1、均质压燃（HCCI ）燃烧过程控制方式的研究?综述?均质压燃(HCCI)燃烧过程控制方式的研究卢美秀张欣李从心(北京交通大学北京 100044)摘要:均质压燃(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究焦点.因 HCCI 发动机的燃烧过程主要由可燃混合气的化学动力学所控制,故很难在全负荷范围内控制它的着火时刻和燃烧放热率.因此,HCCI 燃烧过程的控制成为 HCCI 研究热点.本文根据一些控制 HCCI 发动机燃烧过程的研究结果对其进行阐述.关键词:均质压燃燃烧过程发动机ResearchofControllingofHomogeneousChargeCompressionIgnition(H
2、CCI)CombustionProcedureLuMeixiuZhangXinLiCongxinBeijingJiaotongUniversity(Beijing100044)Abstract:HomogeneousChargeCompressionIgnition(HCCI)combustionhasbecomeafocusoftheenginecombustionresearch.ButthecombustionofHCCIismainlycontrolledbyitschemicalkinetics,itisverydifoficuhforHCCItocontrolignitiontim
3、ingandheatreleaserateoverwideengineoperationrange.Sothecon-trollingofthecombustionprocedurehasbecomethemajorproblemandthefocusontheresearchofHCCI.ThispaperexpoundsthisproblemaccordingtosomeofenneresearchresultsofthecontrollingofHCCIcombustion.Keywords:HomogeneousChargeCompressionIgnition(HCCI),Combu
4、stionprocedure,Engine1 前言为了满足日趋严格的内燃机排放法规要求,研究人员提出了一种新的燃烧方式,即均质压燃(HCCI).该燃烧方式被认为是满足未来日趋严格排放法规的重要技术手段.本文将围绕 HCCI 燃烧控制的问题进行阐述.2HCCI 方式的燃烧特点HCCI 方式与传统火花点火式和压燃式这两种燃烧方式有某些相似之处,但又完全不同.HCCI 燃烧过程是均匀的可燃混合气在气缸内被压缩到自燃,燃烧在多点同步发生而且没有明显火焰前锋,燃烧反应迅速,燃烧温度低且分布较均匀,因而只生成很少的 NOx和 PM,在低负荷时具有很高的热效率3.采用 HCCI 方式在发动机内燃烧多种燃料,
5、如柴油,甲烷,柴油与汽油混合物等时,燃烧过程的放热表40 小型内燃机与摩托车 2004.2现出特别的两个阶段,即放热曲线有两个峰值,如图118,16所示. 第一阶段(放热曲线上较小的峰值) 与低温动力学相联系(冷焰和/或蓝焰),第二阶段(放热曲一瓣最图 1HCCI 发动机与普通柴油机的放热率对比线上较大的峰值)是主燃烧期;第一阶段相应是第二阶段(主燃烧期) 的焰前反应,焰前反应放出的热量加?综述?热了余下的充量,同时余下的充量继续被压缩,故在一个短的时间延迟之后,余下的充量基本达到着火条件,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.因此,HCCI 的燃烧速率较快,燃烧始点和
6、放热率对压缩过程中充量的温度,压力等很敏感,控制起来比较困难.3HCCI 发动机燃烧过程的控制在传统的火花点火式和压燃式发动机的燃烧系统中,着火时刻是分别通过点火系统直接控制和喷射系统间接控制;而燃烧速率又是分别通过火焰传播速率和空气与燃油的混合率来控制的.但是,HCCI 燃烧过程主要是由化学动力学所控制,燃烧几乎同步进行,不能采用上述传统的方法,因此只能采用其他的一些间接方法来控制 HCCI 燃烧,而且还有两方面的要求, 一方面是控制着火时刻发生在上止点附近;另一方面是控制好燃烧放热速率,避免粗暴燃烧引起敲缸.HCCI 燃烧中,着火时刻和燃烧速率这两个参数基本上由可燃混合物的化学动力学来控制
7、.研究表明:燃料的自燃性主要依赖于其成分,分子大小和结构,也就是说,HCCI 燃烧的开始是由空气/燃料混合气的自燃化学特性决定,而可燃混合气的自燃特性受混合气的性质和缸内温度变化的影响,因此,HCCI 燃烧过程的影响因素是:燃料的自燃特性;燃料的浓度;残余废气率和残余废气的可反应性;混合物的均匀性;压缩比;进气温度及燃料的汽化潜热和缸内温度;气缸周围壁面的传热;以及其它与发动机有关的参数等.这些影响因素往往不是孤立的,而是互相关联的.根据近年来世界各国研究人员的试验研究结果,可得出一些间接控制 HCCI 燃烧的方法,大体上可分为两类,一类是改变空气/燃料的混合特性,如提高进气温度,调节空燃比,
8、使用 EGR,使用添加剂,改变燃料的性质;另一类是改变发动机的工作和设计参数,如可变压缩比,可变气门正时,增压,使用不同的燃料喷射方式等.3.1 改变空燃料的混合特性3.1.1 进气温度较高的进气温度可引起较高的放热率,且会提前第一阶段(冷焰) 的着火,从而缩短主燃烧期着火延迟(相关内容见图 1).实现 HCCI 燃烧和着火时刻控制的常用做法是调节进气空气温度.较高的进气温度可促进 HCCI 燃烧,但是其可调节的范围是有限的,在这个有限的范围之外,发动机的容积效率和热效率会大大降低,这是因为如果着火提前于压缩行程,将引起大的负功作用在活塞上.因此 Christensen 等人.6 在对 HCC
9、I 燃烧进行研究时,是采用调节进气温度与改变其他参数相结合的方法对 HCCI 燃烧过程进行控制的.3.1.2 空燃比空气/燃料混合物的比例直接影响 HCCI 燃烧的着火时刻和燃烧放热率.在稀的混合比(高的空燃比)和高的 EGR 率条件下可以较好地控制 HCCI 燃烧速率,实现稳定的 HCCI 燃烧.但是过高的空燃比(混合气过稀)会引起失火,而过低的空燃比(混合气过浓)会引起敲缸.因此,空燃比的变化范围是有限的.3.1.3 废气再循环(EGR)通过 EGR 对 HCCI 燃烧过程进行控制有两种方法:内部 EGR 法和外部 EGR 法.内部 EGR 对 HCCI 燃烧有两方面作用,即热作用和化学作
10、用.因此 EGR 对 HCCI 燃烧的影响就是热作用和化学作用综合作用的结果.热作用与 EGR 的高温相联系.它提高了全部进气充量的温度,帮助充量克服它的活化能,从而提早着火时刻.化学作用来自 EGR 包含的化学活性种类.进气充量的温度维持不变时,EGR 所包含越多的化学活性种类,着火出现越早.当 EGR 的数量和质量固定时,越高的进气温度引起更早的燃烧着火.因此,在燃烧过程中,当空气/燃料混合气与吸人的热残余 EGR 混合时将提高发动机充量的温度.通过调节残余 EGR 的量,可以控制HCCI 燃烧的着火延迟和放热率.外部 EGR 因经过冷却比内部 EGR 有更低的温度,而且它降低了化学反应速
11、率,从而延迟着火时刻,降低放热率及气缸峰值压力.Christensen 等人通过引人 EGR 到发动机的进气歧管进行了一系列研究,研究结果表明 J:在发动机压缩比为 18:1,指示平均压力(IMEP)大约为 0.5MPa 和空气/燃料混合气的进气温度大约分别为 120.C,110.C 和 150.C 条件下,异辛烷(辛烷值 loo)中使用高达 57%的 EGR,乙醇( 辛烷值106)中使用高达 62%的 EGR 及天然气(辛烷值 120)中使用高达 48%的 EGR 可以获得稳定 HCCI 燃烧 ;在更高的空气/燃料混合气的进气温度(175.C240.C),较低的压缩比(8:1),使用高达 5
12、0%的 EGR的条件下燃用柴油也可以在一定负荷范围内获得稳定的 HCCI 燃烧.Yoshinori1wabuchi 等人也对 EGR 率影响 HCCI 燃烧过程的效果进行了研究,研究结果如图 2_8 所示.由图可见,着火时刻随着 EGR 率的增加有较大推迟,当过量氧气比为 2 或更低时,这种趋势变得更为明显.小型内燃机与摩托车 2004.241?综述?32024016080O403020 一 l0TDCl02030曲轴转角/CA图 2EGR 率对放热曲线的影响3.1.4 添加剂针对图 1 所示的着火的第一阶段,一些化学物质有延缓或提高放热的能力.如果以添加剂形式与发动机充量相混合,将影响 HC
13、CI 燃烧第一阶段的着火放热,从而进一步影响主燃烧期的着火阶段.二甲醚(DME) 有低的辛烷值 ,当它与传统的燃料混合时,将增大第一阶段着火的放热率,从而稳定 HC.CI 燃烧.在一台用于多燃料研究的发动机上的试验结果表明 J:通过增加二甲醚(DME)可以达到改善HCCI 燃烧的目的.水是一种不活泼的化学物质,其作为燃料的一种潜在的添加剂,可影响 HCCI 燃烧的着火时刻和放热率.试验结果_1 表明喷水能使 HCCI 燃烧的着火时刻推迟和减缓放热率,但这是仅在一个狭小的负荷范围内起作用;另一方面,会使未燃 HC 和 CO 排放增加,这表明燃烧质量下降.MTBE(甲基特丁基醚) 是一种含氧化物
14、,它的低沸点促使均匀混合气的形成,其低的辛烷值抑制了预混合气过早地燃烧.MatsuoOdaka 等人 L1 在试验中,在柴油中混入 MTBE,试验结果表明预混合气的着火时刻随 MTBE 的增加而延迟了.3.1.5 改变燃料的性质燃料的成分,分子大小和结构影响燃料的自燃反应特性.预先配制的燃料或混合不同的燃料可以使一些燃料更适合 HCCI 燃烧,同时可以使控制燃烧过程更为可行.HCCI 燃烧是均匀混合气压缩自燃,要形成均匀的混合气,要求燃料具有较高的辛烷值和较低的沸点.为实现压缩着火,要求燃料有好的着火性,即高的十六烷值.结合这两方面的要求,根据需要,如果能预先人工制备出适合 HCCI 燃烧的专
15、用燃料,那将能较好地控制燃烧过程.混合有不同自燃能力的燃料可以大大改变 HCCI燃烧的性能.甲烷中混合二甲醚(DME)可以通过扩42 小型内燃机与摩托车 2004.2大控制范围和减少排放来改善甲烷的 HCCI 燃烧,特别在低负荷时.效果明显.但是,如果混合燃料的比例不合适将会限制 HCCI 燃烧的运转范围.实验研究表明,随着压缩比升高,一种混合燃料(19%的十六烷和 81%的庚烷) 适合的 HCCI 燃烧的空燃比的范围要比纯柴油时更狭窄.3.2 改变发动机工作和设计参数改变发动机工作和控制参数目的是通过改变发动机充量的温度变化规律来获得和优化 HCCI 燃烧,以适应不同的发动机运转范围.3.2
16、.1 压缩比较高的压缩比能提高进气温度,从而加快 HCCI燃烧的着火时刻.另外,较高的压缩比和相应高的膨胀比有助于提高热效率.然而,当使用高的压缩比时,特别是燃用较低的辛烷值燃料时,敲缸是一个问题,Christensen 等人在没有使用 EGR 和固定过量空气系数(=3) 的情况下 ,通过调节进气温度和变压缩比 ,证明了几乎任意的液体燃料都能在变压缩比的条件下采用 HCCI 方式.3.2.2 发动机转速HCCI 燃烧的着火延迟大体上依赖空气/燃料混合气的情况,受发动机转速的影响较小.然而,我们注意到 HCCI 燃烧的着火时刻与发动机曲轴转角有关,当发动机转速上升时,着火时刻延迟.在着火发生在上
17、止点之前的情况下,由于压缩温度升高将补偿高转速时导致的着火延迟.如果着火出现在上止点之后,由高转速引起的相对着火延迟因膨胀将更加推迟.3.2.3 可变气门正时可变气门正时已经被 Lotus 大学用来控制 HCCI燃烧过程.通过改变发动机的气门正时,可以吸入一定量可以控制的 EGR.使用可变气门正时有两种基本的模式,即相继或同时吸入 EGR 和新鲜充量.相继吸入 EGR 和新鲜充量这种模式是,通过相当早的排气门关闭而吸入一定量的(可能会变化的)残余废气,在排气行程的后期,这些吸入在气缸内的残余废气被压缩;当活塞在进气行程向下运行时,进气门打开,新鲜充量进入基本上充满残余废气的气缸并与之混合.而同
18、时吸入 EGR 和新鲜充量这种模式是,当活塞在膨胀行程运行到下止点时,排气门开启,所有的废气从气缸中排出;当活塞在进气行程经过上止点时,进气门和排气门同时开启,新鲜充量和废气同时被吸人到气缸中;当活塞经过下止点时,进气门和排气门同时关闭 ,气缸内新鲜充量和吸入的废气混合并进入压缩行程.采用可变气门正时,期望降低污染排放的同时,在稀混蕃?综述?合气的条件下控制 HCCI 燃烧也可获得低的燃油消耗.3.2.4 增压增压可以用来提高发动机的指示平均压力(IMEP)和扩大 HCCI 燃烧的空燃比运转范围.在不同的压缩比和增压压力条件下,用不同的燃料试验.结果表明:在进气温度需要附加地调节条件下,增压(
19、高达 0.2MPa 的增压压力)提高了指示平均压力(IMEP),且扩大运转的空燃比范围.然而,增压伴有高的气缸压力(在 0.2MPa 的增压压力下大约为25MPa),这样将会潜在限制增压的应用.3.2.5 重油喷射进气道内燃料或重油的喷射,如柴油,由于不良的雾化过程和燃烧室内的壁附效应,采用 HCCI 燃烧时常常引起高的 HC 和 CO 排放和高的油耗.现在也已在研究缸内燃料直喷方式,缸内燃料直喷有两种方式:缸内早期燃料喷射和缸内晚期燃料喷射.缸内早期燃料喷射:即在压缩上止点前将燃料喷人缸内,通常此种情况下发动机的喷油提前角远大于传统柴油机,使柴油与空气在着火前充分混合.燃油喷射可使用普通柴油
20、机喷油嘴,也可通过专用的喷射阀实现.缸内晚期燃料喷射:即将柴油在压缩上止点附近或之后喷人缸内,同时采用大量预冷的废气再循环(EGR),加强涡流和降低压缩比等措施来实现点火延迟.最终结果是着火恰好发生在燃油喷射结束之后.尽管缸内后期喷射在缸内形成的混合物均匀度不如进气道喷射和缸内早期燃料喷射的均度,但 NO 和碳烟排放仍然低于传统柴油机.4 结论到目前为此,还没能找到在发动机全部负荷范围内控制 HCCI 燃烧过程的切实有效的方法,上述所涉及的诸类方法的优化与综合,有望能实现控制 HCCI燃烧的目标.因此,关于控制 HCCI 燃烧过程的研究还存在着广阔的空间,HCCI 燃烧过程的控制问题正在成为 HCCI 燃烧方式研究的热点问题.根据过去与现在世界各国研究人员的研究结果,可知 HCCI 方式具有可以降低 NO 和碳烟排放,提高发动机部分负荷热效率,适应各种类型的燃料等优势,然而,为了获得成功的商业应用,还必须解决诸如在发动机全面运转负荷范围内控制着火时刻和燃烧速率的问题.这个问题的解决可以从改变空气/燃料的混合特性和改变发动
