汽油机均质混合压燃燃烧(HCCI).doc

汽油机均质混合气压燃燃烧（HCCI）技术孙 庆1，秦松涛1，张 勇2（1重庆交通学院机电学院，400074；2重庆工学院，）摘要：在汽油机普遍采用电控技术，发动机性能得到较大改善的今天，稀薄燃烧技术为汽油机性能的提高提供了广阔的前景。而HCCI燃烧技术，是一种集常规汽油机和柴油机于一体的新概念燃烧。本文在介绍HCCI燃烧技术的基础上，分析了汽油机实施HCCI的可行性，并介绍了HCCI发动机实用化所面临的问题，提出了废气再循控制HCCI燃烧过程的方案等。关键词：汽油机 稀薄燃烧 均质混合气压燃燃烧技术 废气再循环 中图分类号： 文献标识码：AHomogeneous Chrage Compression Ignition (HCCI)Technology Used For Gasoline EngineAbstract： Up today, most of gasoline engines are controlled by electric technology. The functions has raise strongly. The lean combustion skill put a great future in the port fuel injection system. But the HCCI technology, a new combustion concept, which incorporates the best features and discards the disadvantages of both traditional spark ignition (SI) gasoline engine and compression ignition (CI) diesel engine. In this article, feasibility of gasoline engines that implement HCCI technology is analyzed based on the introduction of the HCCI technology；the problems facing the practicability of HCCI engine are introduced；and scheme which controls HCCI combustion process adopting engine gas recirculation (EGR) and so on .Key Words：gasoline engine, lean combustion technology, HCCI, engine gas recirculation EGR 1、引言随着近几年油价的不断攀升以及能源供给的日益紧张，人们对车用发动机的燃油经济性更加重视，采取了许多有效措施，其中的汽油机稀薄燃烧技术，就是改进汽油机燃油经济性的重要手段。稀薄燃烧指的是发动机在实际空燃比大于理论空燃比的情况下的燃烧，它可以使燃料的燃烧更加完全，同时，辅以相应的排放控制措施，汽油机的有害排放物CO、HC、NOx、CO2等将大为减少，且稀燃时燃烧室内的主要成分O2和N2的比热较小，多变指数n较高，因而发动机的热效率高，燃油经济性好。然而，随着汽车内燃机技术的发展以及排放法规的日益严格，特别是“欧”乃至将来的“欧”法规,对现有内燃机技术提出了更为严峻的挑战。目前已应用的较先进的技术(如柴油机的高压共轨和预喷射、汽油机的分层稀薄混合气燃烧和缸内直喷,以及废气再循环、废气催化转化、微粒捕捉等)都难以完全满足新法规的要求。近几年提出并正在积极研究的一种汽油机均质混合气压燃燃烧（HCCI）技术则可望使内燃机的排放性能获得新的突破。2、均质混合气压燃燃烧技术（HCCI） 早在20世纪30年代，人们就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧方式在汽油机上存在，但因它难以控制而被看作是一种异常燃烧现象（爆震），认为应尽量抑制和避免。在二冲程发动机上真正有意识应用HCCI燃烧始于1979年Onishi和Nouchi的研究。随后Yoichi, Gentili等仔细研究了利用内部EGR在二冲程发动机上实现HCCI的应用；Norimasa等人研究了代用燃料在二冲程发动机上实施HCCI燃烧的状况。第一次在四冲程汽油机上实现HCCI燃烧模式见于1983年Najt的报道。1989年Thring等研究了HCCI燃烧在汽油机上应用的工作范围。近几年，Aoyama,Magnus等人研究了汽油和代用燃料HCCI燃烧控制的方法，Mase, Yokota等人研究了柴油HCCI燃烧的控制方法。这些工作深化了对HCCI燃烧认识，为HCCI的燃烧控制提供了经验。而如今，在汽车市场竞争激烈的今天，很多汽车厂家开始围绕“HCCI”技术展开了竞争。丰田汽车传动系统开发部主管Masatami Takimoto表示，“所有汽车厂商都希望把汽油发动机燃烧效率提高一倍，我们也不例外，正在全力以赴地研发类似的技术。” 据有关资料介绍，HCCI技术能够把汽油发动机的燃烧效率提高30%。不论是美国的通用汽车、福特汽车，抑或德国的大众汽车、戴姆勒-克莱斯勒，还是日本的丰田汽车、日产汽车、本田汽车，都对这项技术倾注了很大的努力。 虽然，HCCI发动机也和传统的汽油发动机一样，都是向汽缸里面注入均匀的空气和燃料混合气，但传统的汽油发动机通过火花塞点火，点燃可燃混合气，通过燃烧释放出热能，再将热能转换为机械能输出。而HCCI发动机的点火过程同柴油发动机相类似，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。其既有传统汽油机混合气均质混合，又有传统柴油机的压燃式工作。通过图1可以看出HCCI发动机与传统汽油机、传统柴油机以及缸内直喷汽油机的相似和区别。传统汽油机直喷式汽油机传统柴油机均质混合气压缩着火非均质混合气火花点燃HCCI 图1 HCCI和现有内燃机的关系均质混合气压燃燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。HCCI发动机利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式。它通过提高压缩比，采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在气缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并缩短了火焰传播距离和燃烧持续期。它与柴油机燃烧方式的不同在于：柴油机在着火时刻燃油还没有完全蒸发混合，进行的是扩散燃烧方式，燃烧速率主要受燃油蒸发以及与空气混合速率的影响；而进行HCCI燃烧的混合气在着火以前已经均匀混合，进行的是预混燃烧模式。因此，HCCI发动机兼有传统汽油机和柴油机的优点。3、HCCI技术在汽油机上运用的可行性及优点3.1HCCI技术在汽油机上运用的可行性从汽油的理化特性分析，汽油的蒸发性能好，因而在常温或稍加热的条件下容易与空气形成预制均质混合气。然而汽油的自燃温度高，难自燃。预制均质混合气若实现压燃，需要压缩温度高于自燃温度。研究结果表明，包括汽油在内常见的液体燃料，在一定压力和温度下都可自燃，只是燃点不同2。在高压缩比汽油机上，汽油在压缩温度900 K以上可以着火燃烧1。传统汽油机利用火花塞点火，需要混合气稳定性好、抗爆性好，无自燃现象的干扰。而爆震燃烧，正是由汽油的自燃现象引起的，其工作粗暴，对发动机的破坏性大。通过一般产生爆震的机理可知，火花点火燃烧与汽油自燃现象的同时发生是出现爆震的关键条件。HCCI汽油机要利用汽油的自燃能力，实现均质混合气压缩着火。要避免压缩压力和温度过高，以及燃烧速度过快。试验结果证明，汽油机在较稀混合气的情况下，选择适当的进气温度和压缩比，可以实现可靠压燃，柔和工作，得到良好的性能指标2。3.2 HCCI汽油机具备的优点3.2.1 HCCI燃烧方式有较高的动力性和燃油经济性。首先，由于采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机比功率高的特点；由于节流损失减小，压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近于理想的等容燃烧，热效率较高，改善了部分负荷下燃油经济性。3.2.2 HCCI燃烧方式有利于降低NOx和碳烟排放通过采用大空燃比混合气和利用废气再循环把燃烧温度控制在1850K以下，有效地抑制了NOx的生成，几乎做到了无烟燃烧。如1998年MagnMs等做的异辛烷(代替汽油)、乙醇和天然气三种燃料在自然吸气、进气增压下的HCCI燃烧模式的研究表明，HCCI燃烧的指示效率可以超过50%，NOx在所研究的条件下均达到了较低的水平(降低90%98%)，甚至低于进气道喷射汽油机三元催化器转化后的水平。但试验中也发现CO和HC排放有所升高，不过这两种排放可以通过氧化催化剂解决。此外，HCCI发动机还有简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计等优点。4、HCCI汽油机实用化问题虽然HCCI技术受到了广泛的重视，但在其批量生产实用产品的路上还面临一些技术问题，美国能源部的技术报告指出4，HCCI燃烧技术尚待解决的技术问题有以下9个： ( 1 ) 随发动机转速和负荷改变控制着火定时(Ignition Timing),即着火时刻的控制； ( 2 ) 高负荷运行时燃烧率的控制(使放热率放慢，限止噪声或过高燃烧压力)； ( 3 ) 发动机冷起动； ( 4 ) 排放(特别是低负荷HC和CO排放)控制系统的发展； ( 5 ) 发动机变工况运行； ( 6 ) 发动机控制策略和系统(闭环反馈系统)的发展以及相应传感器的研制； ( 7 ) 合适燃料(包括混合燃料)的开发； ( 8 ) 多缸机各缸均匀性的保证；( 9 ) HCCI的燃烧模拟。其中，以着火时刻点的控制、工况范围的局限性以及冷启动难问题尤为重要。5 、HCCI发动机燃烧过程的控制在传统的火花点火式和压燃式发动机的燃烧系统中，着火时刻是分别通过点火系统直接控制和喷射系统间接控制；而燃烧速率又是分别通过火焰传播速率和空气与燃油的混合率来控制的。但是，HCCI燃烧过程主要是由化学动力学所控制，燃烧几乎同步进行，不能采用上述传统的方法，因此只能采用其他的一些间接方法来控制HCCI燃烧，而且还有两方面的要求，一方面是控制着火时刻发生在上止点附近；另一方面是控制好燃烧放热速率，避免粗暴燃烧引起敲缸。HCCI燃烧中，着火时刻和燃烧速率这两个参数基本上由可燃混合物的化学动力学来控制。研究表明：燃料的自燃性主要依赖于其成分、分子大小和结构，也就是说，HCCI燃烧的开始是由空气/燃料混合气的自燃化学特性决定，而可燃混合气的自燃特性受混合气的性质和缸内温度变化的影响，因此，HCCI燃烧过程的影响因素是：燃料的自燃特性；燃料的浓度；残余废气率和残余废气的可反应性；混合物的均匀性；压缩比；进气温度及燃料的汽化潜热和缸内温度；气缸周围壁面的传热；以及其它与发动机有关的参数等。这些影响因素往往不是孤立的，而是互相关联的。根据近年来世界各国研究人员的试验研究结果，可得出一些间接控制HCCI燃烧的方法，大体上可分为两类，一类是改变空气/燃料的混合特性，如提高进气温度，调节空燃比，使用EGR，使用添加剂，改变燃料的性质；另一类是改变发动机的工作和设计参数，如可变压缩比，可变气门正时，增压，使用不同的燃料喷射方式等。6、可变废气再循环（EGR）6.1 废气再循环 根据上面有关HCCI燃烧方式所遇到的问题，各国的科学家们都在研究解决的办法，比如有双工作模式、可变压缩比(VCR)方案、可变排气门关闭时刻方案和可变废气再循环(EGR)控制HCCI燃烧过程的方案等。通过EGR对HCCI燃烧过程进行控制有两种方法：内部EGR法和外部EGR法。 内部EGR对HCCI燃烧有两方面作用，即热作用和化学作用。因此EGR对HCCI燃烧的影响就是热作用和化学作用综合作用的结果。热作用与EGR的高温相联系。它提高了全部进气充量的温度，帮助充量克服它的活化能，从而提早着火时刻。化学作用来自EGR包含的化学活性种类。进气充量的温度维持不变时，EGR所包含越多的化学活性种类，着火出现越早。当EGR的数量和质量固定时，越高的进气温度引起更早的燃烧着火。因此，在燃烧过程中，当空气/燃料混合气与吸入的热残余EGR混合时将提高发动机充量的温度。通过调节残余EGR的量，可以控制HCCI燃烧的着火延迟和放热率。 外部EGR因经过冷却比内部EGR有更低的温度，而且它降低了化学反应速率，从而延迟着火时刻，降低放热率及气缸峰值压力。6.2 可变废气再循环可变废气再循环的工作原理是在发动机上设置高温废气再循环系统，依据发动机负荷的大小和转速的高低调节废气再循环的量。通过废气再循环的废气，使混合气压缩温度达到启燃温度。中低负荷工况，需要有废气保温措施。在大负荷工况，切断废气再循环，发动机燃烧模式恢复到火花点火燃烧方式。在冷启动时，采用传统的火花点燃式工作，在发动机运行正常后转换为H CCI燃烧模式。废气再循环在HCCI汽油机上的作用，有关理论认为： ( 1 ) 高温废气提高混合气的温度，增强混和气的着火能力； ( 2 ) 高温废气为燃料燃烧反应的化学准备过程提供热氛围，使燃料产生活化成分，从而提高着火能力； ( 3 )废气在燃烧过程中，缓和燃烧压力升高率，柔化燃烧。当然，利用废气再循环技术来控制HCCI燃烧过程是比较复杂的一项技术，增加废气量可使混合物压缩温度升高、活化成分增多，利于启燃，着火时刻提前，而同时又使燃烧过程减缓，容易失火。因此，对各工况废气量比例的确定，都必须以试验调试结果为依据，综合考虑发动机性能和有关成本。7、结束语HCCI突破了现有内燃机的燃烧模式，HCCI发动机具有热效率高、燃油经济性好。能使有害排放物大幅度降低、适应各种类型的燃料等优点，有极其广阔的发展前景。为了获得成功的商业应用，还必须解决诸如在发动机全面运转负荷范围内控制着火时刻和燃烧速率的问题及冷起动困难的问题。为尽快将HCCI燃烧方式应用于汽油机产品，可采取双工作模式的方案：在中低负荷工况实施HCCI，而在大负荷工况和冷起动工况采用常规压缩比和火花点火。目前,我国对HCCI的研究基本还是空白,不过随着时间的推移,对燃烧认识的深入,HCCI的应用将会进入一个崭新的阶段。参 考 文 献1 Christensen M，Hultqvist A，Johansson B .Demonstrating the Multi-Fuel Capability o