发动机燃烧新技术

1、发动机燃烧新技术 Hcci发动机均质充虽压缩着火 HCCI （ homogeneous charge compression ignition ）燃烧是一种全新的燃烧方式。 是将燃料、 空气及再循环燃烧产物所形成的预混合气被活塞压缩，自 燃、着火、做功的过程。一、HCCI燃烧方式概述HCCI是均匀的可燃混合气在气缶工内被压缩直至自行着火燃烧的方式。随着压缩过程的进行，气缶工内的温度和压力 不断升高，已混合均匀或基本混合均匀的可燃混合气多点同 时达到自燃条件，使燃烧在多点同时发生，而且没有明显的 火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，因而，只生成极少的NOx和微粒（PM）,在低负荷时具

2、有很高的热 效率。HCCI发动机主要具有以下几个特点：1 .超低的NOx和PM排放。2. 燃烧热效率高。HCCI发动机的热效率甚至超过了直 喷式柴油机。3. HCCI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，HCCI发动机燃烧受到 失火（混合气过稀）和爆燃（混合气过浓）的限制，使发动 机运行范围变窄。对于高十六烷值燃料，由于 HCCI发动机 燃烧非常迅速，在高负荷工况下（混合气浓度大）易发生爆震；对于高辛烷值的燃料，由于 HCCI燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下容易失火。5. HCCI发动机HC、CO排放偏高。这主要是由于 HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的

3、EGR,因卸内温度较低造成的。二、柴油机HCCI燃烧的特点实现柴油机HCCI燃烧要面临两方面的困难：一是柴油粘度大，挥发性差，难以形成均质混合气；二是柴油作为高 十六烷值燃料，容易发生低温自燃反应，均质混合气的燃烧 速度控制困难，易造成粗暴燃烧。柴油HCCI的燃烧放热表现出特别的两个阶段。第一阶 段（放热曲线上较小的峰值）与低温化学动力学有关（冷焰 或蓝焰）；第二阶段（放热曲线上较大的峰值）是主燃烧期； 第一阶段是第二阶段的焰前反应，焰前反应放出的热虽加热 了余下的充虽，同时余下的充虽继续被压缩，经历短时间的 延迟后，余下的充H达到着火条件，几乎同时着火，使放热 率迅速升高，表现在放热曲线上出

4、现大的峰值。因此，HCCI燃烧速度较快，燃烧始点和放热率对压缩 过程中充虽的温度、压力等很敏感，控制起来很困难。如果 HCCI燃烧控制得较好，则可在拓宽的大空燃比范围内进行 高效稳定的燃烧，循环波动压力小，工作柔和。三、柴油均质预混合气形成方式均质混合气的形成是实现对 HCCI燃烧控制的第一步。 国际上采用的柴油均质预混合气方式包括：进气道卸外预 混、卸内早喷射和晚喷。a. 卸外预混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

5、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卸内压缩、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排放以及燃油消耗虽的增加。b. 卸内早喷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，柴油被喷入气卸，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 缩冲程早期卸内空气密度较小，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

6、油 的雾化与混合程度，进而导致排放增加、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、适当组织卸内气流等方 法均能在一定程度上改善柴油的雾化与混合。卸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。与卸外预混柴油 HCCI相比，早喷柴油 HCCI具有 以下2个优点。(1) 压缩冲程气缶工内的温度和压力高于进气门开启时 进气管内的温度和压力，有助于柴油的雾化和混合。压缩冲 程早期喷油，降低了对进气温度的要求，减少了混合气爆燃 的倾向。(2) 采用压缩冲程早期喷油方案，

7、可以只需要一套供 油系统满足HCCI和传统直喷柴油两种方式。c.卸内晚喷HCCI在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气卸，同时 采用大虽预冷的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。尽管卸内晚 喷形成的油气均匀度不如进气道喷射和缶工内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。 柴油机卸内晚喷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 15%16%)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

8、范围内，NOx可降低90%以上，烟 度低于1个Bosch单位。四、柴油机HCCI燃烧的影响因素（一）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，将出现着火提前的现象，因此，控制卸内温度 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。（二）负荷的影响1. 低负荷工况HCCI柴油机运行在低负荷工况时，循环供油虽小，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，加之此时缶工内温度较低，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

9、环残余的部分燃油在 卸内，导致下一循环油虽增加，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H大，此时缶工 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。（三）EGR的影响废气再循环（EGR）能提高进气温度，改变混合气的着 火特性，从而影响着火时刻。引入废气再循环的目的还在于 它稀释了混合气的浓度，能有效减缓燃烧速度，降低燃烧噪 声，为

10、大负荷区HCCI燃烧控制提供了一种有效手段。同时，废气再循环能够回收一部分废气的能虽。（四）气门正时的影响改变配气正时可以改变缶工内残余废气H和缶工内温度，增 大气门负重叠期（提前关闭排气阀，延迟开启进气阀），使缶工内残余废气虽增大，残余废气再压缩的温度增加。残余废 气的高温有利于燃料的蒸发，形成均质混合气，同时较高的 卸内温度乂会使 HCCI燃烧的着火时刻提前，从而容易造成 大功率状态下工作粗暴，并引起最大输出功率下降。（五）压缩比的影响压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素，改变压缩比 可以改变混合气的密度和压力，从而对其自燃温度产生影 响。改变压缩比的主要方法是调整燃烧室容积、工作容积和

11、改变配气相位。在利用可变压缩比控制 HCCI方面，Lund技 术学院试验结果表明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩 比增加则热效率增加，而燃烧效率减小，导致热效率增加虽 的减少，研究还发现，高压缩比可替代进气预热。当压缩比 高达17 ： 1时，绝对有效效率上升，NOx排放下降，但是因 为反应时间缩短，CO排放增加。该试验 HCCI的可实现转 速范围分别为10005000r/min ,负荷范围处于怠速和 0.44MPa平均有效压力之间。随着压缩比提高，稳定 HCCI 燃烧所需的热EGR率降低，因此用冷 EGR配合高压缩比可 以控制燃烧速度，从而扩大 HCCI运转工况范围。柴油机HCCI燃烧具有超低的 NOx和PM排放，具有很 高的能虽转换率，这对传统柴油机来说，不但保留了原有的 节能优势