汽车发动机原理与汽车理论第10章课件

1、第十章 汽车发动机新型燃烧方式第一节均质混合气压缩着火（HCCI）第二节汽油机的HCCI燃烧第三节柴油机的HCCI燃烧第四节均质混合气引燃第一节均质混合气压缩着火(HCCI)一、HCCI燃烧模式的产生针对传统的火花点火式和压缩着火式内燃机燃烧模式存在的问题,一种新型的发动机燃烧模式均质混合气压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)燃烧模式应运而生,简称均质压燃。HCCI 燃烧模式的基本思路是要融合传统的火花点火燃烧和压缩着火燃烧的优点,并避免其缺点。传统火花点火式发动机采用机外形成均匀混合气、控制节气门开度调节负荷、火花点燃混合气的工

2、作方式。其优点是几乎无炭烟,缺点是节流损失较大且压缩比较低,因此热效率不高,经济性差。第一节均质混合气压缩着火(HCCI)一、HCCI燃烧模式的产生在HCCI燃烧模式中,汽油或柴油燃料和空气通过预先混合形成均质稀薄混合气,当压缩行程缸内温度上升到燃料的自燃温度时,整个燃烧室内有多点自燃着火,如图10-1所示。图10-1发动机的燃烧模式a)火花点火式b)压缩着火式c)HCCI第一节均质混合气压缩着火(HCCI)二、HCCI燃烧的优点表10-1对HCCI 发动机、传统火花点火(Spark Ignition,SI)和压缩着火(Compression Ignition,CI)式发动机进行了比较。火花点

3、火(SI)燃烧压缩着火(CI)燃烧HCCI燃烧燃料汽油等高辛烷值燃料柴油等高十六烷值燃烧范围更广泛混合气形成方式气道喷射、缸内直喷缸内直喷缸内喷射、进气道喷射过量空气系数1左右1.22.2大于1的宽广范围着火方式火花点燃压缩着火压缩多点着火燃烧方式预混燃烧扩散燃烧为主预混合燃烧,化学动力学控制燃烧温度高温局部高温温度相对低燃烧速率火焰传播速度控制混合速率控制几乎同时着火循环方式定容加热混合加热定容加热表10-1三种燃烧模式的比较第一节均质混合气压缩着火(HCCI)三、HCCI燃烧的研究历程及现状20世纪90年代中后期,随着各国排放法规日趋严格和石油供求矛盾日趋尖锐,能同时实现高热效率和低排放的

4、HCCI燃烧方式成为一个新的研究热点,全球一些主要的汽车公司、研究机构、大学等纷纷开展了深入而又全面的基础研究和应用基础研究,如美国Lawrence Livermore国家实验室、Sandia国家实验室、Wisconsin大学、瑞典的Lund大学、英国的Brunel大学和日本的Keio大学等著名研究中心对于HCCI燃烧基础理论认识和相关试验研究做出了积极贡献。第二节汽油机的HCCI燃烧一、汽油HCCI燃烧的基本原理与特征和传统火花点火燃烧方式相比,汽油机HCCI燃烧方式具有以下特征:1)HCCI燃烧是多点大面积同时压缩着火,没有火焰前锋面的传播过程,故其燃烧速度快,燃烧放热率和等容度远比传统火

5、花点火火焰传播的燃烧方式要高得多,因而其指示热效率和油耗会得到明显改善。2)HCCI采用稀薄均质混合气,并引入大量EGR,因而其局部燃烧温度可控制在1800K以下,消除了热NO产生的基本条件,降低NOx排放。3)HCCI燃烧取消了节气门,改善了传统汽油机负荷由于采用“量调节”所造成的进气节流损失过高的弊端。4)采用均质混合气燃烧,理论上不会生产炭烟。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法1.提高进气温度进气温度是影响HCCI燃烧最显著的参数,也是被研究最多的参数。一般采用电加热的方法控制进气温度,在初期的许多基础研究中最常用的就是这种方法。当发动机负荷和转速发生变化时,

6、为了保证合理的燃烧相位,进气温度也要相应快速变化以保证最佳的着火时刻,而进气加热方法难以适应这种频繁变工况的车用发动机。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法2.提高压缩比提高压缩比可以提高压缩终点混合气温度,使汽油混合气自燃。汽油机若实现压缩自燃,压缩比一般需要提高到1518,甚至更高,但是能形成低负荷稳定燃烧的压缩比往往会造成高负荷时的爆燃。因此,一般将压缩比提高到1112,同时引入一定量的EGR对进气进行加热,使压缩终点的缸内温度达到汽油自燃的条件。最理想的方法是实现可变压缩比,但是目前尚未有实用技术。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法

7、3. EGR在汽油机HCCI燃烧过程中,EGR的主要作用有两方面,一是与EGR的高温相联系,它提高了全部进气温度和压缩终点温度,以利于汽油的自燃着火;二是利用废气中包含的不活性成分控制燃烧速度不过高,以实现低温燃烧。同时,EGR也可以使进气中的新鲜充量降低,稀释了混合气的浓度,有效减缓燃烧速度。但仅靠外部EGR提高进气温度的能力是有限的,而内部EGR可以大幅度提高缸内温度。 用负气门重叠(Negative Valve Overlap,NVO)的方法可以实现内部EGR。对比图10-2中传统配气相位和负气门重叠相位可知,负气门重叠是通过排气门早关、进气门晚开的方法,形成不充分排气,使气缸内残留一定

8、量的高温废气。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法3. EGR图10-2配气相位图a)正重叠(PVO)b)负重叠(NVO)第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法4.活化氛围在负气门重叠期间,由于活塞上行压缩废气,缸内温度再次升高,此时如果向缸内喷入少量燃油,在高温缺氧的情况下燃油会发生不完全氧化反应,生成大量的CO、H2、OH(羟基)、CH2O(甲醛)以及过氧化物等活性成分或反应中间产物,这些成分会使随后的着火变得容易。这种控制HCCI着火的方式称为活化氛围法(又称燃油改质)。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法5.混

9、合气分层根据着火的基本理论可知,任何燃料都是在混合气浓度为化学当量比附近最容易着火。对于以稀燃为主的HCCI汽油机在中小负荷时,可以采用缸内直喷系统进行两段或多段喷油,以形成浓度分层的混合气。这些研究结果表明,用分层混合气可以控制HCCI燃烧速率。但为防止过浓混合区产生炭烟,浓混合气区也应该尽量均匀。分层混合气为汽油机HCCI着火和燃烧提供了更多的选择,是HCCI研究进程中的一次重要思路拓展。第二节汽油机的HCCI燃烧二、汽油机HCCI燃烧的主要控制方法6.火花点火辅助HCCI本来的概念是“自燃”,但在一些研究中发现火花点火辅助可以提高某些工况下HCCI的着火稳定性。同时,试验研究结果表明,当

10、可燃混合气被压缩至接近临界着火状态时,用火花点火首先产生局部区域的着火和燃烧,由此放出的热量会引起其余混合气的后续自燃着火,因此,火花点火有可能是一种控制汽油HCCI着火的有效手段。第二节汽油机的HCCI燃烧三、汽油机HCCI燃烧实例1.清华大学的ASSCI燃烧系统清华大学在多年研究基础上,于2005年开发了分层混合气火花辅助燃烧系统ASSCI(Assisted Spark Stratified Compression Ignition)。该燃烧系统是在GDI发动机基础上通过多次喷射与负气门重叠(NVO)以及火花点火相结合,可根据工况不同分别实现完全的HCCI燃烧、活化氛围燃烧(RCCI)、分

11、层混合气控制燃烧(SCCI)及火花点火辅助压燃(SICI)等多种汽油机自燃着火燃烧方式,其中NVO是通过一个循环内完成切换的双凸轮系统实现的,这就使HCCI燃烧模式与传统SI燃烧模式能够快速切换。第二节汽油机的HCCI燃烧三、汽油机HCCI燃烧实例2.天津大学的4VVAS双模式燃烧系统天津大学的4VVAS(4 Variable Valve Actuation System)系统,采用进排气气门升程(0.39.5mm)及正时机构(60A 范围内)连续独立可变技术,控制缸内残余废气率及废气分层,从而实现在HCCI模式运行的边界区域上HCCI/SI模式之间的过渡,使发动机继续输出稳定的功率。样机试验

12、结果表明,HCCI的运行转速可以达到4500r/min,最大平均指示压力(IMEP)可以达到0.520MPa,可以覆盖轿车主要的常用工况。第二节汽油机的HCCI燃烧三、汽油机HCCI燃烧实例3. AVL公司的CSI燃烧系统AVL公司在2003年开发了压缩-火花点火CSI(Compression and Spark Ignition)燃烧系统,它是压燃和火花点火两种燃烧模式的组合,即部分负荷时采用HCCI燃烧,高负荷时采用均质混合气火花点火燃烧。其试验样机特征为四缸发动机,GDI喷油系统两次喷射,火花塞布置于篷形燃烧室的顶部中央,壁面引导式燃烧室凹坑,带分缸独立控制的发动机管理系统。其最大特点是

13、采用电控液压执行器控制排气门实现二次开启,使排气道内废气在进气行程中被回吸入气缸,形成内部EGR效应。第二节汽油机的HCCI燃烧四、汽油HCCI发动机产业化的技术难题1.着火时刻难以控制尽管已经开发了上述各种控制方法,但是汽油HCCI的稳定着火和着火时刻控制仍比传统汽油机困难,且控制精度也需要进一步提高。2.大负荷燃烧速率难以控制目前HCCI发动机在中低负荷下的运行效果较好。较高的压缩比和多点自燃着火使得HCCI汽油机大负荷时容易出现粗暴燃烧和爆燃,同时过高的燃烧速率也会使得燃烧温度升高,引起NOx排放的大幅度增加。第二节汽油机的HCCI燃烧四、汽油HCCI发动机产业化的技术难题3. 低负荷时

14、HC和CO排放过高因为燃烧温度不高以至于缸壁附近的燃油不能很好地燃烧,另外在中低负荷下由于混合气很稀,壁面附近温度较低,CO不能完全氧化成CO2,导致HC和CO排放升高。4.运行工况范围窄经过多年的研究,汽油HCCI燃烧仍然受限于负荷范围这一难题,目前汽油机HCCI燃烧模式可运行的工况范围大约为pme0.5MPa、n3500r/min(基本覆盖了轻型车和轿车最常用的工况)。第三节柴油机的HCCI燃烧一、柴油机HCCI燃烧的基本原理图10-3是柴油机HCCI研究过程中常用的缸内燃空当量比与温度(-T)的关系图,该图给出了混合气浓度及温度T对Soot(炭烟)和NOx排放物生成的影响。图10-3柴油

15、机燃烧的-T关系图第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法 形成均质混合气是柴油机HCCI燃烧控制的第一步。在早期,国外研究人员首先进行的是缸外预混合柴油HCCI研究工作。柴油机上形成均质混合气的方法主要是缸内早喷,使燃油有充分的时间蒸发混合;缸内晚喷,采取预冷高EGR率等措施大幅度延长滞燃期,以形成均质混合气。和汽油HCCI燃烧方式控制一样,人们现在不再强调混合气的绝对均质,而是开始采用混合气分层技术来控制柴油机的HCCI燃烧过程。第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法1.缸内早喷HCCI柴油机的喷油提前角要远大于传统柴油机,使得燃油撞壁现象严重

16、,导致排放增加,油耗上升。大量湿壁燃油也会稀释附着在缸壁上的润滑油,使摩擦损失增大,发动机磨损加剧。缸内早喷HCCI系统成功应用于产品的典型代表是丰田公司在1995年开发出的UNIBUS(Uniform Bulky combustion System)系统。该系统大幅度提前喷油时刻,采用喷雾锥角为60的轴针型喷嘴,以形成贯穿距离小、喷雾范围大、油粒细而均匀的喷雾。第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法2.缸内晚喷柴油机缸内晚喷HCCI燃烧的典型实例是1996年日本Nissan公司的MK(Modulated Kinetics)燃烧系统,其主要特点是大幅度推迟喷油时刻至上止

17、点附近、利用高达45%的冷却EGR(氧气浓度显著下降至15%)以及减小压缩比从而降低缸内温度和延长着火滞燃期;采用大负荷涡流比为10(中小负荷涡流比为35)的强进气涡流、高压共轨燃油喷射系统等技术措施提高油气混合速率。EGR在这里不仅是推迟和控制着火延迟期长度的手段,而且是控制燃烧速度和燃烧温度以抑制NOx生成的对策技术。图10-4给出了实现MK燃烧过程的主要技术路线和排放降低效果,NOx降低到原机水平的1/12左右,炭烟由2BSU降至几乎为0,HC也降低了50%。第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法2.缸内晚喷图10-4MK燃烧的技术路线和排放降低效果第三节柴油机的

18、HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法2.缸内晚喷图10-5给出了MK燃烧过程的示功图与燃烧放热率。原机的放热率呈现传统柴油机初期放热率高以及预混合扩散两阶段燃烧的特征(图10-5b中c点为分界点)。图10-5MK燃烧与传统柴油机燃烧的对比第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法3.混合气分层早期的HCCI技术强调均质的概念,但随着研究的不断深入,人们发现在HCCI燃烧过程控制中,先进的混合气分层控制策略比简单的“均质混合气”更为重要。适当的混合气分层可以使HCCI在低负荷工况下的燃烧更稳定,有利于HCCI向小负荷工况扩展,同时分层也可以降低高负荷工况下的最大压

19、力升高率,有利于HCCI 向大负荷工况扩展。混合气全历程的浓度、组分和热分层控制是HCCI在宽广的负荷工况范围内实现高效清洁燃烧的关键。第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法3.混合气分层(1)低温燃烧LTC研究表明(见图10-3),当缸内燃烧温度低于1650K时,无论当量比如何,燃烧都会避开NOx和炭烟的生成区域,即几乎可以实现NOx和炭烟的零排放。基于此思想,柴油机LTC采用大比例EGR率(60%)大幅度降低燃烧温度,使炭烟和NOx同时远离生成区域。LTC相对于HCCI可以工作在混合气较浓的条件下,因此可以在更大工况范围内实现低NOx和炭烟排放。第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法3.混合气分层(1)低温燃烧LTC 由于高比例EGR稀释导致局部当量比较高,同时存在大量低温区域且燃烧温度低于CO被氧化的温度阀值,导致CO和THC比排放恶化,燃烧效率急剧下降导致热效率降低,使NOx-Soot之间传统固有的trade-off关系转化为Soot-BSFC之间的trade-off关系(见图10-6)。图10-6EGR区间的划分及高比例EGR对柴油机的影响第三节柴油机的HCCI燃烧二、柴油机HCCI燃烧的主要控制方法