1、发动机均质充量压缩燃烧技术,1.4 发动机均质充量压缩燃烧技术,1.4.1传统燃烧概念局限性汽油机： 传统的汽油机属于预混均质燃烧，由于汽油特性以及爆震等诸多因素的限制，因此，压缩比低，热效率低。与汽油机相比。 柴油机：柴油机具有较高的热效率和优越的燃油经济性，但是，传统柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混和时间很短，燃料与空气混和的严重不均匀，混合气分为高温过浓区和高温火焰区，导致碳烟和N0排放生成。,1.4.2 发动机均质充量压缩燃烧（HCCI）技术,三种发动机燃烧比较,HCCI是英文“Homogeneous Charg
2、e Compression Ignition” 的缩写，中文意思是“均质充量压缩点燃”。它是一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式：在进气过程形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。,HCCI简介,基本原理：通过压缩缸内均匀的燃油和空气的混合气，在上止点(TDC)附近实现自燃。因此在本文将这种燃烧方式统称为HCCI燃烧，即均质压燃。,汽油机,柴油机,HCCI,HCCI的燃烧机理,HCCI燃烧的能量释放过程是受多种化学动力学因素支配的，这些因素进而又受流体静力学和热力学状态历程的影响。普遍认为，燃烧的引发受化学动力学的控制，因为缸内的混合气受到压缩，温度和压力上升。温度和
3、压力的时间历程、压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性和残余废气量，连同O2的浓度、不同的燃油含量和燃烧产物，共同支配着燃烧开始的方式。因此，HCCI燃烧具有非常小的循环偏差，而且不存在火焰传播过程。,HCCI特征,1 采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气进行预混合的。,2 采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 3为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 4采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而
4、自燃；也就是说，不需要任何点火系统。,5 由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 6 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。,7 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。,7 HCCI发动机
5、采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。,三种燃烧方式的发动机比较,HCCI特点,1、超低的氮氧化物和碳烟排放 2、燃烧热效率高 （1）减小了节流损失 （2）提高了压缩比 （3）缩短了燃烧持续期 3、HCCI燃烧过程主要受燃烧化学动力学控制 4、HCCI发动机运行范围较窄 5、HCCI发动机HC、CO排放较高,规范化放热曲线,NOx排放曲线比较图,1.4.
6、3 柴油机HCCI燃烧的影响因素,（一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式,1缸外预混HCCI 即在进气冲程把柴油喷入进气管，与空气混合形成预混合气。采用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提高混合气均匀度的一个相对简单的方法。但要求较高的进气温度来促进柴油的蒸发，需要安装加热装置和进气道燃油喷射系统，并且不利于柴油机冷启动。早期的研究中多采用这种方法制备混合气，最早进行研究的美国西南研究院曾采用这种方式引入混合气，燃料在进气道喷出后与空气混合形成均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸内压缩、着火。柴油由于挥发性较差以及壁面撞击，采用此法将导致较高的HC和CO排放以及燃油消
7、耗量的增加。,1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素,（一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式,2缸内早喷HCCI 该方式是目前普遍采用的柴油HCCI预混合气形成方式。即在压缩冲程的早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐步与空气混合，直至发生自燃着火。由于柴油密度大，而压缩冲程早期缸内空气密度较小，高密度的柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大，因而燃油撞壁现象严重，这会降低燃油的雾化与混合程度，进而导致排放增加、油耗上升等问题。 为了改善燃料的雾化与混合，柴油机HCCI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。另外，改进喷油器设计、改变燃烧室形状、适当组织缸内气流等方法均能
8、在一定程度上改善柴油的雾化与混合。缸内柴油早喷成功应用于产品的典型代表是日本丰田公司的UNIBUS燃烧系统。,1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素,（一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式,3缸内晚喷HCCI 在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气缸，同时采用大量预冷的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现点火延迟，使柴油着火恰好发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷射和缸内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。柴油机缸内晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK系统。MK系统通过推迟喷油，大EGR率（使氧浓度降到1516）延长滞燃期
9、，使喷油完全在滞燃期内完成。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了12，并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降低90以上，烟度低于1个Bosch单位。,1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素,（一）影响柴油机HCCI燃烧的3种混合气的形成方式,3缸内晚喷HCCI 在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气缸，同时采用大量预冷的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现点火延迟，使柴油着火恰好发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷射和缸内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。柴油机缸内晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK系
10、统。MK系统通过推迟喷油，大EGR率（使氧浓度降到1516）延长滞燃期，使喷油完全在滞燃期内完成。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了12，并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降低90以上，烟度低于1个Bosch单位。,1.4.3 柴油机HCCI燃烧的影响因素,（二）进气温度的影响,HCCI燃烧的着火时刻对进气温度十分敏感，随着进气温度的提高，将出现着火提前的现象，因此，控制缸内温度将是控制HCCI燃烧着火时刻的一个关键因素。一般通过调节进气温度控制HCCI燃烧以及着火始点。 在进气管加装进气加热装置、引入废气再循环（EGR）可以提高进气温度。,（三）负荷的影响
11、1低负荷工况 HCCI柴油机运行在低负荷工况时，循环供油量小，混合气浓度稀，而反应物浓度是影响燃烧反应的一个重要因素，加之此时缸内温度较低，使HCCI燃烧的着火时刻显著推迟，甚至出现失火现象。在出现失火循环后，后继循环爆发压力往往突然升高，这是由于失火循环残余的部分燃油在缸内，导致下一循环油量增加，引起爆发压力突升 2高负荷工况 HCCI柴油机运行在高负荷时，循环供油量大，此时缸内温度高，混合气浓度大，使燃烧反应的速度加快，从而容易引起着火过于提前的现象。过快的燃烧速度将造成压力升高率迅速增大，并出现燃烧压力振荡现象。燃烧粗暴时，相关的噪声、振动和冲击负荷增大，容易造成发动机零部件损坏，同时N
12、Ox的排放也急剧升高，限制了HCCI燃烧的负荷扩展。,1.4.4 HCCI面临的问题与难点,1、适用工况范围窄：燃烧受到失火(混合气过稀)和爆燃(混合气过浓)的限制，发动机运行范围比较窄。,2、燃烧进程难以控制：HCCI是预混合压燃，不能像汽油机一样由点火时刻控制燃烧始点，也不能像柴油机一样由喷油时间控制燃烧始点，它没有直接控制燃烧始点的措施，混合气的自燃受混合物特性、温度时间历程等的影响。,3、均匀混合气的制备比较困难：均匀混合气的制备和避免燃料与壁面相互作用对实现高燃烧效率、减少HC和PM排放及润滑油稀释很重要。,4、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,
13、 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。,5、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。,1.4.3 HCCI面临的问题与难点,6、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,
14、再循环废气有加热作用、 稀释作用、分层作用和化学性作用。,7、 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。,8、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
15、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。,1.4.5 HCCI发动机需要突破的关键技术,1、由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须降低混合气的空燃比，这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。 2、着火定时的控制与传统火花点火汽油机和柴油机不同，HCCI燃烧过程中着火定时不受火花点火或喷油的直接控制，而是由空气和燃料所组成的混合气的自动点火的化学反应决定。在大范围的转速和负荷内
16、，尤其是在快速的瞬态工况下，HCCI发动机着火定时的控制成为HCCI发动机面临的主要挑战。目前控制着火定时的主要措施有:直接调节进气温度、改变EGR率调节缸内混合气的温度和成分、可变压缩比(VCR)控制混合气在TDC时的温度、可变气门定时(VVT)改变缸内的残余废气量和有效压缩比，燃油喷射定时(在直喷式系统中)以及使用燃油添加剂来改变混合气的活性等。其中可变压缩比和可变气门定时最有发展潜力，但是在成本和可行性方面还需要进一步的研究。,3.运行范围的拓展HCCI发动机在中低负荷可以很好地运行。但是在高负荷时，混合气加浓，燃烧速度过快，压力升高率过大，燃烧非常剧烈，发生爆震现象，同时由于燃烧温度升
17、高NOX排放过高;在过低负荷时，燃烧效率过低，并且着火困难。因此HCCI燃烧被限定在一个有限的运行范围内。HCCI运行范围除了需要向高负荷范围拓展外，还需向低负荷范围拓宽，提高低负荷时HCCI燃烧的稳定性、燃油经济性和排放性能，其中包括低怠速和冷启动工况。目前，双模式运行策略，即在中低负荷使用HCCI燃烧模式，而在大负荷或过低负荷时转入传统火花点火燃烧或柴油机燃烧模式，成为了HCCI发动机的一大研究热点。这种双模式运行策略充分利用HCCI的优点，但是燃烧模式之间的切换又增加了系统的复杂性。,4.碳氢(HC)和一氧化碳(CO)的控制HCCI发动机中的HC和CO排放通常较高。特别是中低负荷时，由于HCCI燃烧温度过低，靠近缸壁处的燃油无法燃烧，同时由于温度过低缸内的CO无法被完全氧化，故HC和CO排放大幅度增加。同时由于缸内的混合气均匀，在压缩冲程时缝隙中进入了一部分燃油混合气，这部分混合气在膨胀冲程重新返回气缸内，增加了HC排放。可以通过壁面绝热、壁面催化涂层和减小活塞头部与气缸的间隙来降低壁面淬熄。通过增压和增加进气温度同样可以降低HC排放。另外，由于HCCI的排气温度较低，导致后处理催化转换效率过低，因此出现了开发低温氧化型稀燃催化剂的需求。,
