HCCI燃燒方式的實(shí)質(zhì)

1、在柴油機(jī)上通過 HCCI 燃燒方式可實(shí)現(xiàn)低溫稀薄燃燒，由此在保證高熱效率的前提下同時(shí)降低 NOx 和 PMB 放；而在汽油機(jī)上，則以稀薄燃燒技術(shù)為背景，通過實(shí)施 HCCI 燃燒方式可提高壓縮比和燃燒速度，由此在提高熱效率的同時(shí)有效抑制 NOx 的生成。近年來的研究結(jié)果表明，HCCI 燃燒方式的主要特點(diǎn)就是氣缸內(nèi)混合氣的均勻化和均勻混合氣的低溫燃燒。其燃燒過程取決于均勻混合氣的化學(xué)反應(yīng)特性，根據(jù)其如圖 2 所示的放熱規(guī)律特性，分為低溫放熱過程 LTHR（LowTemperatureHeatRelease）和高溫放熱過程 HTHR（HighTemperatureHeatRelease）,其中 HT

2、H 時(shí) HCCI 燃燒總發(fā)熱量的絕大部分，而 LTHR 放熱量很小，但其通過影響 HTH 做熱過程的始點(diǎn)直接影響 HTHR 勺放熱規(guī)律。圖圖2H8I燃燒放熱規(guī)律因燃燒放熱規(guī)律因Fig.2defiiiilionofheatreleasedalaontheHCCIcombustion另一方面，釋放 50%勺 HTHR 總放熱量所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，是控制 HCCI 燃燒過程的重要因素。由TetsuoOhmura 等人的相關(guān)研究表明，可防止失火和爆燃的穩(wěn)定 HCCI 燃燒過程的控制范圍是上止點(diǎn)后的（06）CA因此，HCCI 燃燒過程之所以能提高熱效率的主要原因體現(xiàn)在以下三個(gè)方面，即1）通過壓縮過程中混合

3、氣的低溫放熱反應(yīng)，使工質(zhì)的壓力和溫度有所提高，不僅改善混合氣的燃燒條件，更重要的是提高了壓縮終了工質(zhì)的做功能力；2）稀薄燃燒，促進(jìn)完全燃燒，而且提高工質(zhì)的多邊指數(shù)；3）高溫放熱反應(yīng)，接近等容燃燒，提高燃燒速度，使工質(zhì)得到充分膨脹做功。因此，通過稀薄混合氣的低溫燃燒，將最高燃燒溫度控制在 15001800K,由此有效抑制 NOx的生成，同時(shí)促進(jìn)完全燃燒，降低 CO 和 HC 以及 PM 排放。為限制 HCCI 燃燒的最高溫度，就要限制參與 HCCI 燃燒的混合氣量，否則不僅不能保證低溫燃燒達(dá)到抑制 NOx 生成的目的，反而容易造成爆燃，因此這種 HCCI 的燃燒方式的運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域狹窄而不能得到推廣應(yīng)

4、用。為了解決 HCCI 燃燒方式存在的問題，以擴(kuò)大其運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域，已提出SI-HCCI-SI,Diesel-HCCI-Diesel,SI-CI等新的內(nèi)燃機(jī)混合燃燒概念3,6。這些研究結(jié)果表明能同時(shí)減小 4 沖程內(nèi)燃機(jī)的 NO/口 PMB 放的高效率燃燒方式的關(guān)鍵在于基于氣缸內(nèi)混合氣和溫度分層分布的擴(kuò)散燃燒過程的有效控制。所以，HCCI 燃燒方式只能說是改善一定的小負(fù)荷范圍能同時(shí)滿足高效率超低排放的有效措施。而對車用發(fā)動(dòng)機(jī)來說更重要的是隨更寬的負(fù)荷變化如何實(shí)現(xiàn)高效率低排放。為此在 4沖程內(nèi)燃機(jī)整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域內(nèi)需要噴霧特性與燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)特性相適應(yīng)，通過擴(kuò)散燃燒過程的有效控制來限制放熱規(guī)率，以達(dá)到控

5、制溫度的目的。這就需要具備良好的噴霧特性且響應(yīng)特性又快的電控噴射系統(tǒng)、FVVT 系統(tǒng)、冷 EG 時(shí)制系統(tǒng)、以及基于 MillerCycle 的壓縮比可變控制技術(shù)等7。而這些技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用是 4 沖程內(nèi)燃機(jī)循環(huán)充分發(fā)揮其潛力的必1HCCI 燃燒方式均質(zhì)充量壓縮燃燒 HCCI(HomogenousChargeCompressionIgnition)是一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式，它綜合了汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃和柴油機(jī)壓縮自燃的特點(diǎn)，像汽油機(jī)那樣在進(jìn)氣及壓縮行程形成均質(zhì)混合氣，當(dāng)壓縮到上止點(diǎn)附近時(shí)均質(zhì)混合氣自燃著火，在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核，從而有效地維持著火燃燒的穩(wěn)定性。這種燃燒方式能有效地解決傳統(tǒng)柴油機(jī)存在的燃油

6、經(jīng)濟(jì)性差和尾氣排放高的問題，特別是能夠降低 NOx 和 PM 的排放,并進(jìn)一步提高熱效率。2.柴油機(jī) HCCI 燃燒的特點(diǎn)柴油機(jī)采用 HCCI 燃燒方式與普通的柴油機(jī)燃燒方式相比區(qū)別在于：前者燃油在進(jìn)氣和壓縮行程已經(jīng)與空氣完全均質(zhì)混合， 進(jìn)行的是預(yù)混合燃燒模式， 其燃燒速率只與本身的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)；而后者在進(jìn)氣行程中進(jìn)入燃燒室的是純空氣，在壓縮行程接近終了時(shí)，才把柴油噴入燃燒室內(nèi)，讓其與空氣在極短的時(shí)間內(nèi)形成可燃混合氣(極不均勻)，進(jìn)行的是擴(kuò)散燃燒模式，它的燃燒速率主要與燃油蒸發(fā)速率及其與空氣混合速率有關(guān)。HCCI 柴油機(jī)與普通柴油機(jī)的放熱率比較：曲軸轉(zhuǎn)角廠CA圖1HCCI柴油機(jī)與普通柴油

7、機(jī)的放熱率比較HCCI 柴油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。由于采用壓縮點(diǎn)火方式，節(jié)流損失減少，同時(shí)壓縮比較高，多點(diǎn)同時(shí)著火的燃燒方式使得放熱率顯著提高，接近于理想的等容燃燒，改善了部分負(fù)荷下的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)稀燃混合氣比熱比大，做功能力強(qiáng)；缸內(nèi)工質(zhì)嫡增相對低，因此指示熱效率也得以大幅度地提高。(2)稀薄/燒，不存在缺氧情況，并且由于它不存在柴油機(jī)的液滴蒸發(fā)擴(kuò)散燃燒現(xiàn)象，因此可要條件。(v(vu uk kfkfk好嫉越有效降低 PM 排放；同時(shí)，由于燃燒室內(nèi)部混合氣為均質(zhì)混合氣，在活塞壓縮作用下燃燒室內(nèi)多點(diǎn)同時(shí)著火，沒有明顯的火焰前鋒，減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期，

8、避免了高溫反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)生,因此能夠大大減少 NOxB 放。（3）只與燃油本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，著火和燃燒速率只受燃油氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，受燃燒室內(nèi)流場影響較小，因此可以簡化對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（4）在低負(fù)荷工況下具有很高的熱效率。目前 HCCI 技術(shù)被認(rèn)為是柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)歐 V 排放標(biāo)準(zhǔn)的最佳技術(shù)路線之一。柴油機(jī)的 HCCI 燃燒也存在一定的缺點(diǎn)，主要有 3 個(gè)方面：（1）HC、CO 的排放較高，有待于進(jìn)一步降低；（2）高負(fù)荷工況容易出現(xiàn)爆震燃燒，目前仍無法實(shí)現(xiàn)全工況的 HCCI 燃燒運(yùn)行模式；由于使用的燃料是較難揮發(fā)和較易自燃的柴油，蒸發(fā)性和流動(dòng)性比較差，均質(zhì)混合氣的制備相對困難；

9、同時(shí)柴油作為高十六烷值燃料，化學(xué)安定性差，容易發(fā)生低溫自燃反應(yīng)，并且均質(zhì)混合氣的燃燒速度難于控制，容易造成不穩(wěn)定燃燒在能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，人們對高效能、低污染動(dòng)力源的需求與日俱增，對柴車油機(jī)性能的要求越來越高。但目前車用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)從燃燒過程上無法同時(shí)降低 NOX 和碳煙的排放，降低 NOX 排放導(dǎo)致溫度降低，不利于碳煙的氧化反應(yīng)，使碳煙排放量增加，即不能同時(shí)解決碳煙和 NOX 生成的 trade-off 關(guān)系。在這種情況下，許多研究人員開始嘗試一種預(yù)混合燃燒和低溫燃燒相結(jié)合的新型燃燒方式：依靠預(yù)混合燃燒形成的均勻混合氣和低溫燃燒較低的缸內(nèi)溫度來同時(shí)降低碳煙和 NOX 排放。這種燃燒

10、方式被稱作均質(zhì)壓燃式燃燒方式，即 HCCI（Homoge-neousChargeCompressionIgnition）。1 .HCCI 簡介HCCI 的中文意思是均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃從理論上講，HCCI 燃燒過程中，均勻的空氣與燃料混合氣及殘余廢氣被壓縮點(diǎn)燃，燃燒在多點(diǎn)同步發(fā)生且無明顯的火焰前鋒，燃燒溫度比較均勻，NOX 和碳煙 PM 的形成能夠被有效抑制。2 .種燃燒方式發(fā)動(dòng)機(jī)的比較均質(zhì)混合氣壓燃燃燒方式的出現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀薄點(diǎn)燃燃燒速度慢的缺點(diǎn)，是有別于傳統(tǒng)的汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃預(yù)混燃燒、 柴油機(jī)非均質(zhì)壓燃擴(kuò)散燃燒和 GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒方式的第四種燃燒方式。3 .HCCI 的優(yōu)缺

11、點(diǎn)HCCI 燃燒方式綜合了傳統(tǒng)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。HCCI 燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)如下:1）熱效率高。（2）HCCI 燃燒與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比，可以減少 90%98%的 NOX 排放。（3）據(jù)研究表明，HCCI 燃燒會(huì)產(chǎn)生低水平的煙霧和微粒排放。然而，HCCI 燃燒方式也具有如下缺點(diǎn) 1）運(yùn)行范圍有限。發(fā)動(dòng)機(jī)采用 HCCI 方式運(yùn)行受到失火（混合氣過稀）和敲缸（混合氣過濃）的限制2。（2）HC 和 CO 排放較高。3 種燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)的比較比較內(nèi)谷點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI 燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料汽油等柴油、乙醇、天然氣等均可范圍更廠過量空氣系數(shù) 1 左右1.62.2 范圍里

12、廣混合氣形成方式化油器或噴射-均質(zhì)噴射-濃稀均質(zhì)稀薄燃燒否是是著火方式點(diǎn)燃?jí)喝家话銥閴喝键c(diǎn)火系統(tǒng)有無無燃燒方式預(yù)混燃燒擴(kuò)散燃燒同時(shí)著火節(jié)氣門有無無艾質(zhì)調(diào)中艾質(zhì)調(diào)中壓縮比較低較局較局火焰有有無明顯火焰前鋒壓縮終了溫度較低較局較局燃燒溫度局溫局部 tWj 溫相對低溫理論循環(huán)等容加熱混合加熱等容加熱泵氣損失較局較低較低向 氣 缸 散抻k 最多較多少熱效率低IWJ高燃 油 經(jīng) 濟(jì)性低高高NOX高高低PM低高低HC高低高CO高低高發(fā)明人奧托狄塞爾-發(fā)明日期1876 年 1897 年-燃燒起點(diǎn)控制點(diǎn)火定時(shí)噴油定時(shí)綜合控制燃燒劇烈程度較小較大較大HCCI 燃燒方式的實(shí)現(xiàn)均質(zhì)混合氣的形成均質(zhì)混合氣的形成是實(shí)現(xiàn)

13、對 HCCI 燃燒控制的第一步，也是很重要的一步。國際上采用的柴油均質(zhì)混合氣形成方式包括：進(jìn)氣道缸外噴射、缸內(nèi)早期噴射和晚期噴射。HCCI 燃燒的控制HCCI 燃燒中，著火時(shí)刻和燃燒速率這兩個(gè)參數(shù)基本上由可燃混合物的化學(xué)動(dòng)力學(xué)來控制。根據(jù)近年來世界各國研究人員的試驗(yàn)研究結(jié)果，可得出一些間接控制 HCCI 燃燒的方法大體上可分為兩類，一類是改變空氣/燃料的混合特性，另一類是改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作和設(shè)計(jì)參數(shù)。4.國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國從 20 世紀(jì) 80 年代末就開始研究含有 HCCI 燃燒概念的燃燒系統(tǒng),如上海交通大學(xué)的可控活性化預(yù)混合燃燒系統(tǒng)、究。5。國外研究現(xiàn)狀理論研究到目前為止,HCCI 研究還不完全

14、,理論研究比試驗(yàn)研究和模擬分析研究要多一些。從 20 世紀(jì)到現(xiàn)在,含有 HCCI 燃燒概念的燃燒系統(tǒng)有EGRWS,天津大學(xué)對 HCCI 燃燒也進(jìn)行了研AR（ATAC、RI）燃燒系統(tǒng)、可控自著火（CAI）燃燒系統(tǒng)、調(diào)諧動(dòng)力（MK）燃燒系統(tǒng)、均勻松散燃燒系統(tǒng)（UNIBUS）、稀薄預(yù)混合燃燒（PREDIC）系統(tǒng)、均質(zhì)合理的多次噴射燃燒系統(tǒng)（HiMICS）和美國西南研究院的均質(zhì)進(jìn)氣壓縮點(diǎn)火（HCCI）燃燒系統(tǒng)等。（1）二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)早在 20 世紀(jì) 30 年代，人們就認(rèn)識(shí)到均質(zhì)混合氣壓縮自燃的燃燒方式在汽油機(jī)上存在。 1979 年，Onishi和 Nouchi 研究二沖程發(fā)動(dòng)機(jī) HCCI 燃燒。 隨后

15、Yoichi,Gentili 等仔細(xì)研究了利用內(nèi)部 EGR 在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn) HCCI 的應(yīng)用。Norimasa 等人研究了代用燃料在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施 HCCI 燃燒的狀況。Lida 在 1994年的實(shí)驗(yàn)表明，在二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上用甲醇作燃料，HCCI 方式的工作范圍可以明顯擴(kuò)展。Honda 公司于1997 年已展示了采用 HCCI 的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，IPF 公司也開發(fā)了應(yīng)用 HCCI 概念的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)第一次在四沖程汽油機(jī)上實(shí)現(xiàn) HCCI 燃燒模式見于 1983 年 Najt 的報(bào)道。1989 年 Thing 提出 HCCI 這一描述此種燃燒過程的名詞。Thring首次采

16、用了兩種燃燒模式，即在大負(fù)荷使用火花點(diǎn)火方式，在部分負(fù)荷采用HCCI 方式3;1992 年，Stockinger 等人首次在實(shí)用的 1.6LVw 發(fā)動(dòng)機(jī)上研究HCCI;1996 年 Ryan 和Challahan 用可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)測出以十六烷值為 47 的柴油為燃料的 HCCI 的運(yùn)行范圍；模擬計(jì)算研究從近 20 年的發(fā)展歷史來看，具體技術(shù)措施的研究走在模擬計(jì)算研究的前面。1983 年，Najt 和 Foster在 WaukeshaCooperativeFuelsResearch（CFR,混合燃料研究）機(jī)上用簡單動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出了適當(dāng)壓縮比、高 EGR 與放熱率的關(guān)系。近兩年用多區(qū)模型預(yù)測

17、HCCI 燃燒和排放；空燃比和溫度分布對 HCCI 燃燒的影響模型；HCCI 燃燒的多維計(jì)算流體力學(xué)詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型等等。計(jì)算模型的建立歸根到底是為了科學(xué)而又經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前用化學(xué)動(dòng)力學(xué)等模型與傳統(tǒng)的計(jì)算流體軟件如 KIVA 相結(jié)合對 HCCI 燃燒進(jìn)行了一些研究，也使用了先進(jìn)的湍流模型6.HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題及對策雖然 HCCI 技術(shù)受到了廣泛的重視，但在其批量生產(chǎn)實(shí)用產(chǎn)品的路上還面臨一些技術(shù)問題，HCCI 尚待解決的技術(shù)問題如下：（1）著火時(shí)刻和燃燒速率的控制。HCCI 著火過程主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，著火時(shí)刻決定于混合氣的成分、溫度和壓力，只能間接控制著火時(shí)刻和燃燒過程。

18、目前是通過 EGR、VCR 和 VVT 等技術(shù)解決。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)。多種多樣冷啟動(dòng)方案被提出并研究，例如，使用預(yù)熱器，使用不同的燃料或是燃料添加劑，增加壓縮比，使用可變壓縮比或可變氣門正時(shí)等技術(shù)。有資料顯示，點(diǎn)燃是個(gè)切實(shí)可行的辦法。（3）排放（特別是低負(fù)荷 HC 和 CO 排放）控制系統(tǒng)的發(fā)展。使用 HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)由于燃燒溫度低，混合氣混合均勻使 NOX 和 PM 排放很低。但 HC 排放較高，需采用機(jī)外凈化裝置。但廢氣再循環(huán)技術(shù)更受青睞。一般認(rèn)為，再循環(huán)廢氣有加熱作用、稀釋作用、分層作用和化學(xué)性作用。(4)發(fā)動(dòng)機(jī)變工況運(yùn)行。HCCI 燃燒幾乎是同時(shí)進(jìn)行的,大負(fù)荷時(shí)過快的燃燒速度會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒；低負(fù)荷時(shí)燃燒速度過慢會(huì)引起火焰?zhèn)鞑ブ袛唷Ｑ芯勘砻?，通過分層燃燒可以有效地拓寬 HCCI 的運(yùn)行工況范圍，采用兩種不同特性的燃料也是拓寬HCCI 運(yùn)行工況范圍和