均質(zhì)充量壓縮著火

均質(zhì)充量壓縮著火（HCCI）燃燒的發(fā)展1概述1876年產(chǎn)生第一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)以來(lái)，傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式和壓燃式內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)一步提高燃料利用率和降低有害物排放方面已經(jīng)達(dá)到了極致。20世紀(jì)70年代，首次提出了均質(zhì)壓燃的概念，但由于控制技術(shù)的限制而沒(méi)有受到重視。90年代后期，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，均質(zhì)壓燃技術(shù)以其在內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排方面的巨大潛力而備受關(guān)注。迄今為止，雖已有少量生產(chǎn)但離廣泛的商業(yè)化還仍有許多技術(shù)難題需要解決。2.HCCI發(fā)展背景傳統(tǒng)燃燒方式的局限性傳統(tǒng)燃燒方式分為壓燃式（ci）和火花點(diǎn)火式（SI）。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)供油量以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化。在這種燃燒中，混合氣濃度和溫度分布都極不均勻，在燃燒室的局部高溫區(qū)產(chǎn)生NOx,高溫缺氧區(qū)產(chǎn)生PM。在火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上，一般采用預(yù)混合燃燒?？扇蓟旌蠚庠趬嚎s沖程末期被火花塞點(diǎn)燃，火焰前鋒在均質(zhì)混合氣中傳播,火焰前鋒及其燃燒產(chǎn)物的局部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他未然混合氣，燃燒室中溫度分布不均勻，局部的高溫容易導(dǎo)致已然區(qū)內(nèi)NOx的產(chǎn)生。三種燃燒方式燃燒圖片比較奎西發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火比較1噴油器柴油杭C伍縮點(diǎn)火＞＜火花蹇點(diǎn)火＞HCCI奎西發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火比較1噴油器柴油杭C伍縮點(diǎn)火＞＜火花蹇點(diǎn)火＞HCCI＜勻険裝料莊縮點(diǎn)燃＞三種燃燒方式方格比較比較內(nèi)容點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)燃料汽油等柴油、乙醇等均可范圍更廣過(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預(yù)混合均質(zhì)直噴濃稀均質(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(wú)無(wú)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(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)壓縮比較低較咼較咼火焰有有無(wú)明顯火焰前鋒壓縮終了溫度較低較咼較咼燃燒溫度高溫局部高溫相對(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咼較低較低向氣缸散熱最多較多少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高低高發(fā)明人奧托狄塞爾—發(fā)明日期18761897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因此，為了從根本上解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃燒和排放的問(wèn)題，新一代內(nèi)燃機(jī)燃燒模式均質(zhì)充量壓縮燃燒（homogeneouschargecompressionignition）目前引起全世界內(nèi)燃機(jī)廣泛關(guān)注和研究。HCCI簡(jiǎn)介HCCI燃燒方式概述HCCI是均勻的可燃混合氣在氣缸內(nèi)被壓縮直至自行著火燃燒的方式。隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，氣缸內(nèi)的溫度和壓力不斷升高，已混合均勻或基本混合均勻的可燃混合氣多點(diǎn)同時(shí)達(dá)到自燃條件，使燃燒在多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生，而且沒(méi)有明顯的火焰前鋒，燃燒反應(yīng)迅速，燃燒溫度低且分布較均勻，因而，只生成極少的NOx和微粒（PM），在低負(fù)荷時(shí)具有很高的熱效率。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)超低的NOx和PM排放。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況下的NOx排放相對(duì)柴油直噴機(jī)（DI）可降低95%?98%。燃燒熱效率高。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率甚至超過(guò)了直噴式柴油機(jī)。HCCI燃燒過(guò)程主要受燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍較窄HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒受到失火（混合氣過(guò)?。┖捅迹ɑ旌蠚膺^(guò)濃）的限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍變窄。對(duì)于高十六烷值燃料，由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒非常迅速，在高負(fù)荷工況下（混合氣濃度大）易發(fā)生爆震；對(duì)于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃燒為稀薄燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下容易失火。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO排放偏高。這主要是由于HCCI燃燒通常采用較稀的混合氣和較強(qiáng)的EGR，因缸內(nèi)溫度較低造成的。HCCI的燃燒特性從表面上看，均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)像點(diǎn)燃式汽油機(jī)一樣采用預(yù)混合均質(zhì)混合氣，又像壓燃式柴油機(jī)一樣利用壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量使混合氣自燃，似乎像是兩者的結(jié)合，而實(shí)際上卻有著本質(zhì)的區(qū)別。HCCI的燃燒放熱表現(xiàn)出特別的兩個(gè)階段，如圖1所示。第一階段（放熱曲線上較小的峰值）與低溫化學(xué)動(dòng)力學(xué)有關(guān)（冷焰或藍(lán)焰）；第二階段（放熱曲線上較大的峰值）是主燃燒期；第一階段是第二階段的焰前反應(yīng)，焰前反應(yīng)放出的熱量加熱了余下的充量，同時(shí)余下的

充量繼續(xù)被壓縮，經(jīng)歷短時(shí)間的延遲后，余下的充量達(dá)到著火條件，幾乎同時(shí)著火，使放熱率迅速升高，表現(xiàn)在放熱曲線上出現(xiàn)大的峰值。(vok(vokrh階我眉曲軸轉(zhuǎn)fe/DCA內(nèi)燃機(jī)科殺圖1HCCI柴油機(jī)與普通柴油機(jī)的放熱率比較HCCI系統(tǒng)的燃燒始點(diǎn)是由均質(zhì)混合氣的自然著火特性控制的，其混合氣的自燃受混合氣化學(xué)特性和燃燒室內(nèi)時(shí)間-溫度歷程的影響。5.HCCI技術(shù)尚待解決的問(wèn)題1）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。目前是通過(guò)EGR、VCR和VVT等技術(shù)解決。這是最關(guān)鍵的問(wèn)題。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(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?。研究表明，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。5）發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略和系統(tǒng)（閉環(huán)反饋系統(tǒng)）的發(fā)展以及相應(yīng)傳感器的研制。研發(fā)快速反應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)解決不同工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏性。6）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，高能量密度的專用HCCI燃料，能夠同時(shí)滿足動(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)類似這種理想的專用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HCCI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。7）合適燃料（包括混合燃料）的開(kāi)發(fā)。8）多缸機(jī)各缸均勻性的保證。均質(zhì)壓燃燃燒放熱時(shí)間的控制控制燃燒時(shí)間一是直接控制混合氣在壓縮行程結(jié)束時(shí)的溫度，二是控制混合氣的自燃溫度。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍受到的限制及擴(kuò)展方法低負(fù)荷時(shí)首先是向混合氣提供盡可能多的熱能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)不至于因混合氣達(dá)不到自燃溫度而失火；其次是通過(guò)燃料重整或不完全燃燒來(lái)改變?nèi)加突蛘呋旌蠚獾幕瘜W(xué)特性，降低混合氣的自燃溫度。高負(fù)荷擴(kuò)展HCCI的措施有：1?采用EGR，對(duì)混合氣進(jìn)行稀釋，增加混合氣比熱容，降低燃燒速度和工作粗暴。2?推遲燃燒時(shí)間。3?降低壓縮前的氣體溫度。4?減小氣門處流動(dòng)阻力，從而對(duì)缸內(nèi)沖量進(jìn)行稀釋。5?增加混合氣溫度分布的不均勻性，來(lái)延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期，降低燃燒粗暴性。HCCI未來(lái)的發(fā)展完全意義的HCCI方式發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用的時(shí)間很難預(yù)測(cè)，對(duì)于即將在實(shí)車上的應(yīng)用，將會(huì)出現(xiàn)“雙重模式”發(fā)動(dòng)機(jī)，在起動(dòng)和大負(fù)荷時(shí)使用點(diǎn)燃或壓燃，在中低負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)換為HCCI方式，使發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷有良好的經(jīng)濟(jì)性和較低的排放。即利用了低負(fù)荷下HCCI