均质充量压缩着火

均质充量压缩着火（HCCI）燃烧的发展1概述1876年产生第一台四冲程内燃机以来，传统的点燃式和压燃式内燃机在进一步提高燃料利用率和降低有害物排放方面已经达到了极致。20世纪70年代，首次提出了均质压燃的概念，但由于控制技术的限制而没有受到重视。90年代后期，随着控制技术的发展，均质压燃技术以其在内燃机节能减排方面的巨大潜力而备受关注。迄今为止，虽已有少量生产但离广泛的商业化还仍有许多技术难题需要解决。2.HCCI发展背景传统燃烧方式的局限性传统燃烧方式分为压燃式（ci）和火花点火式（SI）。压燃式发动机通过燃料调节系统来调整发动机的循环供油量以适应发动机工况的变化。在这种燃烧中，混合气浓度和温度分布都极不均匀，在燃烧室的局部高温区产生NOx,高温缺氧区产生PM。在火花点火发动机上，一般采用预混合燃烧。可燃混合气在压缩冲程末期被火花塞点燃，火焰前锋在均质混合气中传播,火焰前锋及其燃烧产物的局部温度远远高于其他未然混合气，燃烧室中温度分布不均匀，局部的高温容易导致已然区内NOx的产生。三种燃烧方式燃烧图片比较奎西发动机的工作原理发动机点火比较1噴油器柴油杭C伍缩点火＞＜火花蹇点火＞HCCI奎西发动机的工作原理发动机点火比较1噴油器柴油杭C伍缩点火＞＜火花蹇点火＞HCCI＜匀険装料庄缩点燃＞三种燃烧方式方格比较比较内容点燃式发动机压燃式发动机HCCI燃烧式发动机燃料汽油等柴油、乙醇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预混合均质直喷浓稀均质稀薄燃烧否是是着火方式点燃压燃一般为压燃点火系统有无无燃烧方式预混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咼较咼火焰有有无明显火焰前锋压缩终了温度较低较咼较咼燃烧温度高温局部高温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咼较低较低向气缸散热最多较多少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高低高发明人奥托狄塞尔—发明日期18761897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因此，为了从根本上解决传统内燃机燃烧和排放的问题，新一代内燃机燃烧模式均质充量压缩燃烧（homogeneouschargecompressionignition）目前引起全世界内燃机广泛关注和研究。HCCI简介HCCI燃烧方式概述HCCI是均匀的可燃混合气在气缸内被压缩直至自行着火燃烧的方式。随着压缩过程的进行，气缸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），在低负荷时具有很高的热效率。HCCI发动机主要具有以下几个特点超低的NOx和PM排放。HCCI发动机在部分工况下的NOx排放相对柴油直喷机（DI）可降低95%〜98%。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。HCCI燃烧过程主要受燃烧化学动力学控制。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。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EGR，因缸内温度较低造成的。HCCI的燃烧特性从表面上看，均质压燃发动机像点燃式汽油机一样采用预混合均质混合气，又像压燃式柴油机一样利用压缩过程产生的热量使混合气自燃，似乎像是两者的结合，而实际上却有着本质的区别。HCCI的燃烧放热表现出特别的两个阶段，如图1所示。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，焰前反应放出的热量加热了余下的充量，同时余下的

充量继续被压缩，经历短时间的延迟后，余下的充量达到着火条件，几乎同时着火，使放热率迅速升高，表现在放热曲线上出现大的峰值。(vok(vokrh阶我眉曲軸转fe/DCA内燃机科殺图1HCCI柴油机与普通柴油机的放热率比较HCCI系统的燃烧始点是由均质混合气的自然着火特性控制的，其混合气的自燃受混合气化学特性和燃烧室内时间-温度历程的影响。5.HCCI技术尚待解决的问题1）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。这是最关键的问题。2）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。3）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。4）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运行工况范围和控制着火时刻的重要途径之一。5）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。研发快速反应控制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏性。6）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。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。均质压燃燃烧放热时间的控制控制燃烧时间一是直接控制混合气在压缩行程结束时的温度，二是控制混合气的自燃温度。HCCI发动机工作范围受到的限制及扩展方法低负荷时首先是向混合气提供尽可能多的热能，使得发动机不至于因混合气达不到自燃温度而失火；其次是通过燃料重整或不完全燃烧来改变燃油或者混合气的化学特性，降低混合气的自燃温度。高负荷扩展HCCI的措施有：1•采用EGR，对混合气进行稀释，增加混合气比热容，降低燃烧速度和工作粗暴。2•推迟燃烧时间。3•降低压缩前的气体温度。4•减小气门处流动阻力，从而对缸内冲量进行稀释。5•增加混合气温度分布的不均匀性，来延长燃烧持续期，降低燃烧粗暴性。HCCI未来的发展完全意义的HCCI方式发动机投入使用的时间很难预测，对于即将在实车上的应用，将会出现“双重模式”发动机，在起动和大负荷时使用点燃或压燃，在中低负荷时转换为HCCI方式，使发动机在中低负荷有良好的经济性和较低的排放。即利用了低负荷下HCCI