发动机均质充量压缩燃烧技术

1、发动机均质充量压缩燃烧技术 1.4 发动机均质充量压缩燃烧技术 1.4.1传统燃烧概念局限性 汽油机： 传统的汽油机属于预混均质燃烧， 由于汽油特性以及爆震等诸多因素的限制，因 此，压缩比低，热效率低。与汽油机相比。 柴油机：柴油机具有较高的热效率和优越的燃 油经济性，但是，传统柴油机的燃烧是燃料喷 雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终 点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空 气的混和时间很短，燃料与空气混和的严重不 均匀，混合气分为高温过浓区和高温火焰区， 导致碳烟和N0排放生成。 1.4.2 发动机均质充量压缩燃烧（HCCI）技术 三种发动机 燃烧比较 HCCI是英文“Homogen

2、eous Charge Compression Ignition” 的缩写，中文意 思是“均质充量压缩点燃”。它是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新 型燃烧方式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质 混合气自燃着火。 HCCI简介 基本原理：通过压缩缸内均匀的燃油和 空气的混合气，在上止点(TDC)附近实现 自燃。因此在本文将这种燃烧方式统称 为HCCI燃烧，即均质压燃。 汽油机汽油机 柴油机柴油机 HCCI的燃烧机理 HCCI燃烧的能量释放过程是受多种化学动力学因素支配的， 这些因素进而又受流体静力学和热力学状态历程的影响。 普遍认为，燃烧的引发受化学动力学的控制，因为缸内的

3、 混合气受到压缩，温度和压力上升。温度和压力的时间历 程、压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性 和残余废气量，连同O2的浓度、不同的燃油含量和燃烧产 物，共同支配着燃烧开始的方式。因此，HCCI燃烧具有非 常小的循环偏差，而且不存在火焰传播过程。 HCCI特征 1 采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发 动机的进气系统中预混合，形成均质的空 气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。 也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气 进行预混合的。 2 采用比火花点燃式发动机高得多的压缩 比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变 动。 3为了使均质混合气能够通过压缩而点燃， 必要时需对吸入空气进行加热。

4、 4采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气 温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是 说，不需要任何点火系统。 5 由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀 薄的混合气，因此可以按照变质调节的方 式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不 需要节气门。 6 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大 体上是整个气缸内同时开始的。可以采用 过量空气或者残余废气达到高度稀释的混 合气。 7 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一 个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天 然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主 要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。 还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料 配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起 点

5、和负荷范围的方法。也有人试图用柴油 作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。 7 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一 个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天 然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主 要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。 还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料 配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起 点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油 作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。 比较内容点燃式发动机压燃式发动机HCCI发动机 燃料汽油等柴油、乙醇、天然气等均可，范围更广 过量空气系数1左右1.6-2.2范围更广 混合气形成方式喷射-均质喷射-浓稀均质 稀薄燃烧否是是 点火方式点燃压燃压

6、缩自燃 点火系统有无无 燃烧方式预混合燃烧扩散燃烧同时着火 节气门有无无 扭矩调节方式变量调节变质调节变质调节 压缩比较低较高较高 火焰有有无明显火焰前锋 压缩终了温度较低较高较高 燃烧温度较高局部较高相对低温 理论循环等容加热混合加热等容加热 泵气损失较高较低较低 向气缸散热较多较少较低 热效率低高高 燃油经济性低高高 NOx高高低 PM低高低 HC高低高 CO高低高 燃烧起点控制点火定时喷油定时综合控制 燃烧剧烈程度较小较大较大 三种燃烧方式的发动机比较 HCCI特点 1、超低的氮氧化物和碳烟排放 2、燃烧热效率高 （1）减小了节流损失 （2）提高了压缩比 （3）缩短了燃烧持续期 3、HC

7、CI燃烧过程主要受燃烧化学动 力学控制 4、HCCI发动机运行范围较窄 5、HCCI发动机HC、CO排放较高 规范化放热曲线 NOx排放曲线比较图 1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素 （一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式 1缸外预混HCCI 即在进气冲程把柴油喷入进气管，与空气混合形成预混合气。采 用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提高混合气 均匀度的一个相对简单的方法。但要求较高的进气温度来促进柴油 的蒸发，需要安装加热装置和进气道燃油喷射系统，并且不利于柴 油机冷启动。早期的研究中多采用这种方法制备混合气，最早进行 研究的美国西南研究院曾采用这种方式引入混

8、合气，燃料在进气道 喷出后与空气混合形成均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸 内压缩、着火。柴油由于挥发性较差以及壁面撞击，采用此法将导 致较高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。 1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素 （一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式 2缸内早喷HCCI 该方式是目前普遍采用的柴油HCCI预混合气形成方式。即在压缩冲程 的早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐步与空气混合，直至发生自燃 着火。由于柴油密度大，而压缩冲程早期缸内空气密度较小，高密度的 柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大，因而燃油撞壁现象严重，这会降 低燃油的雾化与混合程度，进而导致排放增加、

9、油耗上升等问题。 为了改善燃料的雾化与混合，柴油机HCCI喷油提前角远大于传统柴油 机，使柴油与空气在着火前充分混合。另外，改进喷油器设计、改变燃 烧室形状、适当组织缸内气流等方法均能在一定程度上改善柴油的雾化 与混合。缸内柴油早喷成功应用于产品的典型代表是日本丰田公司的 UNIBUS燃烧系统。 1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素 （一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式 3缸内晚喷HCCI 在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气缸，同时采用大量预冷 的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现点火延迟，使柴油着火恰好 发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷

10、射 和缸内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。柴油机缸内 晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK系统。MK系统通过推 迟喷油，大EGR率（使氧浓度降到1516）延长滞燃期，使喷油完 全在滞燃期内完成。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了12， 并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降 低90以上，烟度低于1个Bosch单位。 1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素 （一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式 3缸内晚喷HCCI 在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气缸，同时采用大量预冷 的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现

11、点火延迟，使柴油着火恰好 发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷射 和缸内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。柴油机缸内 晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK系统。MK系统通过推 迟喷油，大EGR率（使氧浓度降到1516）延长滞燃期，使喷油完 全在滞燃期内完成。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了12， 并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降 低90以上，烟度低于1个Bosch单位。 1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素 （二）进气温度的影响 HCCI燃烧的着火时刻对进气温度十分敏感，随着进气温度的提高，将出

12、现着火提 前的现象，因此，控制缸内温度将是控制HCCI燃烧着火时刻的一个关键因素。一 般通过调节进气温度控制HCCI燃烧以及着火始点。 在进气管加装进气加热装置、引入废气再循环（EGR）可以提高进气温度。 （三）负荷的影响 1低负荷工况 HCCI柴油机运行在低负荷工况时，循环供油量小，混合气浓度稀，而反应物浓度是影响 燃烧反应的一个重要因素，加之此时缸内温度较低，使HCCI燃烧的着火时刻显著推迟，甚 至出现失火现象。在出现失火循环后，后继循环爆发压力往往突然升高，这是由于失火循 环残余的部分燃油在缸内，导致下一循环油量增加，引起爆发压力突升 2高负荷工况 HCCI柴油机运行在高负荷时，循环供油

13、量大，此时缸内温度高，混合气浓度大，使燃烧 反应的速度加快，从而容易引起着火过于提前的现象。过快的燃烧速度将造成压力升高率 迅速增大，并出现燃烧压力振荡现象。燃烧粗暴时，相关的噪声、振动和冲击负荷增大， 容易造成发动机零部件损坏，同时NOx的排放也急剧升高，限制了HCCI燃烧的负荷扩展。 1.4.4 HCCI面临的问题与难点 1、适用工况范围窄：燃烧受到失火(混合气过稀)和爆燃(混合气过浓)的限 制，发动机运行范围比较窄。 2、燃烧进程难以控制：HCCI是预混合压燃，不能像汽油机一样由点火时刻 控制燃烧始点，也不能像柴油机一样由喷油时间控制燃烧始点，它没有直 接控制燃烧始点的措施，混合气的自燃

14、受混合物特性、温度时间历程等的 影响。 3、均匀混合气的制备比较困难：均匀混合气的制备和避免燃料与壁面相互作 用对实现高燃烧效率、减少HC和PM排放及润滑油稀释很重要。 4、着火时刻和燃烧速率的控制。HCCI 着 火过程主要受化学反应动力学控制, 着火时刻决定于混合气的成分、温度和压力, 只能间接控制着火时刻和燃烧过 程。目前是通过 EGR、VCR 和VVT 等技术解决。 5、发动机冷起动。多种多样冷启动方案被 提出并研究, 例如, 使用预热器, 使 用不同的燃料或是燃料添加剂, 增加压缩比, 使用可变压缩比或可变气门正时 等技术。有资料显示, 点燃是个 切实可行的办法。 1.4.3 HCCI

15、面临的问题与难点 6、排放( 特别是低负荷 HC 和 CO 排放) 控制系统的发展。使用 HCCI 发动机由于 燃烧温度 低, 混合气混合均匀使 NOX 和 PM 排放很低。但 HC 排放较高, 需采用 机外净化装置。但废气再循环技术更受青睐。一般认为, 再循环废气有加热作用、 稀释作用、分层作用和化学性作用。 7、 发动机变工况运行。HCCI 燃烧几乎是 同时进行的, 大负荷时过快的燃烧速度 会引起发动机的爆震燃烧; 低负荷时燃烧速度过慢会引起 火焰传播中断。研究表 明, 通过分层燃烧可以有效地拓宽 HCCI 的运行工况范围, 采用两种不同 特性 的 燃 料 也 是 拓 宽 HCCI 运 行

16、 工 况 范 围 和 控制着火时刻的重要途径之一。 8、高负荷下功率输出不足。针对这个问题 有两种解决方案: 其一, 开发应用低十 六烷值, 高能量密度的专用 HCCI 燃料, 能够同时满足动力 性、经济性和排放性的 要求。但是, 还没有研究报道过类似这种理想的专用 HCCI 燃料。其二, 采 用 “双模 式”HCCI 发动机, 即在部分负荷时采 用 HCCI 燃烧模式, 而在很高负荷及全负荷时 采用传统柴油机的燃烧方式工作。 1.4.5 HCCI发动机需要突破的关键技术 1、由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆 震的现象，所以必须降低混合气的空燃比，

17、这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的 温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。 2、着火定时的控制 与传统火花点火汽油机和柴油机不同，HCCI燃烧过程中着火定时不受火花点火或喷油 的直接控制，而是由空气和燃料所组成的混合气的自动点火的化学反应决定。在大范 围的转速和负荷内，尤其是在快速的瞬态工况下，HCCI发动机着火定时的控制成为 HCCI发动机面临的主要挑战。目前控制着火定时的主要措施有:直接调节进气温度、改 变EGR率调节缸内混合气的温度和成分、可变压缩比(VCR)控制混合气在TDC时的温度、 可变气门定时(VVT)改变缸内的残余废气量和有效压缩比，燃油喷射定时(在直喷式系 统中)以

18、及使用燃油添加剂来改变混合气的活性等。其中可变压缩比和可变气门定时最 有发展潜力，但是在成本和可行性方面还需要进一步的研究。 3.运行范围的拓展 HCCI发动机在中低负荷可以很好地运行。但是在高负荷时， 混合气加浓，燃烧速度过快，压力升高率过大，燃烧非常 剧烈，发生爆震现象，同时由于燃烧温度升高NOX排放过 高;在过低负荷时，燃烧效率过低，并且着火困难。因此 HCCI燃烧被限定在一个有限的运行范围内。 HCCI运行范围除了需要向高负荷范围拓展外，还需向低负 荷范围拓宽，提高低负荷时HCCI燃烧的稳定性、燃油经济 性和排放性能，其中包括低怠速和冷启动工况。 目前，双模式运行策略，即在中低负荷使用HCCI燃烧模式， 而在大负荷或过低负荷时转入传统火花点火燃烧或柴油机 燃烧模式，成为了HCCI发动机的一大研究热点。 这种双模式运行策略充分利用HCCI的优点，但是燃烧模式 之间的切换又增加了系统的复杂性。 4.碳氢(HC)和一氧化碳(CO)的控制 HCCI发动机中的HC和CO排放通常较高。特别是中低负荷时，由于 HCC