汽油机新型燃烧系统(二)-均质压燃HCCI燃烧系统

1、汽油机新型燃烧系统汽油机新型燃烧系统(二二)均质压燃汽油机均质压燃汽油机(HCCI)(HCCI)Homogeneous Charge Compression IgnitionHomogeneous Charge Compression Ignition一、引言一、引言 问题的引出问题的引出：点燃式汽油机经过了化油器、进气管汽油：点燃式汽油机经过了化油器、进气管汽油喷射、缸内直喷和分层稀薄燃烧技术的发展，其热效率喷射、缸内直喷和分层稀薄燃烧技术的发展，其热效率仍低于柴油机，其指示热效率更低于柴油机。点燃式汽仍低于柴油机，其指示热效率更低于柴油机。点燃式汽油机指示热效率不高主要是由于其燃烧方式所造

2、成的。油机指示热效率不高主要是由于其燃烧方式所造成的。从燃烧机理来说，传统的汽油机是均质混合的火花点火。从燃烧机理来说，传统的汽油机是均质混合的火花点火。为了使混合气能够被点燃，火焰能够传播，为了使混合气能够被点燃，火焰能够传播，混合气的空混合气的空燃比必须限制在一定范围燃比必须限制在一定范围，同时，为了避免火焰前锋面，同时，为了避免火焰前锋面前面的未燃混合气突然发生大面积自燃，产生爆震，前面的未燃混合气突然发生大面积自燃，产生爆震，汽汽油机的压缩比受到限制油机的压缩比受到限制，这两个限制都影响了热效率。，这两个限制都影响了热效率。 均质压燃均质压燃能使汽油机的指示热效率达到甚至超过柴油能使汽

3、油机的指示热效率达到甚至超过柴油机的水平。由于采用了压燃，机的水平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受混合气的空燃比不再受到混合气点燃和火焰传播的限制到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的，内燃机的压缩比也压缩比也不再受到爆震的限制不再受到爆震的限制。与此同时。与此同时,由于可以在稀薄混合由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，气中进行燃烧，NOX的生成受到抑制的生成受到抑制，减轻了排气后，减轻了排气后处理的困难。处理的困难。 1983年第一篇关于四冲程均质压燃汽油机的研究论文年第一篇关于四冲程均质压燃汽油机的研究论文发表以来，直至上世纪末均质压燃汽油机才受到各国发表以来，直至上世纪末均质压燃汽油机

4、才受到各国重视，但还未在产品汽油机上应用。原因有二：均质重视，但还未在产品汽油机上应用。原因有二：均质压燃汽油机必须在各种变动工况和不同的环境条件下压燃汽油机必须在各种变动工况和不同的环境条件下可靠工作；在整个运行工况的平均热效率必须足够高。可靠工作；在整个运行工况的平均热效率必须足够高。二、均质压燃燃烧的特点二、均质压燃燃烧的特点 从表面上看，均质压燃汽油机是点燃式汽油机和压燃式从表面上看，均质压燃汽油机是点燃式汽油机和压燃式柴油机的结合：柴油机的结合：采用预混的均匀混合气；混合气自燃采用预混的均匀混合气；混合气自燃。实际上，均质压燃汽油机的燃烧过程与点燃式汽油机和实际上，均质压燃汽油机的燃

5、烧过程与点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧过程都不同：点燃式汽油机和压燃压燃式柴油机的燃烧过程都不同：点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧都是式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程扩散燃烧过程，点燃式汽油机主要，点燃式汽油机主要利用热扩散来实现火焰传播（热扩散促使化学链锁反应利用热扩散来实现火焰传播（热扩散促使化学链锁反应结果火焰传播，而火焰传播速率远远高于混合气形成速结果火焰传播，而火焰传播速率远远高于混合气形成速率）；压燃式柴油机主要依靠燃油蒸汽和氧气的扩散现率）；压燃式柴油机主要依靠燃油蒸汽和氧气的扩散现象促进混合气形成，燃烧速率决定于混合气形成速率；象促进混合气形成，燃烧速率决定于混合气形成速率；理

6、想的均质压燃汽油机燃烧过程是一种理想的均质压燃汽油机燃烧过程是一种非扩散非扩散的，在整的，在整个燃烧室内同时发生的个燃烧室内同时发生的均匀燃烧过程均匀燃烧过程。 由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀,实际上均质压实际上均质压燃的燃烧过程不可能真正同时发生燃的燃烧过程不可能真正同时发生.对均质压燃汽油机燃烧过程对均质压燃汽油机燃烧过程的高速摄影研究发现的高速摄影研究发现,燃烧开始时首先在缸内出现一些孤立的亮燃烧开始时首先在缸内出现一些孤立的亮点点,然后才在整个燃烧室观察到均匀的发光燃烧现象然后才在整个燃烧室观察到均匀的发光燃烧现象.那些孤立的那些孤

7、立的亮点是由于该处的混合气在压缩过程中首先达到自燃温度开始燃亮点是由于该处的混合气在压缩过程中首先达到自燃温度开始燃烧所造成的烧所造成的.对随后在其它区域所发生的燃烧现象则有不同的解对随后在其它区域所发生的燃烧现象则有不同的解释释:一种解释是由一种解释是由火焰传播火焰传播所造成所造成,那些孤立的亮点起到那些孤立的亮点起到多火源点多火源点火的作用火的作用,因为燃烧前混合气的温度已经非常接近自燃温度因为燃烧前混合气的温度已经非常接近自燃温度,并且并且已经开始低温化学反应已经开始低温化学反应,少量的加热就会引起快速的高温化学反少量的加热就会引起快速的高温化学反应释放大量热能应释放大量热能,因此火焰传

8、播速率非常快因此火焰传播速率非常快.另一种解释是另一种解释是压力波压力波造成的造成的,少量混合气首先发生自燃少量混合气首先发生自燃,燃烧放热造成压力升高燃烧放热造成压力升高,以声速以声速向四周传播向四周传播.由于混合气的温度已经非常接近自燃温度并且已经由于混合气的温度已经非常接近自燃温度并且已经开始低温化学反应开始低温化学反应,很小的压力升高所造成的温度升高就可以触很小的压力升高所造成的温度升高就可以触发周围混合气发生快速的化学反应发周围混合气发生快速的化学反应,释放大量热能释放大量热能.最后一种解释最后一种解释最简单最简单:由于混合气的温度大致均匀由于混合气的温度大致均匀,即使不存在温度和压

9、力的传即使不存在温度和压力的传播现象播现象,也会因也会因活塞上行受到进一步压缩活塞上行受到进一步压缩而自燃而自燃.三种因素都存在三种因素都存在. 汽油机均质压燃和汽油机爆震过程自燃的根本区别在于汽油机均质压燃和汽油机爆震过程自燃的根本区别在于单位质量未燃混合气所含有的化学能量不同单位质量未燃混合气所含有的化学能量不同,对燃烧过对燃烧过程的影响也不同程的影响也不同.点燃式汽油机的混合气接近当量空燃点燃式汽油机的混合气接近当量空燃比比,其过量空气系数受到火焰传播的限制其过量空气系数受到火焰传播的限制,不能大于不能大于1 1 5 5.在爆震时由于单位质量混合气释放出大量的化学能会造在爆震时由于单位质

10、量混合气释放出大量的化学能会造成高温燃气强烈的压力波动成高温燃气强烈的压力波动,除了产生噪声和振动外还除了产生噪声和振动外还会使气壁之间的传热增加会使气壁之间的传热增加,使汽油机过热使汽油机过热,造成拉缸等损造成拉缸等损害害.而均质压燃汽油机的混合气需要用过量空气或大量而均质压燃汽油机的混合气需要用过量空气或大量的残余废气进行稀释的残余废气进行稀释.如果残余废气系数不显著增加如果残余废气系数不显著增加,均均质压燃汽油机混合气的估量空气系数必须大于质压燃汽油机混合气的估量空气系数必须大于2.02.0才能才能控制控制NOX生成和燃烧的粗暴性生成和燃烧的粗暴性.因此因此,在均质压燃燃烧过在均质压燃燃

11、烧过程中单位质量混合气所具有的化学能较少程中单位质量混合气所具有的化学能较少,燃气温度较燃气温度较低低,即使缸内燃气压力发生波动即使缸内燃气压力发生波动,也不会造成过热和拉缸也不会造成过热和拉缸损害损害. 均质压燃与点燃式汽油机爆震时均质压燃与点燃式汽油机爆震时气缸压力波动气缸压力波动的比较的比较: 缸内的压力波动是燃烧噪声的根源缸内的压力波动是燃烧噪声的根源.不同频率的缸内压力波动不同频率的缸内压力波动对汽油机机体的振动和机外空气中被激发的声波的影响不同对汽油机机体的振动和机外空气中被激发的声波的影响不同.一般情况下一般情况下,汽油机机体对汽油机机体对8000HZ以下的缸内压力波动衰减较以下

12、的缸内压力波动衰减较大大.实验表明实验表明,均质压燃汽油机的缸内压力波动主要是在均质压燃汽油机的缸内压力波动主要是在5000HZ左右的一阶波动左右的一阶波动,在在10000HZ左右的二阶波动的能量较左右的二阶波动的能量较小小.与此不同与此不同,点燃式汽油机爆震时的压力波动在点燃式汽油机爆震时的压力波动在10000HZ左右左右的二阶波动的能量较大的二阶波动的能量较大,因此对机外噪声强度的影响也较大因此对机外噪声强度的影响也较大.因因此此,均质压燃所产生的缸内压力波动对噪声的影响没有点燃式均质压燃所产生的缸内压力波动对噪声的影响没有点燃式汽油机爆震对噪声的影响大汽油机爆震对噪声的影响大.尽管如此尽

13、管如此,在较高负荷工况的燃烧在较高负荷工况的燃烧噪声仍然是均质压燃汽油机所需要仔细关注的问题噪声仍然是均质压燃汽油机所需要仔细关注的问题(高负荷时高负荷时,空燃比接近点燃式汽油机以保证动力输出空燃比接近点燃式汽油机以保证动力输出) 均质压燃汽油机的气缸压力波动只有在负荷较高、空燃比或均质压燃汽油机的气缸压力波动只有在负荷较高、空燃比或者混合气稀释程度较低的情况下出现者混合气稀释程度较低的情况下出现.一般认为一般认为,气缸内的压气缸内的压力波动现象是由最先燃烧的小块区域快速释放的能量所造成力波动现象是由最先燃烧的小块区域快速释放的能量所造成的的.所释放的能量是小块区域的质量所释放的能量是小块区域

14、的质量(或体积或体积)与单位质量与单位质量(或单或单位体积位体积)混合气所具有的化学能的乘积混合气所具有的化学能的乘积,当混合气的空燃比高当混合气的空燃比高于一定数值于一定数值,单位质量混合气的化学能过低单位质量混合气的化学能过低,最先燃烧的小块最先燃烧的小块区域所快速释放的能量将不足以造成缸内气体的压力波动区域所快速释放的能量将不足以造成缸内气体的压力波动. 当混合气的空燃比处于可能发生压力波动的临界值左右时当混合气的空燃比处于可能发生压力波动的临界值左右时,燃燃烧开始放热的时间即着火时间对是否产生压力波动有决定性烧开始放热的时间即着火时间对是否产生压力波动有决定性的影响的影响.推迟均质压燃

15、的着火时间推迟均质压燃的着火时间可以在燃烧过程中燃烧室体可以在燃烧过程中燃烧室体积变化的方向积变化的方向从压缩转为膨胀从压缩转为膨胀.燃烧所释放的部分能量开始对燃烧所释放的部分能量开始对活塞作功活塞作功,有助于避免压力波动有助于避免压力波动.如果混合气的空燃比进一步如果混合气的空燃比进一步降低降低,最先燃烧的小块区域所快速释放的能量也进一步增加最先燃烧的小块区域所快速释放的能量也进一步增加,压力波动现象更接近于点燃式汽油机的爆震现象压力波动现象更接近于点燃式汽油机的爆震现象(必须控制必须控制着着火火时间推迟时间推迟). 均质压燃燃烧速度的分析均质压燃燃烧速度的分析: 由于均质压燃基本上是非扩散

16、的、同时发生的燃烧现象由于均质压燃基本上是非扩散的、同时发生的燃烧现象,因此因此燃烧速度很高燃烧速度很高.在较高负荷时在较高负荷时,全部混合气的燃烧在全部混合气的燃烧在1ms左右就左右就基本完成基本完成,这样高的燃烧速度仍然慢于通过化学反应动力学计这样高的燃烧速度仍然慢于通过化学反应动力学计算得到的数值算得到的数值.实际的均质压燃过程由于缸内混合气温度分布实际的均质压燃过程由于缸内混合气温度分布不均匀不均匀,不可能同时燃烧不可能同时燃烧,因此延缓了燃烧速度因此延缓了燃烧速度. 均质压燃的燃烧速度取决于混合气的稀释程度以及燃烧开始均质压燃的燃烧速度取决于混合气的稀释程度以及燃烧开始的时间的时间.

17、混合气的空燃比愈小混合气的空燃比愈小,单位质量混合气所含的化学能愈单位质量混合气所含的化学能愈多多,燃烧一开始释放的能量也愈多燃烧一开始释放的能量也愈多.较多的热能促使周围未燃混较多的热能促使周围未燃混合气的化学反应加快合气的化学反应加快,宏观上全部混合气的燃烧速度也更高宏观上全部混合气的燃烧速度也更高.燃燃烧开始时间推迟烧开始时间推迟,燃烧室体积从压缩转为膨胀燃烧室体积从压缩转为膨胀,因此燃气的温度因此燃气的温度升高减小升高减小,进一步的化学反应减慢进一步的化学反应减慢,宏观上全部混合气的燃烧速宏观上全部混合气的燃烧速度也下降度也下降.与均质压燃相似与均质压燃相似,点燃式燃烧速度也受点火时刻

18、的影点燃式燃烧速度也受点火时刻的影响响,但是由于两种燃烧的机理不同但是由于两种燃烧的机理不同,燃烧开始的时间对均质压燃燃烧开始的时间对均质压燃燃烧速度的影响要远大于对点燃式汽油机燃烧速度的影响燃烧速度的影响要远大于对点燃式汽油机燃烧速度的影响.三、均质压燃汽油机的热效率三、均质压燃汽油机的热效率 采用采用均质压燃使汽油机有可能获得迄今为止最高的部分均质压燃使汽油机有可能获得迄今为止最高的部分负荷工况下的热效率负荷工况下的热效率。 内燃机的压缩比对热效率有很大影响内燃机的压缩比对热效率有很大影响.点燃式汽油机包括分层点燃式汽油机包括分层稀薄燃烧汽油机的压缩比受到爆震的限制稀薄燃烧汽油机的压缩比受

19、到爆震的限制,而均质压燃汽油机而均质压燃汽油机的工作粗暴程度或的工作粗暴程度或“爆震爆震”取决于混合气的稀释程度取决于混合气的稀释程度,因此压因此压缩比基本上不受爆震的限制缩比基本上不受爆震的限制,因此压缩比可以提高到柴油机的因此压缩比可以提高到柴油机的 水平水平,使热效率得到提高使热效率得到提高. 进气节流和混合气的比热容也影响热效率进气节流和混合气的比热容也影响热效率.点燃式汽油机部分点燃式汽油机部分负荷时节气门引起的进气节流造成内燃机的泵气损失负荷时节气门引起的进气节流造成内燃机的泵气损失,影响热影响热效率效率.混合气的空燃比直接影响混合气中多原子分子所占的比混合气的空燃比直接影响混合气

20、中多原子分子所占的比例例,从而影响混合气的绝热指数从而影响混合气的绝热指数K(K=cp/co).混合气愈稀混合气愈稀,K数值数值愈大愈大,热效率愈高热效率愈高.分层稀薄燃烧系统空燃比可达分层稀薄燃烧系统空燃比可达50,均质压燃均质压燃燃烧系统最高甚至达到燃烧系统最高甚至达到170,但由于但由于CO的氧化需要在的氧化需要在1200以以上的高温上的高温,限制了最大空燃比限制了最大空燃比,但均质压燃仍然可达但均质压燃仍然可达70-80,可以可以和柴油机相似和柴油机相似. 内燃机的传热损失和燃气分子在高温下离解的现象都影响热内燃机的传热损失和燃气分子在高温下离解的现象都影响热效率效率.由于均质压燃汽油

21、机的混合气被空气或残余废气所稀释由于均质压燃汽油机的混合气被空气或残余废气所稀释,燃烧温度很低燃烧温度很低,燃气最高温度一般不超过燃气最高温度一般不超过1600,因此燃气分子因此燃气分子的离解现象基本可以避免的离解现象基本可以避免.同时使得燃烧系统的传热损失比任同时使得燃烧系统的传热损失比任何内燃机都小何内燃机都小. 燃烧开始放热的时间对热效率有相当的影响燃烧开始放热的时间对热效率有相当的影响.比较发现比较发现,只有分只有分层燃烧点燃式汽油机的点火时间因受到火花间隙处空燃比变层燃烧点燃式汽油机的点火时间因受到火花间隙处空燃比变化的限制化的限制,点火和点火和着火着火时间受到限制时间受到限制,影响

22、热效率影响热效率.包括均质压燃包括均质压燃汽油机在内的各种内燃机的汽油机在内的各种内燃机的着火着火时间从原则上将并不受到限时间从原则上将并不受到限制制,因此可以控制因此可以控制着火着火时间达到较高的热效率时间达到较高的热效率.但是但是,在接近怠速在接近怠速的低负荷工况的低负荷工况,均质压燃的均质压燃的着火着火时间受到燃烧效率的限制时间受到燃烧效率的限制,对热对热效率有一定影响效率有一定影响. 内燃机的内燃机的机械摩擦损失对有效热效率有很大的影响机械摩擦损失对有效热效率有很大的影响,尤其是柴尤其是柴油机油机.与柴油机相比与柴油机相比,均质压燃汽油机仅在部分负荷工况采用均均质压燃汽油机仅在部分负荷

23、工况采用均质压燃质压燃,其气缸爆发压力仅略高于点燃式汽油机其气缸爆发压力仅略高于点燃式汽油机,因此结构设计因此结构设计强度接近于点燃式汽油机强度接近于点燃式汽油机,使机械摩擦损失比柴油机小得多使机械摩擦损失比柴油机小得多. 由于均质压燃可以使用非常稀的混合气，使燃气的最高由于均质压燃可以使用非常稀的混合气，使燃气的最高温度不超过温度不超过16001600,排气中的排气中的NONOX X超低超低,减轻了排气后处理减轻了排气后处理的困难的困难.当燃气温度超过当燃气温度超过16001600时时,NONOX X排放排放开始急剧升高开始急剧升高. 稀混合气导致排气中的稀混合气导致排气中的COCO很低很低

24、,但当燃气温度低于但当燃气温度低于12001200时时,COCO进一步氧化的能力下降进一步氧化的能力下降,CO,CO排放排放急剧增加急剧增加.要要扩大均质压燃工作区域至扩大均质压燃工作区域至低负荷区域低负荷区域,必须采取措施控必须采取措施控制制COCO排放排放. . 均质压燃汽油机的均质压燃汽油机的HCHC排放介于电喷汽油机和分层稀薄燃排放介于电喷汽油机和分层稀薄燃烧直喷汽油机之间烧直喷汽油机之间.均质压燃混合气于压缩行程开始之均质压燃混合气于压缩行程开始之前就已经形成前就已经形成, HCHC排放主要取决于第一道活塞环上面的排放主要取决于第一道活塞环上面的活塞头部与气缸壁之间的缝隙大小活塞头部

25、与气缸壁之间的缝隙大小,均质压燃汽油机的均质压燃汽油机的压缩比高压缩比高,更多的混合气进入缝隙更多的混合气进入缝隙, 使使HCHC排放增加排放增加.低负低负荷时混合气过稀荷时混合气过稀,不完全燃烧增加不完全燃烧增加, HCHC排放增加排放增加.五、均质压燃着火时间的控制五、均质压燃着火时间的控制 点燃汽油机与压燃柴油机是通过点火或喷油时间来直接点燃汽油机与压燃柴油机是通过点火或喷油时间来直接控制控制着火着火时间时间,均质压燃的均质压燃的着火着火时间只能通过时间只能通过间接方法间接方法控制控制. 均质压燃的燃烧是由于缸内混合气在压缩过程中达到自均质压燃的燃烧是由于缸内混合气在压缩过程中达到自燃温

26、度而发生的燃温度而发生的,因此因此,控制混合气温度是均质压燃控制控制混合气温度是均质压燃控制着火着火时间的最有效的方法时间的最有效的方法. 混合气的温度受到压缩比、进气温度和残余废气的直接混合气的温度受到压缩比、进气温度和残余废气的直接影响影响. 可变压缩比可变压缩比发动机可在一个很大的范围内控制混合气温发动机可在一个很大的范围内控制混合气温度度,满足各种工况下对满足各种工况下对着火着火时间的控制要求时间的控制要求.但机构复杂、但机构复杂、笨重笨重,很难满足快速精确控制的要求很难满足快速精确控制的要求. 直接控制进气温度直接控制进气温度可以有效地控制混合气温度可以有效地控制混合气温度,从而满从

27、而满足各种工况下对足各种工况下对着火着火时间的控制时间的控制.但困难在进气系统的但困难在进气系统的热惯性难以实现快速温度调节热惯性难以实现快速温度调节. 改变残余废气量改变残余废气量可以影响混合气温度可以影响混合气温度,实现对实现对着火着火时间时间的控制的控制.但最大残余废气量受到燃烧需要氧气量的限制但最大残余废气量受到燃烧需要氧气量的限制,使得温度控制范围较窄使得温度控制范围较窄.大量增加残余废气也使得混合大量增加残余废气也使得混合气的比热比气的比热比K降低降低,影响热效率影响热效率.控制残余废气量的优点控制残余废气量的优点是可以比较容易通过对气门定时的控制来实现是可以比较容易通过对气门定时

28、的控制来实现(排气门排气门上止点提前关闭可控制缸内残余废气量上止点提前关闭可控制缸内残余废气量),是控制混合气是控制混合气温度的优选方案温度的优选方案. 增加一次先期燃烧增加一次先期燃烧对气体进行加热并对加热量进行控制对气体进行加热并对加热量进行控制也能控制混合气温度也能控制混合气温度.如在缸内先期喷入少量汽油或在如在缸内先期喷入少量汽油或在进气道内使少量汽油先期燃烧进气道内使少量汽油先期燃烧.控制难度较大或结构复控制难度较大或结构复杂杂,而且先期燃烧不作功而且先期燃烧不作功,降低了热效率降低了热效率. 混合气的自燃温度取决于燃油的特性混合气的自燃温度取决于燃油的特性,因此因此控制燃油特性控制

29、燃油特性也可以也可以控制着火时间控制着火时间.如果采用双燃料并且两种燃料的自燃温度有较大如果采用双燃料并且两种燃料的自燃温度有较大的不同的不同,例如采用天然气和二甲醚例如采用天然气和二甲醚,则可通过改变两种燃料的比例则可通过改变两种燃料的比例来控制混合气的自燃温度来控制混合气的自燃温度.缺点是增加了燃油供给系统的复杂性缺点是增加了燃油供给系统的复杂性,而且对着火时间的控制非常有限而且对着火时间的控制非常有限. 如果采用缸内直喷如果采用缸内直喷,则可通过则可通过改变喷油时间改变喷油时间来控制着火时间来控制着火时间.实验实验表明当喷油时间被推迟至压缩过程后期表明当喷油时间被推迟至压缩过程后期,由于

30、压缩后气体温度较由于压缩后气体温度较高高,使先喷射出的燃油所形成的混合气更早地达到自燃温度使先喷射出的燃油所形成的混合气更早地达到自燃温度,均质均质压燃的主要放热时间会有所提前压燃的主要放热时间会有所提前.但控制着火时间的效果和范围但控制着火时间的效果和范围有限有限.此外此外,推迟喷油时间会造成油气分布不均匀推迟喷油时间会造成油气分布不均匀,出现较浓混合气出现较浓混合气,燃烧放热速度较快燃烧放热速度较快,避免了燃烧持续时间延长避免了燃烧持续时间延长,对热效率影响不大对热效率影响不大,但可能使但可能使NONOX X增加增加,甚至出现颗粒排放甚至出现颗粒排放. 增加火花塞点火装置增加火花塞点火装置

31、,改变点火时刻对着火时间进行控制改变点火时刻对着火时间进行控制.当混合当混合气温度在压缩上止点附近非常接近自燃温度气温度在压缩上止点附近非常接近自燃温度,稍许外加一些能量稍许外加一些能量就有可能触发燃烧就有可能触发燃烧.但是由于均质压燃汽油机的混合气非常稀但是由于均质压燃汽油机的混合气非常稀,这这样的着火时间控制范围非常有限样的着火时间控制范围非常有限.六、混合气自燃所需要的内能六、混合气自燃所需要的内能 由于汽油的自燃温度比较高由于汽油的自燃温度比较高,要使混合气能从室温经过要使混合气能从室温经过压缩达到自燃温度压缩达到自燃温度,压缩比需要达到压缩比需要达到22左右左右.显然显然,将导致将导

32、致发动机工作粗暴发动机工作粗暴(在较高负荷时接近于点燃式汽油机的在较高负荷时接近于点燃式汽油机的爆震爆震).对较低的压缩比对较低的压缩比,需要其它热源需要其它热源-残余废气加热残余废气加热. 残余废气的热量可以提高混合气温度残余废气的热量可以提高混合气温度,使其在压缩上止使其在压缩上止点附近自燃点附近自燃.此外此外,还可促使汽油蒸发还可促使汽油蒸发,使混合气均匀使混合气均匀.残残余废气中氧浓度低余废气中氧浓度低,减缓自燃反应速度减缓自燃反应速度,减缓燃烧放热率减缓燃烧放热率,减轻压力波动减轻压力波动;残余废气提高混合气的比热残余废气提高混合气的比热,降低了自燃降低了自燃反应温度反应温度;残余废

33、气的活化基可参与燃烧反应残余废气的活化基可参与燃烧反应,促进自燃促进自燃反应反应.残余废气量可以通过改变排气门的定时来控制残余废气量可以通过改变排气门的定时来控制. 类似于目前国外流行的柴油添加剂类似于目前国外流行的柴油添加剂,提高燃料的自燃性提高燃料的自燃性能能(不清楚不清楚).七、均质压燃的工作区域及扩展方法七、均质压燃的工作区域及扩展方法 均质压燃的工作范围往往小于点燃式汽油机的工作范围均质压燃的工作范围往往小于点燃式汽油机的工作范围. 均质压燃燃烧需要使用稀混合气或被大量残余废气所稀释的混合均质压燃燃烧需要使用稀混合气或被大量残余废气所稀释的混合气气. 当供油量随负荷增加当供油量随负荷

34、增加,单位质量混合气所含的化学能增加单位质量混合气所含的化学能增加,一方面一方面燃烧速度会进一步加快使工作粗暴燃烧速度会进一步加快使工作粗暴,甚至出现类似点燃汽油机爆甚至出现类似点燃汽油机爆震的缸内压力波动震的缸内压力波动.另一方面另一方面,燃气温度会升高燃气温度会升高,当温度超过当温度超过1600以上时会使以上时会使NOX的生成速度迅速增加的生成速度迅速增加,造成造成NOX排放的增加排放的增加.这样这样,当均质压燃汽油机的平均有效压力接近常规汽油机的一半时当均质压燃汽油机的平均有效压力接近常规汽油机的一半时,均均质压燃会遇到其工作范围的上限（有资料介绍可达质压燃会遇到其工作范围的上限（有资料

35、介绍可达75%负荷）负荷）. 当内燃机负荷增加当内燃机负荷增加,混合气变浓混合气变浓,均质压燃着火时间的控制也变得均质压燃着火时间的控制也变得越来越困难越来越困难.如果通过调节进气温度来控制均质压燃的着火时间如果通过调节进气温度来控制均质压燃的着火时间,可以发现随着混合气变浓可以发现随着混合气变浓,燃烧速度加快燃烧速度加快,着火时间对进气温度的着火时间对进气温度的变化更为敏感变化更为敏感.这使得进气温度的控制必须更精确这使得进气温度的控制必须更精确,温度调控范围温度调控范围变小变小.同时同时,随着负荷增加随着负荷增加,着火时间应当尽量推迟以降低燃烧速度着火时间应当尽量推迟以降低燃烧速度 和避免

36、出现气缸压力变动和避免出现气缸压力变动.由于由于过分推迟过分推迟着火着火时间会影响混合气时间会影响混合气自燃的发生自燃的发生,降低燃烧的稳定性降低燃烧的稳定性，着火着火时间必须控制在更小的范时间必须控制在更小的范围内围内,这也使得燃烧的控制更为困难这也使得燃烧的控制更为困难. 均质压燃工作区域的上限主要受混合气空燃比或者残余废气稀释均质压燃工作区域的上限主要受混合气空燃比或者残余废气稀释程度的影响程度的影响,因此当供油量增加时必须增加缸内气体的质量来稀因此当供油量增加时必须增加缸内气体的质量来稀释混合气释混合气.进气增压可直接有效地增加缸内气体的质量进气增压可直接有效地增加缸内气体的质量,稀释

37、混合稀释混合气气,减缓燃烧放热速度减缓燃烧放热速度,降低燃气温度和氮氧化物的生成速度降低燃气温度和氮氧化物的生成速度,使均使均质压燃的工作范围向高负荷区扩展质压燃的工作范围向高负荷区扩展.同时实验表明同时实验表明,增压后燃烧时增压后燃烧时间对进气温度变化的敏感度下降间对进气温度变化的敏感度下降,使进气温度调控的范围增大使进气温度调控的范围增大,减减小燃烧时间控制的困难小燃烧时间控制的困难.通过采用高增压通过采用高增压,一台均质压燃汽油机的一台均质压燃汽油机的平均有效压力曾达到平均有效压力曾达到1.6MPa,此时最大放热率已被推迟到上止点此时最大放热率已被推迟到上止点后后12 CA,但气缸内的最

38、高压力仍高达但气缸内的最高压力仍高达20MPa并伴有缸内压力波并伴有缸内压力波动动. 均质压燃工作区域的下限会遇到一氧化碳排放急剧上升均质压燃工作区域的下限会遇到一氧化碳排放急剧上升,燃烧过燃烧过程不能完成的限制程不能完成的限制.首先首先,当减少供油量使空燃比增加到当减少供油量使空燃比增加到70或或80以以上时上时,燃气最高温度开始低于燃气最高温度开始低于1200,CO进一步氧化的过程不能进一步氧化的过程不能完成完成,可以通过进气节流或减小进气门升程、提前关闭进气门来可以通过进气节流或减小进气门升程、提前关闭进气门来减少进气量减少进气量.其次其次,随着负荷降低随着负荷降低,燃烧放热减少燃烧放热

39、减少,燃气温度降低燃气温度降低,残残余废气温度所含的热能减少余废气温度所含的热能减少,这使得均质压燃汽油机能为混合气这使得均质压燃汽油机能为混合气自燃所提供的热量减少自燃所提供的热量减少,最后混合气不再自燃最后混合气不再自燃.实际上实际上,当混合气被当混合气被进一步稀释后燃烧速度减慢进一步稀释后燃烧速度减慢,混合气需要更早地达到自燃温度才混合气需要更早地达到自燃温度才能使燃烧放热持续时间不变能使燃烧放热持续时间不变,这使得低负荷时对热能的需求增加这使得低负荷时对热能的需求增加.另外另外,均质压燃工作区域的下限还受到转速的影响均质压燃工作区域的下限还受到转速的影响,当转速降低时当转速降低时,气缸

40、壁传热损失增加气缸壁传热损失增加,进一步导致发动机所能提供的热能下降进一步导致发动机所能提供的热能下降.因因此此,怠速工况应用均质压燃是一个困难的课题怠速工况应用均质压燃是一个困难的课题.由此可见，由此可见，向混合向混合气提供足够的热能是把均质压燃工作范围向低负荷区扩展的关键。气提供足够的热能是把均质压燃工作范围向低负荷区扩展的关键。八、均质压燃汽油机的双燃烧方式八、均质压燃汽油机的双燃烧方式 均质压燃汽油机可通过增压达到很高的平均有效压力，但是采用均质压燃汽油机可通过增压达到很高的平均有效压力，但是采用单一的均质压燃燃烧方式工作的汽油机有一些困难：单一的均质压燃燃烧方式工作的汽油机有一些困难

41、： 发动机冷启动很困难。由于冷启动时机体温度很低，进气不发动机冷启动很困难。由于冷启动时机体温度很低，进气不能被机体加热，在压缩过程中传热损失大，使混合气温度偏能被机体加热，在压缩过程中传热损失大，使混合气温度偏低，混合气的自燃发生困难。低，混合气的自燃发生困难。 由于负荷增加由于负荷增加,均质压燃汽油机工作粗暴均质压燃汽油机工作粗暴,甚至出现类似点燃汽甚至出现类似点燃汽油机爆震的缸内压力波动油机爆震的缸内压力波动,因此当均质压燃汽油机的平均有效因此当均质压燃汽油机的平均有效压力接近常规汽油机的一半时压力接近常规汽油机的一半时,均质压燃会遇到其工作范围的均质压燃会遇到其工作范围的上限上限.因此

42、因此,均质压燃汽油机需要采用高增压来提高平均有效压均质压燃汽油机需要采用高增压来提高平均有效压力力,在高负荷工况时气缸爆发压力很高在高负荷工况时气缸爆发压力很高,汽油机机体必须强化设汽油机机体必须强化设计计,发动机重量增加发动机重量增加. 为了克服工作范围的上下限和冷启动限制为了克服工作范围的上下限和冷启动限制,多数研究者采用均质多数研究者采用均质压燃和点燃的双燃烧方式压燃和点燃的双燃烧方式:在部分负荷工况采用均质压燃而在冷在部分负荷工况采用均质压燃而在冷启动、暖机和高负荷、怠速工况等上下限工作范围采用点燃。启动、暖机和高负荷、怠速工况等上下限工作范围采用点燃。九、燃烧方式转换九、燃烧方式转换

43、 采用双燃烧方式的汽油机必须在运转时能够实现燃烧方采用双燃烧方式的汽油机必须在运转时能够实现燃烧方式的平稳转换。燃烧方式的转换是通过改变缸内工作状式的平稳转换。燃烧方式的转换是通过改变缸内工作状况来实现的。况来实现的。 均质压燃与点燃燃烧的缸内工作状况的一个根本区别就均质压燃与点燃燃烧的缸内工作状况的一个根本区别就是混合气被稀释的程度不同。均质压燃燃烧必须使用被是混合气被稀释的程度不同。均质压燃燃烧必须使用被空气或大量残余废气所稀释的混合气，而点燃燃烧混合空气或大量残余废气所稀释的混合气，而点燃燃烧混合气的空燃比需要低于气的空燃比需要低于20，并且残余废气系数不能太大。，并且残余废气系数不能太

44、大。其次，两种不同燃烧方式所需要的混合气温度有很大不其次，两种不同燃烧方式所需要的混合气温度有很大不同。均质压燃燃烧的混合气在压缩上止点附近需要达到同。均质压燃燃烧的混合气在压缩上止点附近需要达到800左右的自燃温度，而点燃燃烧混合气的温度必须左右的自燃温度，而点燃燃烧混合气的温度必须大幅度降低以减小燃烧的爆震倾向。大幅度降低以减小燃烧的爆震倾向。 一定质量的空气所形成的混合气在上止点附近的温度主一定质量的空气所形成的混合气在上止点附近的温度主要取决于四个控制参数：有效压缩比、进气温度、残余要取决于四个控制参数：有效压缩比、进气温度、残余废气系数及残余废气温度。在进行燃烧方式转换时，这废气系数

45、及残余废气温度。在进行燃烧方式转换时，这个或这几个控制参数必须迅速改变。最终，每个循环的个或这几个控制参数必须迅速改变。最终，每个循环的供油量也应当进行调整以保持燃烧方式转换前后的平均供油量也应当进行调整以保持燃烧方式转换前后的平均有效压力基本部变，实现平稳转换。有效压力基本部变，实现平稳转换。 从点燃到均质压燃以及从均质压燃到点燃这两个转换方从点燃到均质压燃以及从均质压燃到点燃这两个转换方向的困难程度有很大不同。由于点燃着火的时间是由点向的困难程度有很大不同。由于点燃着火的时间是由点火时间直接控制，对缸内工作状况的变化不敏感。从均火时间直接控制，对缸内工作状况的变化不敏感。从均质压燃转换为点

46、燃时对参数的控制不需要非常精确。相质压燃转换为点燃时对参数的控制不需要非常精确。相反，均质压燃着火时间的控制是通过对混合气温度的调反，均质压燃着火时间的控制是通过对混合气温度的调节进行间接控制，因此对控制混合气温度的变化非常敏节进行间接控制，因此对控制混合气温度的变化非常敏感，控制要求高。感，控制要求高。 由于燃烧方式的转换是一个动态过程，对燃烧方式转换由于燃烧方式的转换是一个动态过程，对燃烧方式转换进行控制必须考虑到动态过程的影响。例如，在以点燃进行控制必须考虑到动态过程的影响。例如，在以点燃方式工作时，混合气的空燃比较低，燃气温度高，残余方式工作时，混合气的空燃比较低，燃气温度高，残余废气

47、的温度也高。在由点燃燃烧方式转换为均质压燃燃废气的温度也高。在由点燃燃烧方式转换为均质压燃燃烧方式后的第一个循环，缸内的残余废气是前一次点燃烧方式后的第一个循环，缸内的残余废气是前一次点燃燃烧后的气体，其温度远高于以后均质压燃燃烧所产生燃烧后的气体，其温度远高于以后均质压燃燃烧所产生的残余废气的温度。如果残余废气温度的这种变化在进的残余废气的温度。如果残余废气温度的这种变化在进行燃烧方式转换时没有加以考虑和补偿，均质压燃着火行燃烧方式转换时没有加以考虑和补偿，均质压燃着火时间的控制就会出现很大的波动。时间的控制就会出现很大的波动。十、对汽油均质压燃燃烧系统的要求十、对汽油均质压燃燃烧系统的要求

48、 首先首先,应用均质压燃燃烧系统的汽油机应用均质压燃燃烧系统的汽油机必须能够冷启动必须能够冷启动并能在从怠速到满负荷和高转速很宽的范围工作并能在从怠速到满负荷和高转速很宽的范围工作,而且而且负荷和转速必须可以迅速改变负荷和转速必须可以迅速改变.采用点燃和均质压燃双采用点燃和均质压燃双燃烧方式工作的燃烧系统能解决工作范围和冷启动的问燃烧方式工作的燃烧系统能解决工作范围和冷启动的问题题.燃烧方式的转换可通过对缸内工作状态的迅速改变燃烧方式的转换可通过对缸内工作状态的迅速改变而实现而实现.在以均质压燃方式工作时在以均质压燃方式工作时,当工况迅速变化时需当工况迅速变化时需要对燃烧开始放热的时间进行良好

49、的控制要对燃烧开始放热的时间进行良好的控制.在点燃方式在点燃方式工作时工况迅速变化的控制非常成熟工作时工况迅速变化的控制非常成熟. 双燃烧方式工作的燃烧系统双燃烧方式工作的燃烧系统应能适应外界环境温度的变应能适应外界环境温度的变化化.当环境温度降低时当环境温度降低时,均质压燃的工作范围迅速缩小。均质压燃的工作范围迅速缩小。 除了满足尾气排放法规外除了满足尾气排放法规外,燃烧噪声、振动应限制在一燃烧噪声、振动应限制在一定水平定水平.十一、可控自燃燃烧系统（十一、可控自燃燃烧系统（CAI） 正在研制的车用动力的汽油均质压燃燃烧系统称为可控自燃正在研制的车用动力的汽油均质压燃燃烧系统称为可控自燃（C

50、AI）燃烧系统。）燃烧系统。(Controlled auto ignition) 这类系统的主要特点是通过改变进排气门的开闭时间来大幅度增这类系统的主要特点是通过改变进排气门的开闭时间来大幅度增加残余废气系数加残余废气系数,提高混合气温度提高混合气温度,使混合气在压缩过程的终点能使混合气在压缩过程的终点能达到自燃温度达到自燃温度. 在以均质压燃方式工作时在以均质压燃方式工作时,排气门在上止点前数十度曲轴转角就排气门在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭提前关闭,使相当一部分废气不能排出气缸而成为下循环的残余使相当一部分废气不能排出气缸而成为下循环的残余废气废气.当排气门提前关闭后当排气门提前关闭后

51、,缸内气体由于活塞继续上行受到压缩缸内气体由于活塞继续上行受到压缩.为避免进气门打开时缸内压缩气体突然膨胀为避免进气门打开时缸内压缩气体突然膨胀(反流到进气道内反流到进气道内),不不再能对活塞作功再能对活塞作功,造成能量损失造成能量损失,进气门打开的时间被推迟到上止进气门打开的时间被推迟到上止点后即直至缸内压力降至环境压力再打开点后即直至缸内压力降至环境压力再打开.这样进、排气门打开这样进、排气门打开的时间不再重叠的时间不再重叠,反而有相当大的时间间隔反而有相当大的时间间隔,称为负的气门重叠称为负的气门重叠.排排气门提前关闭角对缸内残余废气量直接影响气门提前关闭角对缸内残余废气量直接影响,而进

52、气门迟后开启而进气门迟后开启角对缸内残余废气量影响较小角对缸内残余废气量影响较小,因为反流到进气道内的残余废气因为反流到进气道内的残余废气在进气门开启时又被吸入到气缸内在进气门开启时又被吸入到气缸内. CAI可控自燃燃烧系统通过对气门开闭时间的控制调节可控自燃燃烧系统通过对气门开闭时间的控制调节残余废气系数和混合气温度残余废气系数和混合气温度.这类均质压燃汽油机的压这类均质压燃汽油机的压缩比通常与点燃汽油机相同缩比通常与点燃汽油机相同,大约为大约为10或略高或略高. 由于压缩比与点燃汽油机相同由于压缩比与点燃汽油机相同,高负荷工况转换到点燃高负荷工况转换到点燃方式工作并不困难方式工作并不困难,

53、只要降低残余废气系数并控制进气只要降低残余废气系数并控制进气压力就可以实现压力就可以实现.燃烧方式的转换主要是通过改变进排燃烧方式的转换主要是通过改变进排气门的开闭时间来完成的气门的开闭时间来完成的,即从负的气门重叠转换为正即从负的气门重叠转换为正的气门重叠的气门重叠.从压力示功图上可以看到转换的结果从压力示功图上可以看到转换的结果.例如例如,如果不知道是否已处于均质压燃方式工作如果不知道是否已处于均质压燃方式工作,可以让点火可以让点火系统工作系统工作,将点火提前角较大幅度地变化将点火提前角较大幅度地变化,如果压力示功如果压力示功图不发生变化图不发生变化,即已经处于均质压燃方式工作状态即已经处

54、于均质压燃方式工作状态,此时此时的点火只相当于多了一个着火点的点火只相当于多了一个着火点.由于点燃燃烧所产生由于点燃燃烧所产生的残余废气温度较高的残余废气温度较高,从点燃方式转换到均质压燃方式从点燃方式转换到均质压燃方式工作后的第一个循环混合气温度可能过高工作后的第一个循环混合气温度可能过高,使着火过早使着火过早,通过适当的控制这个问题可以得到解决通过适当的控制这个问题可以得到解决. CAI燃烧系统的最大优点是比较简单，除了发动机缸盖、气门机燃烧系统的最大优点是比较简单，除了发动机缸盖、气门机构改造外，其它部分沿用常规汽油机。构改造外，其它部分沿用常规汽油机。 CAI燃烧系统的主要缺点是在以均

55、质压燃方式工作时热效率提高燃烧系统的主要缺点是在以均质压燃方式工作时热效率提高的幅度小以及均质压燃的工作区域比其它均质压燃系统的工作区的幅度小以及均质压燃的工作区域比其它均质压燃系统的工作区域小。域小。 两个对热效率有很大影响的因素：压缩比和空燃比没有得到改善，两个对热效率有很大影响的因素：压缩比和空燃比没有得到改善，仅仅依靠减少减少泵气损失，减少传热损失以及减少燃气分子高仅仅依靠减少减少泵气损失，减少传热损失以及减少燃气分子高温离解的损失来提高热效率。这种利用内部废气再循环调节废气温离解的损失来提高热效率。这种利用内部废气再循环调节废气系数来控制着火时间的调控范围较窄，不易在各种工况下都能控

56、系数来控制着火时间的调控范围较窄，不易在各种工况下都能控制在最佳着火时间，常会造成燃烧时间的损失，此外，排气门提制在最佳着火时间，常会造成燃烧时间的损失，此外，排气门提前关闭也会造成压缩负功损失。很多实验结果表明，可控自燃汽前关闭也会造成压缩负功损失。很多实验结果表明，可控自燃汽油机在以均质压燃方式工作时其热效率与分层燃烧汽油机相当。油机在以均质压燃方式工作时其热效率与分层燃烧汽油机相当。据介绍，采用分层燃烧技术可提高车用汽油机平均燃油效率据介绍，采用分层燃烧技术可提高车用汽油机平均燃油效率10，采用采用CAI燃烧系统不大于燃烧系统不大于10。 在高负荷工况需要增加对混合气的稀释程度来抑制燃烧

57、的粗暴性在高负荷工况需要增加对混合气的稀释程度来抑制燃烧的粗暴性和和NOX排放。在低负荷工况由于较低的压缩比，残余废气热量又排放。在低负荷工况由于较低的压缩比，残余废气热量又低，不能满足均质压燃所需热能，使工作下限上移。低，不能满足均质压燃所需热能，使工作下限上移。 采用缸内采用缸内 直喷技术，在排气门关闭后向被压缩的残余直喷技术，在排气门关闭后向被压缩的残余废气中喷射少量汽油，使其能象在柴油机中一样先期燃废气中喷射少量汽油，使其能象在柴油机中一样先期燃烧，促使缸内气体温度提高。这种方法可使烧，促使缸内气体温度提高。这种方法可使CAI均质压均质压燃燃烧系统的下限向低负荷区扩展。但是目前的汽油直

58、燃燃烧系统的下限向低负荷区扩展。但是目前的汽油直喷系统很难对这样小的喷油量进行精确控制。喷系统很难对这样小的喷油量进行精确控制。 完全可变气门驱动的配气机构出现，使完全可变气门驱动的配气机构出现，使CAI可控自燃燃可控自燃燃烧系统内部废气再循环的实现容易精确控制。烧系统内部废气再循环的实现容易精确控制。1.汽油机为什么要发展汽油机为什么要发展HCCI均质充量压燃燃烧系统？均质充量压燃燃烧系统？ 以稀混合气工作以稀混合气工作,绝热指数绝热指数K大大,可提高循环的热效率可提高循环的热效率:传统点传统点燃式汽油机混合气的空燃比受到混合气点燃和火焰传播的限燃式汽油机混合气的空燃比受到混合气点燃和火焰传

59、播的限制制, 在理论空燃比附近在理论空燃比附近,一般不超过一般不超过20.发动机功率不可能用发动机功率不可能用变质调节变质调节,而只能用进气管节流的变量调节而只能用进气管节流的变量调节.由于进气节流造由于进气节流造成较大的泵吸损失成较大的泵吸损失,造成低负荷的燃油经济性较差造成低负荷的燃油经济性较差.缸内直喷缸内直喷汽油机部分负荷采用分层稀薄燃烧汽油机部分负荷采用分层稀薄燃烧,空燃比可在空燃比可在25-40. HCCI均质充量压燃燃烧系统的空燃比可在均质充量压燃燃烧系统的空燃比可在70-80甚至更高甚至更高. 提高汽油机压缩比提高汽油机压缩比,可提高循环的热效率可提高循环的热效率:即使分层稀薄

60、燃烧即使分层稀薄燃烧方式的点燃式方式的点燃式GDI汽油机汽油机,压缩比也受到爆震的限制压缩比也受到爆震的限制.而均质而均质压燃汽油机是采用预混的均匀混合气自燃燃烧方式压燃汽油机是采用预混的均匀混合气自燃燃烧方式,需要用需要用过量空气或大量的残余废气进行稀释过量空气或大量的残余废气进行稀释以降低燃烧速度以降低燃烧速度, 工作工作粗暴程度或粗暴程度或“爆震爆震”取决于混合气的稀释程度取决于混合气的稀释程度, 压缩比基本压缩比基本上上HCCI汽油机均质充量压燃燃烧系统总结汽油机均质充量压燃燃烧系统总结 不受爆震的限制不受爆震的限制,因此压缩比可以提高到柴油机的水平因此压缩比可以提高到柴油机的水平,使