氣環(huán)功能

如果密封不良，不但發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難、功率下降，燃油和機(jī)油的消耗量增加，機(jī)油老化變質(zhì)，而且還由于活塞環(huán)外圓與氣缸壁貼合不嚴(yán)密，活塞頂部接受的熱傳不出去，而導(dǎo)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(dòng)機(jī)的每個(gè)活塞裝有2~3道氣環(huán)。

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(cè)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(cè)隙和背隙，氣缸內(nèi)未被密封的氣體不能通過(guò)第一密封面下竄，變竄入側(cè)隙和背隙。由于側(cè)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(cè)氣體壓力。另外，活塞環(huán)在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(cè)面密封的壓緊力是環(huán)側(cè)氣體壓力、環(huán)的慣性力和環(huán)與缸壁的摩擦力3個(gè)沿著氣缸軸線方向力的代數(shù)和。作功與壓縮行程，對(duì)密封的要求高，此時(shí)氣體壓力一般起主導(dǎo)作用，使活塞環(huán)緊推壓在環(huán)槽的下側(cè)，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(cè)，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(cè)，而進(jìn)氣行程在環(huán)槽的上側(cè)，另外，在某臨界轉(zhuǎn)速和一定的工作狀態(tài)下，3個(gè)力可能互相平衡，即合力為零，環(huán)即暫時(shí)在槽內(nèi)浮動(dòng)而跳上跳下，并可引起環(huán)的徑向振動(dòng)，使一個(gè)或兩個(gè)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(guò)端隙的氣流大于環(huán)和缸壁的摩擦力時(shí)，環(huán)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而對(duì)口漏氣?？梢姯h(huán)在氣缸中有3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即跳動(dòng)浮起、徑向顫振、旋轉(zhuǎn)對(duì)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(cè)隙的氣體，產(chǎn)生背壓力和側(cè)壓力，使環(huán)對(duì)缸壁和環(huán)槽進(jìn)一步壓緊，顯著加強(qiáng)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(shí)，環(huán)的背壓力遠(yuǎn)大于環(huán)的彈力，所以此時(shí)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(gè)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(cuò)開，形成迷宮式封氣路線，氣體通過(guò)各道環(huán)口以后，壓力顯著下降，其漏氣量在高速發(fā)動(dòng)機(jī)上是很微小的，一般僅為進(jìn)氣量的0.2%~1.0%。

隨著環(huán)境污染加重、能源的日益緊缺，人們希望通過(guò)新型燃燒方式來(lái)實(shí)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(lǐng)域得到應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能減排效果。其中，煙氣再循環(huán)技術(shù)具有降低NOx排放、提高燃燒效率的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒器、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)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(guò)程的燃燒方式。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同特點(diǎn)，在工業(yè)燃燒器、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)中這種燃燒技術(shù)被稱為煙氣再循環(huán)技術(shù)（FlueGas Recirculation，F(xiàn)GR） ，應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)則通常稱為廢氣再循環(huán)技術(shù) （Exhaust Gas Recirculation，EGR） ，而在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中則被稱為燃?xì)庠傺h(huán)技術(shù)（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(shè)有一圈圓弧形的凸臺(tái)。在空氣循環(huán)閥定位支架的圓周上設(shè)有一圈復(fù)數(shù)個(gè)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(guò)螺栓安裝在壓氣機(jī)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(jī)氣體出口處。

1、工業(yè)燃燒器

在工業(yè)燃燒器中無(wú)論是普通的燃?xì)馊紵?、燃油燃燒器，還是純氧燃燒器，煙氣再循環(huán)技術(shù)都有著廣闊的應(yīng)用前景。高溫空氣燃燒是實(shí)現(xiàn)工業(yè)燃燒的有效方法，其核心即是通過(guò)煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的預(yù)熱。該燃燒方式具有火焰體積成倍增加、火焰溫度場(chǎng)分布均勻、低NOx排放等顯著優(yōu)點(diǎn)。

夏德宏等提出將收縮－擴(kuò)張結(jié)構(gòu)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(guò)縮放通道形成的負(fù)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(guò)數(shù)值模擬分析了喉部面積對(duì)煙氣自循環(huán)式燃燒的影響規(guī)律。實(shí)際運(yùn)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(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，煙氣再循環(huán)對(duì)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(duì)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(zhǎng)度縮短、剛性增強(qiáng)，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?jǐn)?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(shù)在玻璃爐窯、冶金工業(yè)爐窯中的應(yīng)用取得了良好的節(jié)能減排效果。在對(duì)已有的燃燒系統(tǒng)從普通空氣燃燒改造為純氧燃燒的過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，從而避免燒嘴和燒嘴磚的過(guò)熱燒損和煙氣減少帶來(lái)的局部高溫的問(wèn)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(guò)控制閥從管道進(jìn)入預(yù)燃室，在預(yù)燃室中與燃料和氧氣充分混合后進(jìn)入主燃燒室進(jìn)行燃燒反應(yīng)。該燃燒器主要應(yīng)用在對(duì)普通空氣助燃的燃燒設(shè)備進(jìn)行純氧燃燒改造上，可實(shí)現(xiàn)類似于普通燃燒時(shí)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(shù)主要與空氣分離、富氧增壓燃燒等技術(shù)相結(jié)合，形成有自己特點(diǎn)的燃燒技術(shù)。Horne和Steinburg提出空氣分離/再循環(huán)技術(shù)，也稱為O₂/CO₂燃燒技術(shù)。

該技術(shù)原理圖如圖1所示。

空氣分離將氧氣從空氣中分離出來(lái)，分離出來(lái)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(lái)的空氣作為燃料的氧化劑，由于氮?dú)庠诳諝夥蛛x時(shí)被分離掉，所以該過(guò)程燃燒產(chǎn)物中CO₂的含量達(dá)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(jìn)入爐膛，進(jìn)行與常規(guī)燃燒方式類似的燃燒過(guò)程?？諝夥蛛x/煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)不僅能使分離收集CO₂容易進(jìn)行，還同時(shí)具備相當(dāng)?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(shù)中將二氧化碳?jí)嚎s為液態(tài)需要消耗大量能量。因此美國(guó)Thermo Energy公司在常規(guī)空氣分離/煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上提出增壓富氧燃燒技術(shù)。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(guò)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(jí)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(huì)有一定的壓降，因此需要利用煙氣再循環(huán)壓縮機(jī)對(duì)再循環(huán)煙氣進(jìn)行壓縮升壓后循環(huán)回燃燒室。在高壓下對(duì)氣體進(jìn)行壓縮升壓，再循環(huán)壓縮機(jī)的電耗較大，使整體系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性下降。針對(duì)上述問(wèn)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(duì)液態(tài)CO₂進(jìn)行壓縮升壓的增壓泵的電耗遠(yuǎn)小于對(duì)氣態(tài)CO₂進(jìn)行壓縮升壓的壓縮機(jī)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(jì)性提高。

3、燃?xì)廨啓C(jī)

最初煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)主要應(yīng)用于各種燃燒設(shè)備，后來(lái)逐漸應(yīng)用在動(dòng)力設(shè)備。煙氣再循環(huán)應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)上的研究重點(diǎn)為通過(guò)煙氣再循環(huán)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無(wú)焰燃燒。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室與工業(yè)燃燒爐有很大的不同，具體表現(xiàn)在： 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室沒(méi)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(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒以及相關(guān)的NOx排放的關(guān)鍵條件就是在有限空間完成空氣和大量煙氣的強(qiáng)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(xué)M. K. Bobba等研究了采用滯止點(diǎn)回流穩(wěn)定 （Stagnation Point Reverse Flow，SPRF） 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)模型燃燒室的無(wú)焰燃燒。該模型燃燒室反應(yīng)物沿中心噴射進(jìn)入，在回流滯止點(diǎn)形成燃燒的穩(wěn)定點(diǎn)。煙氣在燃料外部回流，起到稀釋氧濃度，預(yù)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(yù)混或者非預(yù)混，均可以保持很低的污染排放。

4、內(nèi)燃機(jī)

在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域煙氣再循環(huán)技術(shù)被稱為廢氣再循環(huán)技術(shù)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）。其主要研究?jī)?nèi)容為如何提高EGR率和EGR對(duì)內(nèi)燃機(jī)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(jī)NOx的EGR率，來(lái)降低柴油機(jī)排放。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)全流式EGR系統(tǒng)。從渦輪前取氣，經(jīng)過(guò)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(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)成縮放結(jié)構(gòu)，使壓力在擴(kuò)壓段能得到很大程度的恢復(fù)，不至于由于之前壓力的降低影響進(jìn)氣流量的降低，使柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差。由于渦輪前取氣，大負(fù)荷可以通過(guò)減小噴嘴環(huán)的流通面積來(lái)提高排氣壓力，這樣能通過(guò)進(jìn)一步增加渦輪前壓力和增壓器后壓力的差值來(lái)提高EGR率。結(jié)果表明： 基于VNT的EGR系統(tǒng)，擴(kuò)展了EGR率的范圍，小負(fù)荷的EGR率能達(dá)到30%，大大地降低了NOx的排放，而且保證柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性基本不變。

5、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為外燃機(jī)，具有燃料多樣性，排放低等優(yōu)點(diǎn)，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域煙氣通常沒(méi)有經(jīng)過(guò)進(jìn)排氣系統(tǒng)，而是采用引射器來(lái)組織流暢，在燃燒室內(nèi)完成煙氣的循環(huán)，因此稱為燃?xì)庠傺h(huán)技術(shù)（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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)低排放的優(yōu)勢(shì)。

瑞典Lund University的Palsson M基于SOLO161斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和研究了天然氣CHP（Com-bined Heat and Power） 用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。該燃燒室采用燃料引射回流燃?xì)獾姆绞?，氣體燃料從中心噴嘴噴出，之前燃燒的燃?xì)獠糠直灰淙牖旌瞎芘c被預(yù)熱的空氣和氣體燃料充分混合，剩余的燃?xì)饨?jīng)過(guò)預(yù)熱器排出燃燒室，該燃燒混合管較長(zhǎng)，在燃燒前燃料與空氣已經(jīng)充分混合，屬于預(yù)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(dòng)機(jī)應(yīng)用在CHP領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。為了避免純氧燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫，就必須應(yīng)用燃?xì)庠傺h(huán)技術(shù)來(lái)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(dòng)機(jī)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(fù)壓區(qū)，引射部分高溫?zé)煔膺M(jìn)入混合管與氧氣混合，形成可燃混合氣，經(jīng)過(guò)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(jìn)入主燃區(qū)參與燃燒反應(yīng)。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(gè)燃燒室溫度更均勻，降低了最高溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)效率從31.2%提高到32.3%。燃?xì)庠傺h(huán)實(shí)現(xiàn)柔和燃燒技術(shù)可以應(yīng)用在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，設(shè)計(jì)引射量足夠大的引射器是實(shí)現(xiàn)引射式柔和燃燒的技術(shù)難點(diǎn)。