發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù)1.4 發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮燃燒技術(shù) 1.4.1傳統(tǒng)燃燒概念局限性 汽油機(jī)： 傳統(tǒng)的汽油機(jī)屬于預(yù)混均質(zhì)燃燒，由于汽油特性以及爆震等諸多因素的限制，因此，壓縮比低，熱效率低。與汽油機(jī)相比。柴油機(jī)：柴油機(jī)具有較高的熱效率和優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性，但是，傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒是燃料噴霧的擴(kuò)散燃燒，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮到接近終點(diǎn)時(shí)的高溫使混合氣自燃著火。由于噴霧與空氣的混和時(shí)間很短，燃料與空氣混和的嚴(yán)重不均勻，混合氣分為高溫過(guò)濃區(qū)和高溫火焰區(qū)，導(dǎo)致碳煙和N0排放生成。1.4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮燃燒（HCCI）技術(shù)三種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒比較HCCI是英文“Homogeneous Charge Co

2、mpression Ignition” 的縮寫(xiě)，中文意思是“均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃”。它是一種預(yù)混合燃燒和低溫燃燒相結(jié)合的新型燃燒方式：在進(jìn)氣過(guò)程形成均質(zhì)的混合氣，當(dāng)壓縮到上止點(diǎn)附近時(shí)均質(zhì)混合氣自燃著火。HCCI簡(jiǎn)介 基本原理：通過(guò)壓縮缸內(nèi)均勻的燃油和空氣的混合氣，在上止點(diǎn)(TDC)附近實(shí)現(xiàn)自燃。因此在本文將這種燃燒方式統(tǒng)稱(chēng)為HCCI燃燒，即均質(zhì)壓燃。汽油機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)柴油機(jī)HCCI的燃燒機(jī)理 HCCI燃燒的能量釋放過(guò)程是受多種化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素支配的，這些因素進(jìn)而又受流體靜力學(xué)和熱力學(xué)狀態(tài)歷程的影響。普遍認(rèn)為，燃燒的引發(fā)受化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制，因?yàn)楦變?nèi)的混合氣受到壓縮，溫度和壓力上升。溫度和壓力的時(shí)間歷程

3、、壓縮沖程結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力、燃油的自燃特性和殘余廢氣量，連同O2的濃度、不同的燃油含量和燃燒產(chǎn)物，共同支配著燃燒開(kāi)始的方式。因此，HCCI燃燒具有非常小的循環(huán)偏差，而且不存在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。 HCCI特征 1 采用均質(zhì)混合氣。空氣和燃油在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)中預(yù)混合，形成均質(zhì)的空氣/燃油混合氣，然后吸入氣缸進(jìn)行壓縮。也有燃油直接噴入氣缸、在氣缸內(nèi)與空氣進(jìn)行預(yù)混合的。 2 采用比火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)高得多的壓縮比，且允許壓縮比在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)變動(dòng)。 3為了使均質(zhì)混合氣能夠通過(guò)壓縮而點(diǎn)燃，必要時(shí)需對(duì)吸入空氣進(jìn)行加熱。 4采用壓縮點(diǎn)燃。在壓縮沖程中，混合氣溫度升高，達(dá)到自燃溫度而自燃；也就是說(shuō)

4、，不需要任何點(diǎn)火系統(tǒng)。 5 由于壓縮點(diǎn)燃的緣故，可以采用相當(dāng)稀薄的混合氣，因此可以按照變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，直接通過(guò)調(diào)節(jié)噴油量來(lái)調(diào)節(jié)扭矩，不需要節(jié)氣門(mén)。 6 既然均質(zhì)混合氣是自燃的，所以燃燒大體上是整個(gè)氣缸內(nèi)同時(shí)開(kāi)始的?？梢圆捎眠^(guò)量空氣或者殘余廢氣達(dá)到高度稀釋的混合氣。 7 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃油辛烷值允許在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)變動(dòng)?？梢圆捎闷?、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以采用多種燃料混合燃燒。還可以將對(duì)高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調(diào)整，用作在HCCI燃燒中控制燃燒起點(diǎn)和負(fù)荷范圍的方法。也有人試圖用柴油作為HCCI燃料，但效果遠(yuǎn)不及汽油。 7 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃油辛烷

5、值允許在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)變動(dòng)?？梢圆捎闷?、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以采用多種燃料混合燃燒。還可以將對(duì)高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調(diào)整，用作在HCCI燃燒中控制燃燒起點(diǎn)和負(fù)荷范圍的方法。也有人試圖用柴油作為HCCI燃料，但效果遠(yuǎn)不及汽油。比較內(nèi)容點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃料汽油等柴油、乙醇、天然氣等均可，范圍更廣過(guò)量空氣系數(shù)1左右1.6-2.2范圍更廣混合氣形成方式噴射-均質(zhì)噴射-濃稀均質(zhì)稀薄燃燒否是是點(diǎn)火方式點(diǎn)燃?jí)喝級(jí)嚎s自燃點(diǎn)火系統(tǒng)有無(wú)無(wú)燃燒方式預(yù)混合燃燒擴(kuò)散燃燒同時(shí)著火節(jié)氣門(mén)有無(wú)無(wú)扭矩調(diào)節(jié)方式變量調(diào)節(jié)變質(zhì)調(diào)節(jié)變質(zhì)調(diào)節(jié)壓縮比較低較高較高火焰有有無(wú)明

6、顯火焰前鋒壓縮終了溫度較低較高較高燃燒溫度較高局部較高相對(duì)低溫理論循環(huán)等容加熱混合加熱等容加熱泵氣損失較高較低較低向氣缸散熱較多較少較低熱效率低高高燃油經(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三種燃燒方式的發(fā)動(dòng)機(jī)比較HCCI特點(diǎn)1、超低的氮氧化物和碳煙排放2、燃燒熱效率高（1）減小了節(jié)流損失（2）提高了壓縮比（3）縮短了燃燒持續(xù)期3、HCCI燃燒過(guò)程主要受燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制4、HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍較窄5、HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO排放較高規(guī)范化放熱曲線(xiàn)NOx排放曲線(xiàn)比較圖1.4.3 柴油機(jī)HCCI燃燒的影響因素（一）影響

7、柴油機(jī)HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式1缸外預(yù)混HCCI 即在進(jìn)氣沖程把柴油噴入進(jìn)氣管，與空氣混合形成預(yù)混合氣。采用進(jìn)氣道噴射，利用進(jìn)氣渦流來(lái)強(qiáng)化混合氣的形成，是提高混合氣均勻度的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。但要求較高的進(jìn)氣溫度來(lái)促進(jìn)柴油的蒸發(fā)，需要安裝加熱裝置和進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)，并且不利于柴油機(jī)冷啟動(dòng)。早期的研究中多采用這種方法制備混合氣，最早進(jìn)行研究的美國(guó)西南研究院曾采用這種方式引入混合氣，燃料在進(jìn)氣道噴出后與空氣混合形成均勻的混合氣，進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)混合氣進(jìn)入缸內(nèi)壓縮、著火。柴油由于揮發(fā)性較差以及壁面撞擊，采用此法將導(dǎo)致較高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。1.4.3 柴油機(jī)HCCI燃燒的影

8、響因素（一）影響柴油機(jī)HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式2缸內(nèi)早噴HCCI 該方式是目前普遍采用的柴油HCCI預(yù)混合氣形成方式。即在壓縮沖程的早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。由于柴油密度大，而壓縮沖程早期缸內(nèi)空氣密度較小，高密度的柴油噴入低密度的環(huán)境中貫穿度較大，因而燃油撞壁現(xiàn)象嚴(yán)重，這會(huì)降低燃油的霧化與混合程度，進(jìn)而導(dǎo)致排放增加、油耗上升等問(wèn)題。 為了改善燃料的霧化與混合，柴油機(jī)HCCI噴油提前角遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)柴油機(jī)，使柴油與空氣在著火前充分混合。另外，改進(jìn)噴油器設(shè)計(jì)、改變?nèi)紵倚螤?、適當(dāng)組織缸內(nèi)氣流等方法均能在一定程度上改善柴油的霧化與混合。缸內(nèi)柴油早噴成功應(yīng)

9、用于產(chǎn)品的典型代表是日本豐田公司的UNIBUS燃燒系統(tǒng)。1.4.3 柴油機(jī)HCCI燃燒的影響因素（一）影響柴油機(jī)HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式3缸內(nèi)晚噴HCCI 在接近上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)之后，把柴油噴入氣缸，同時(shí)采用大量預(yù)冷的EGR、加強(qiáng)渦流和降低壓縮比等措施實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲，使柴油著火恰好發(fā)生在噴射結(jié)束之后。盡管缸內(nèi)晚噴形成的油氣均勻度不如進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)早噴均勻，但NOx和PM排放仍然低于傳統(tǒng)柴油機(jī)。柴油機(jī)缸內(nèi)晚噴HCCI燃燒的典型代表是日本Nissan公司的MK系統(tǒng)。MK系統(tǒng)通過(guò)推遲噴油，大EGR率（使氧濃度降到1516）延長(zhǎng)滯燃期，使噴油完全在滯燃期內(nèi)完成。為了提高混合率，MK發(fā)動(dòng)機(jī)的渦

10、流比提高了12，并優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)加快油氣混合。在MK燃燒的負(fù)荷范圍內(nèi)，NOx可降低90以上，煙度低于1個(gè)Bosch單位。1.4.3 柴油機(jī)HCCI燃燒的影響因素（一）影響柴油機(jī)HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式3缸內(nèi)晚噴HCCI 在接近上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)之后，把柴油噴入氣缸，同時(shí)采用大量預(yù)冷的EGR、加強(qiáng)渦流和降低壓縮比等措施實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲，使柴油著火恰好發(fā)生在噴射結(jié)束之后。盡管缸內(nèi)晚噴形成的油氣均勻度不如進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)早噴均勻，但NOx和PM排放仍然低于傳統(tǒng)柴油機(jī)。柴油機(jī)缸內(nèi)晚噴HCCI燃燒的典型代表是日本Nissan公司的MK系統(tǒng)。MK系統(tǒng)通過(guò)推遲噴油，大EGR率（使氧濃度降到1516）延長(zhǎng)

11、滯燃期，使噴油完全在滯燃期內(nèi)完成。為了提高混合率，MK發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比提高了12，并優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)加快油氣混合。在MK燃燒的負(fù)荷范圍內(nèi)，NOx可降低90以上，煙度低于1個(gè)Bosch單位。1.4.3 柴油機(jī)HCCI燃燒的影響因素（二）進(jìn)氣溫度的影響HCCI燃燒的著火時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣溫度十分敏感，隨著進(jìn)氣溫度的提高，將出現(xiàn)著火提前的現(xiàn)象，因此，控制缸內(nèi)溫度將是控制HCCI燃燒著火時(shí)刻的一個(gè)關(guān)鍵因素。一般通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度控制HCCI燃燒以及著火始點(diǎn)。在進(jìn)氣管加裝進(jìn)氣加熱裝置、引入廢氣再循環(huán)（EGR）可以提高進(jìn)氣溫度。（三）負(fù)荷的影響 1低負(fù)荷工況 HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷工況時(shí)，循環(huán)供油量小，混合氣濃度稀

12、，而反應(yīng)物濃度是影響燃燒反應(yīng)的一個(gè)重要因素，加之此時(shí)缸內(nèi)溫度較低，使HCCI燃燒的著火時(shí)刻顯著推遲，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象。在出現(xiàn)失火循環(huán)后，后繼循環(huán)爆發(fā)壓力往往突然升高，這是由于失火循環(huán)殘余的部分燃油在缸內(nèi)，導(dǎo)致下一循環(huán)油量增加，引起爆發(fā)壓力突升 2高負(fù)荷工況 HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在高負(fù)荷時(shí)，循環(huán)供油量大，此時(shí)缸內(nèi)溫度高，混合氣濃度大，使燃燒反應(yīng)的速度加快，從而容易引起著火過(guò)于提前的現(xiàn)象。過(guò)快的燃燒速度將造成壓力升高率迅速增大，并出現(xiàn)燃燒壓力振蕩現(xiàn)象。燃燒粗暴時(shí)，相關(guān)的噪聲、振動(dòng)和沖擊負(fù)荷增大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件損壞，同時(shí)NOx的排放也急劇升高，限制了HCCI燃燒的負(fù)荷擴(kuò)展。1.4.4 HCCI面

13、臨的問(wèn)題與難點(diǎn)1、適用工況范圍窄：燃燒受到失火(混合氣過(guò)稀)和爆燃(混合氣過(guò)濃)的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍比較窄。2、燃燒進(jìn)程難以控制：HCCI是預(yù)混合壓燃，不能像汽油機(jī)一樣由點(diǎn)火時(shí)刻控制燃燒始點(diǎn)，也不能像柴油機(jī)一樣由噴油時(shí)間控制燃燒始點(diǎn)，它沒(méi)有直接控制燃燒始點(diǎn)的措施，混合氣的自燃受混合物特性、溫度時(shí)間歷程等的影響。3、均勻混合氣的制備比較困難：均勻混合氣的制備和避免燃料與壁面相互作用對(duì)實(shí)現(xiàn)高燃燒效率、減少HC和PM排放及潤(rùn)滑油稀釋很重要。4、著火時(shí)刻和燃燒速率的控制。HCCI 著 火過(guò)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(guò)程。目前是通

14、過(guò) EGR、VCR 和VVT 等技術(shù)解決。5、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(mén)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。1.4.3 HCCI面臨的問(wèn)題與難點(diǎn)6、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。7、 發(fā)動(dòng)機(jī)變工況運(yùn)行。HCCI

15、燃燒幾乎是 同時(shí)進(jìn)行的, 大負(fù)荷時(shí)過(guò)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(guò)慢會(huì)引起 火焰?zhèn)鞑ブ袛?。研究表? 通過(guò)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 控制著火時(shí)刻的重要途徑之一。8、高負(fù)荷下功率輸出不足。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題 有兩種解決方案: 其一, 開(kāi)發(fā)應(yīng)用低十六烷值, 高能量密度的專(zhuān)用 HCCI 燃料, 能夠同時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)力 性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的要求。但是, 還沒(méi)有研究報(bào)道過(guò)類(lèi)似這種理想的專(zhuān)用 HCCI 燃料。其二, 采 用 “雙模式”HCCI 發(fā)動(dòng)機(jī), 即在部分負(fù)荷時(shí)采 用 HCC

16、I 燃燒模式, 而在很高負(fù)荷及全負(fù)荷時(shí)采用傳統(tǒng)柴油機(jī)的燃燒方式工作。1.4.5 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)需要突破的關(guān)鍵技術(shù) 1、由于HCCI的同時(shí)壓燃和放熱，瞬時(shí)間汽缸和活塞會(huì)受到強(qiáng)大的壓力，有可能會(huì)產(chǎn)生爆震的現(xiàn)象，所以必須降低混合氣的空燃比，這就需要HCCI在稀燃狀態(tài)下工作，排氣的溫度也比較低，使得發(fā)動(dòng)機(jī)較難采用渦輪增壓。2、著火定時(shí)的控制 與傳統(tǒng)火花點(diǎn)火汽油機(jī)和柴油機(jī)不同，HCCI燃燒過(guò)程中著火定時(shí)不受火花點(diǎn)火或噴油的直接控制，而是由空氣和燃料所組成的混合氣的自動(dòng)點(diǎn)火的化學(xué)反應(yīng)決定。在大范圍的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷內(nèi)，尤其是在快速的瞬態(tài)工況下，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火定時(shí)的控制成為HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要挑戰(zhàn)。目前控

17、制著火定時(shí)的主要措施有:直接調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度、改變EGR率調(diào)節(jié)缸內(nèi)混合氣的溫度和成分、可變壓縮比(VCR)控制混合氣在TDC時(shí)的溫度、可變氣門(mén)定時(shí)(VVT)改變缸內(nèi)的殘余廢氣量和有效壓縮比，燃油噴射定時(shí)(在直噴式系統(tǒng)中)以及使用燃油添加劑來(lái)改變混合氣的活性等。其中可變壓縮比和可變氣門(mén)定時(shí)最有發(fā)展?jié)摿Γ窃诔杀竞涂尚行苑矫孢€需要進(jìn)一步的研究。3.運(yùn)行范圍的拓展 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷可以很好地運(yùn)行。但是在高負(fù)荷時(shí)，混合氣加濃，燃燒速度過(guò)快，壓力升高率過(guò)大，燃燒非常劇烈，發(fā)生爆震現(xiàn)象，同時(shí)由于燃燒溫度升高NOX排放過(guò)高;在過(guò)低負(fù)荷時(shí)，燃燒效率過(guò)低，并且著火困難。因此HCCI燃燒被限定在一個(gè)有限的運(yùn)

18、行范圍內(nèi)。 HCCI運(yùn)行范圍除了需要向高負(fù)荷范圍拓展外，還需向低負(fù)荷范圍拓寬，提高低負(fù)荷時(shí)HCCI燃燒的穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能，其中包括低怠速和冷啟動(dòng)工況。 目前，雙模式運(yùn)行策略，即在中低負(fù)荷使用HCCI燃燒模式，而在大負(fù)荷或過(guò)低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)入傳統(tǒng)火花點(diǎn)火燃燒或柴油機(jī)燃燒模式，成為了HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的一大研究熱點(diǎn)。 這種雙模式運(yùn)行策略充分利用HCCI的優(yōu)點(diǎn)，但是燃燒模式之間的切換又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。 4.碳?xì)?HC)和一氧化碳(CO)的控制 HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中的HC和CO排放通常較高。特別是中低負(fù)荷時(shí)，由于HCCI燃燒溫度過(guò)低，靠近缸壁處的燃油無(wú)法燃燒，同時(shí)由于溫度過(guò)低缸內(nèi)的CO無(wú)法被完全氧化，故HC和CO排放大幅度增加。同時(shí)由于缸內(nèi)的混合氣均勻，在壓縮沖程時(shí)縫隙中進(jìn)入了一部分燃油混合氣，這部分混合氣在膨脹沖程重新返回氣缸內(nèi)，增加了HC排放?？梢酝ㄟ^(guò)壁面絕熱、壁面催化涂層和減小活塞頭部與氣缸的間隙來(lái)降低壁面淬熄。通過(guò)增壓和增加進(jìn)氣溫度同樣可以降低HC排放。另外，由于HCCI的排氣溫度較低，導(dǎo)致后處理催化轉(zhuǎn)換效率過(guò)低，因此出現(xiàn)了開(kāi)發(fā)低溫氧化型稀燃催化劑的需求。PCCI燃燒技術(shù)8 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 0012348 0