塞裝有2~3道氣環(huán)。

隨著環(huán)境污染加重、能源的日益緊缺，人們希望通過新型燃燒方式來實現(xiàn)節(jié)能減排。富氧燃燒、柔和燃燒、低溫燃燒和煙氣再循環(huán)燃燒等燃燒方式在不同領域得到應用，取得了較好的節(jié)能減排效果。其中，煙氣再循環(huán)技術具有降低NOx排放、提高燃燒效率的優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)燃燒器、鍋爐、燃氣輪機、內(nèi)燃機和斯特林發(fā)動機等領域。煙氣再循環(huán)燃燒技術是指燃燒產(chǎn)生的部分煙氣與氧化劑混合后再次參加燃燒過程的燃燒方式。根據(jù)應用領域不同特點，在工業(yè)燃燒器、鍋爐、燃氣輪機中這種燃燒技術被稱為煙氣再循環(huán)技術（FlueGas Recirculation，F(xiàn)GR） ，應用在內(nèi)燃機則通常稱為廢氣再循環(huán)技術 （Exhaust Gas Recirculation，EGR） ，而在斯特林發(fā)動機中則被稱為燃氣再循環(huán)技術（Combustion Gas Recirculation，CGR）。

渦輪增壓器空氣循環(huán)閥，它由端蓋、空氣循環(huán)閥定位支架、空氣循環(huán)閥膜片、彈簧座、彈簧和安裝在端蓋上的氣嘴組成，彈簧、彈簧座、空氣循環(huán)閥膜片和空氣循環(huán)閥定位支架依次安裝在端蓋內(nèi)，彈簧的一端與端蓋的內(nèi)端面接觸，另一端頂在彈簧座的內(nèi)端面，空氣循環(huán)閥膜片安裝在彈簧座的外端面上，空氣循環(huán)閥定位支架壓在空氣循環(huán)閥膜片上。

在空氣循環(huán)閥膜片與空氣循環(huán)閥定位支架接觸的密封端面上設有一圈圓弧形的凸臺。在空氣循環(huán)閥定位支架的圓周上設有一圈復數(shù)個氣流孔，氣流孔均勻地布置在空氣循環(huán)閥定位支架的圓周上?？諝庋h(huán)閥通過螺栓安裝在壓氣機氣體出口處，空氣循環(huán)閥定位支架在彈簧的作用下頂在壓氣機氣體出口處。

1、工業(yè)燃燒器

在工業(yè)燃燒器中無論是普通的燃氣燃燒器、燃油燃燒器，還是純氧燃燒器，煙氣再循環(huán)技術都有著廣闊的應用前景。高溫空氣燃燒是實現(xiàn)工業(yè)燃燒的有效方法，其核心即是通過煙氣再循環(huán)實現(xiàn)對空氣的預熱。該燃燒方式具有火焰體積成倍增加、火焰溫度場分布均勻、低NOx排放等顯著優(yōu)點。

夏德宏等提出將收縮－擴張結構用于燃燒器的空氣通道。開發(fā)出了用于高溫空氣燃燒的煙氣自循環(huán)型燃燒器，該燃燒器利用空氣經(jīng)過縮放通道形成的負壓區(qū)卷吸燃燒室大量的煙氣，助燃空氣在燃燒之前被加熱和稀釋到較低的氧含量。通過數(shù)值模擬分析了喉部面積對煙氣自循環(huán)式燃燒的影響規(guī)律。實際運行中該燃燒器與常規(guī)燃燒器相比排煙溫度降低了30K，效率提高了9%，燃料節(jié)約率13%，具有相當可觀的經(jīng)濟效益。

此外，煙氣再循環(huán)對燃油霧化亦有一定改善效果。劉聯(lián)勝等研究煙氣再循環(huán)對氣泡霧化噴嘴下游的旋流液霧火焰宏觀特性以及燃燒產(chǎn)物成分的影響。研究表明： 煙氣再循環(huán)一方面提高了油霧顆粒蒸發(fā)速度，改變了燃油液霧旋流火焰的宏觀特性，使其火焰長度縮短、剛性增強，而且削弱了高溫區(qū)的存在，顯著降低了煙氣中不完全燃燒產(chǎn)物，使燃燒效率得到提高； 另一方面煙氣再循環(huán)大大降低了火焰高溫區(qū)的氧氣體積分數(shù)，抑制了NOx的形成，從而可使NOx排放量大幅度減少。

純氧燃燒技術在玻璃爐窯、冶金工業(yè)爐窯中的應用取得了良好的節(jié)能減排效果。在對已有的燃燒系統(tǒng)從普通空氣燃燒改造為純氧燃燒的過程中，由于純氧燃燒溫度特別高，因此需要利用燃燒器將大量的煙氣回流實現(xiàn)對溫度的控制，從而避免燒嘴和燒嘴磚的過熱燒損和煙氣減少帶來的局部高溫的問題。Mark D等研究一種典型的煙氣外循環(huán)式純氧燃燒器。該燃燒器的回流煙氣通過控制閥從管道進入預燃室，在預燃室中與燃料和氧氣充分混合后進入主燃燒室進行燃燒反應。該燃燒器主要應用在對普通空氣助燃的燃燒設備進行純氧燃燒改造上，可實現(xiàn)類似于普通燃燒時的火焰特性。

2、燃煤鍋爐

燃煤鍋爐燃燒中煙氣再循環(huán)技術主要與空氣分離、富氧增壓燃燒等技術相結合，形成有自己特點的燃燒技術。Horne和Steinburg提出空氣分離/再循環(huán)技術，也稱為O₂/CO₂燃燒技術。

該技術原理圖如圖1所示。

空氣分離將氧氣從空氣中分離出來，分離出來的純氧與鍋爐燃燒的部分煙氣混合成新的混合氣，替代原來的空氣作為燃料的氧化劑，由于氮氣在空氣分離時被分離掉，所以該過程燃燒產(chǎn)物中CO₂的含量達到95%以上。煙氣大部分直接液化處理。其余再循環(huán)煙氣與純氧按照一定比例混合后進入爐膛，進行與常規(guī)燃燒方式類似的燃燒過程?？諝夥蛛x/煙氣再循環(huán)燃燒技術不僅能使分離收集CO₂容易進行，還同時具備相當?shù)偷腘Ox排放和較高的脫硫效率的功能，能夠有效控制燃煤污染。

由于常規(guī)空氣分離/煙氣再循環(huán)燃燒技術中將二氧化碳壓縮為液態(tài)需要消耗大量能量。因此美國Thermo Energy公司在常規(guī)空氣分離/煙氣再循環(huán)燃燒技術基礎上提出增壓富氧燃燒技術。增壓富氧燃燒的整體化發(fā)電系統(tǒng)的燃燒與捕集CO₂的全過程均在6～8MPa的高壓下完成，大大減少壓縮電耗與壓降損失，與常壓富氧燃燒采用多級壓縮與制冷捕集CO₂相比，壓縮電耗大大減少。煙氣回流燃燒室前仍會有一定的壓降，因此需要利用煙氣再循環(huán)壓縮機對再循環(huán)煙氣進行壓縮升壓后循環(huán)回燃燒室。在高壓下對氣體進行壓縮升壓，再循環(huán)壓縮機的電耗較大，使整體系統(tǒng)經(jīng)濟性下降。針對上述問題，由于CO₂在6MPa高壓下的液化溫度為25°C左右，因此提出一種先將CO₂液化升壓再汽化蒸發(fā)為氣態(tài)CO₂后循環(huán)回燃燒室的新型煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。對液態(tài)CO₂進行壓縮升壓的增壓泵的電耗遠小于對氣態(tài)CO₂進行壓縮升壓的壓縮機的電耗，故采用此種將CO₂先液化再蒸發(fā)的新型煙氣再循環(huán)系統(tǒng)可使整體發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性提高。

3、燃氣輪機

最初煙氣再循環(huán)燃燒技術主要應用于各種燃燒設備，后來逐漸應用在動力設備。煙氣再循環(huán)應用在燃氣輪機上的研究重點為通過煙氣再循環(huán)技術來實現(xiàn)燃氣輪機燃燒室的無焰燃燒。燃氣輪機燃燒室與工業(yè)燃燒爐有很大的不同，具體表現(xiàn)在： 燃氣輪機燃燒室沒有熱量析出，工作在高壓下，在燃燒之前甚至在燃燒產(chǎn)物中仍然保持很高的氧氣濃度，所以實現(xiàn)無焰燃燒以及相關的NOx排放的關鍵條件就是在有限空間完成空氣和大量煙氣的強烈混合，避免在煙氣稀釋空氣之前發(fā)生直接燃燒。

佐治亞理工大學M. K. Bobba等研究了采用滯止點回流穩(wěn)定 （Stagnation Point Reverse Flow，SPRF） 技術來實現(xiàn)燃氣輪機模型燃燒室的無焰燃燒。該模型燃燒室反應物沿中心噴射進入，在回流滯止點形成燃燒的穩(wěn)定點。煙氣在燃料外部回流，起到稀釋氧濃度，預熱燃料和空氣的作用。該燃燒室可以燃燒液體或固體，燃燒方式可以是預混或者非預混，均可以保持很低的污染排放。

4、內(nèi)燃機

在內(nèi)燃機領域煙氣再循環(huán)技術被稱為廢氣再循環(huán)技術（Exhaust Gas Recirculation，EGR）。其主要研究內(nèi)容為如何提高EGR率和EGR對內(nèi)燃機燃燒特性、傳熱特性的影響。

郭鵬江等研究利用文丘里管和可變噴嘴增壓器（VNT） 提高柴油機NOx的EGR率，來降低柴油機排放。試驗結構采用串聯(lián)全流式EGR系統(tǒng)。從渦輪前取氣，經(jīng)過EGR冷卻器、EGR閥； 利用文丘里管的引射作用，引射廢氣與新鮮空氣混合?；旌蠚膺M入發(fā)動機進行燃燒。采用文丘里管可以先降低增壓器后壓力，在文丘里管的喉口處壓力最低； 設計成縮放結構，使壓力在擴壓段能得到很大程度的恢復，不至于由于之前壓力的降低影響進氣流量的降低，使柴油機動力性和經(jīng)濟性變差。由于渦輪前取氣，大負荷可以通過減小噴嘴環(huán)的流通面積來提高排氣壓力，這樣能通過進一步增加渦輪前壓力和增壓器后壓力的差值來提高EGR率。結果表明： 基于VNT的EGR系統(tǒng)，擴展了EGR率的范圍，小負荷的EGR率能達到30%，大大地降低了NOx的排放，而且保證柴油機動力性、經(jīng)濟性基本不變。

5、斯特林發(fā)動機

斯特林發(fā)動機作為外燃機，具有燃料多樣性，排放低等優(yōu)點，在斯特林發(fā)動機領域煙氣通常沒有經(jīng)過進排氣系統(tǒng)，而是采用引射器來組織流暢，在燃燒室內(nèi)完成煙氣的循環(huán)，因此稱為燃氣再循環(huán)技術（Combustion Gas Recirculation，CGR）。其中根據(jù)燃燒壓力不同又可以分為常壓和高壓兩種燃燒系統(tǒng)。為了讓斯特林發(fā)動機在熱電聯(lián)供系統(tǒng)中有一席之地，就必須充分發(fā)揮斯特林發(fā)動機低排放的優(yōu)勢。

瑞典Lund University的Palsson M基于SOLO161斯特林發(fā)動機設計和研究了天然氣CHP（Com-bined Heat and Power） 用斯特林發(fā)動機燃燒室。該燃燒室采用燃料引射回流燃氣的方式，氣體燃料從中心噴嘴噴出，之前燃燒的燃氣部分被引射入混合管與被預熱的空氣和氣體燃料充分混合，剩余的燃氣經(jīng)過預熱器排出燃燒室，該燃燒混合管較長，在燃燒前燃料與空氣已經(jīng)充分混合，屬于預混燃燒。研究表明該燃燒方式相比于催化燃燒等燃燒方式具有更低的NOx和HC排放，提高了斯特林發(fā)動機應用在CHP領域的競爭力。為了避免純氧燃燒時產(chǎn)生的高溫，就必須應用燃氣再循環(huán)技術來降低火焰溫度，避免加熱管和油頭的燒損。Tian Lu等研究了高背壓下柴油 純氧為熱源的斯特林發(fā)動機引射式燃燒室柔和燃燒特性。其工作方式為純氧從周向布置氧噴嘴噴出，高速氣流在混合管內(nèi)形成負壓區(qū)，引射部分高溫煙氣進入混合管與氧氣混合，形成可燃混合氣，經(jīng)過旋流器產(chǎn)生旋流，壓力渦旋噴嘴噴出的油與旋流混合氣混合，之后進入主燃區(qū)參與燃燒反應。數(shù)值模擬和實驗表明隨著氧氣引射煙氣量的增加，該燃燒室可以形成柔和燃燒，柔和燃燒使得整個燃燒室溫度更均勻，降低了最高溫度，發(fā)動機效率從31.2%提高到32.3%。燃氣再循環(huán)實現(xiàn)柔和燃燒技術可以應用在斯特林發(fā)動機燃燒室，設計引射量足夠大的引射器是實現(xiàn)引射式柔和燃燒的技術難點。