全新的内燃机燃烧概念--HCCI

作者：同济大学 钱人一

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 人们长期以来试图突破采用压缩点燃和火花点燃这两种传统燃烧概念的局限性，于是提出了一种全新的内燃机燃烧概念：HCCI。 两种传统燃烧概念局限性分析 压缩点燃式燃烧概念（用于柴油机）与火花点燃式燃烧概念（用于汽油机）相比，最大的特点在于所使用的燃油特性不同。由此造成两者在以下各方面都有差别，如：燃油引燃方法、燃烧方式、混合气空气/燃油比、扭矩调节方式、泵气损失、压缩比、燃烧剧烈程度、燃油经济性、有害物质排放和振动、噪声不同等等。 出于对汽车排放的有害物质的毒害作用、二氧化碳的温室效应和氮氧化物形成酸雨的关注，人们对高效能、低污染的动力源的需求与日俱增。空气/燃油比精确控制、带三效催化转化器的汽油机（火花点燃式发动机）正在成为非常清洁的动力源。但是，由于节气损失、爆震和稀燃极限的缘故，这类发动机在热效率方面有很大的局限性。近年来许多研究者正在努力研究和开发没有节气损失的汽油机，试图大幅度提高汽油机的热效率，并且已经取得了一些可喜的成果，非常可能在这方面出现重大的突破。但是目前推广这些成果至少还涉及成本等一系列问题。另一种常见的动力源是直喷式柴油机（压缩点燃式发动机），这是一种效率很高的发动机，其温室气体CO2和有害气体HC、CO的排放都比汽油机低。但由于它的扩散燃烧和燃烧产生的局部高温这样一些燃烧特点，很难遏制氮氧化物和炭烟（包括微粒物）的生成，并且还存在氮氧化物和微粒物排放控制目标之间相互冲突的问题。为了避免扩散燃烧和降低局部的燃烧温度，必须促进燃油和空气的混合。从这个观点出发，许多研究者研究了预混合的压缩点燃燃烧，即HCCI。 HCCI及其重要意义 HCCI是英文“Homogeneous Charge Compression Ignition”的缩写，中文意思是“均质充量压缩点燃”。单从名称来看，似乎只是一种点燃方式。实际上，这是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体。其特点是： 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． 采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。 3． 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。 4． 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。 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。 将压缩点燃式发动机改装成HCCI的主要目的是减少氮氧化物和微粒物排放。将火花点燃式发动机改装成HCCI的目的是减少部分负荷时的燃油消耗，就是减少泵气损失。 美国环保署最近提出了一个将重型车辆的排放相对于目前水平降低95%的庞大计划，建议排放限值为0.20g/bhp•hr的氮氧化物和0.01g/bhp•hr的微粒物。专家普遍认为，为了达到如此之低的排放水平，必须将低排放的燃烧系统和先进的尾气后处理设备结合起来。但采用尾气后处理设备并不意味着不再需要改善缸内燃烧过程，恰恰相反，为了达到未来的排放标准，燃烧过程的进一步改善是至关重要的。HCCI正可以担当这一任务。 如果是柴油机改装成HCCI发动机，就要将高压喷油设备改换成低压的汽油喷射设备，喷油地点也要从缸内喷射改成进气口喷射（也有缸内直接喷射的HCCI发动机）；如果是汽油机改装成HCCI发动机，就要提高压缩比，并且保持节气门敞开，可以将点火系统拆除。 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。 为了获得HCCI燃烧，要考虑各种不同的参数。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都会影响HCCI的点燃过程。与火花点燃式发动机相比，HCCI发动机压缩冲程结束时的温度必须更高一些，以便使得传统的用于火花点燃式发动机的燃油也能够自燃。 HCCI燃烧起点和燃烧速率的控制 燃烧起点对于发动机的热效率和排放都有十分重要的影响。HCCI发动机中的燃烧过程是一种受化学动力学控制的自燃过程，混合气是预先在气缸外面混合好的。所以，它既不能像压缩点燃式发动机那样通过喷油定时控制燃烧起点，又不能像火花点燃式发动机那样通过点火定时控制燃烧起点。 HCCI的燃烧起点控制，也就是放热起点（SOHR）受各种发动机性能和工况条件，诸如空气/燃油比、进气温度、压缩比、残余废气量和冷却液温度的影响。如果采用EGR的话，还受EGR的影响。最常见报道的影响燃烧起点的参数是：可变的进气温度、进气压力和排气再循环率。所以，SOHR的控制，是使HCCI发动机实用化的难点之一。大量的研究工作都集中在这个问题上。 为了在控制燃烧起点的同时扩展能够实现HCCI燃烧的工况范围和改善瞬态响应特性，已经报道的方法有：可变压缩比、可变气门定时，甚至双重燃油操作。例如，Lund工艺研究所和Saab公司合作，在Saab公司的1.6升5缸SVC可变压缩比发动机上进行的试验表明，在燃烧起点的控制方面，压缩比和进气温度之间存在一种抵冲关系：提高进气温度可以使燃烧提前发生；提高压缩比可以代替进气温度的提高，起到相同的作用。所以，通过调节压缩比，可以在不同的工况点达到同样的燃烧起点。随着压缩比提高到17:1，还可以使热效率提高，NOx排放下降。但提高压缩比的缺点是，由于膨胀加快，反应时间缩短，CO排放会增加。改变气门定时，特别是改变排气门定时，可以改变残余废气量和气缸温度，进而调节燃烧起点。所谓双重燃油操作，就是通过改变所用的两种燃油的比例来调节燃烧起点：例如调节易于自燃的正庚烷和抗自燃的异辛烷的比例，也就是调节辛烷值。又如采用天然气作为主要燃料，同时利用氢加浓天然气以控制燃烧定时。总之，发动机管理系统明显地朝着更加柔性的方向发展。 空气/燃油比和EGR量对化学反应来说都是非常重要的参数，因而对燃烧速率也有着非常重要的影响。对于燃烧室几何形状和紊流度是否对HCCI燃烧过程有影响的问题，几乎还没有实验数据。然而，涉及HCCI燃烧的缸内流动和紊流度的仿真工作已经有人做过了。在发生燃烧的曲轴转角窗内，较高的紊流度给出较低的燃烧速率。活塞顶部燃烧室的几何形状对燃烧速率和指示效率有明显的影响。很清楚，放热率间接地受到紊流度、温度分布的改变和气缸内边界层厚度的影响。 HCCI的优缺点 从热效率的观点来看，HCCI燃烧看上去具备非常优越的特点。一个特点是低的热损耗。由于它的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，且无烟的燃烧能够减少辐射热的传递。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。利用这些特点，有可能使得它的循环十分接近奥托循环。已经可以实现高达50%的指示热效率，废气中未经处理时只有几个ppm的NOx排放。 但是，短的燃烧周期和迅速的放热，有时候会使得类似“爆震”的燃烧噪声增加。此外，HCCI燃烧需要高稀释度的空气/燃油混合气以限制燃烧强度，这会使得功率密度变差；而且高稀释度的混合气带来了低的排气温度，使得发动机难以采用涡轮增压。这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。 汽油直喷式HCCI 缸内直接燃油喷射相对于进气口燃油喷射具有一系列优点。首先，可以避免进气管的壁湿现象，这有利于改善对瞬态工况的处理和循环对循环的信息反馈。其次，可以实现缸内充量的分层，在发动机从高负荷向低负荷过渡的过程中为实现稳定而有效的燃烧提供有力的手段。此外，燃油保持在燃烧室的中间部位，可以减少落在从第一道活塞环槽到活塞顶部之间区域和热边界层内的燃油，这对减少未燃碳氢化合物和CO排放十分有利。有人利用一个轿车的汽油直喷喷油器成功地在一台重型柴油机上实现了汽油直接喷射的HCCI燃烧。 直接往气缸内喷射汽油比较容易生成均质的混合气，原因之一是汽油的高挥发性。研究者也曾经试图用柴油直接喷入气缸以生成预混的稀薄混合气进行HCCI燃烧，但是，试验进行了一段时间以后就发现相当困难，因为柴油的沸点太高，柴油和空气的混合过程非常难管理。从HCCI发动机混合气生成的角度来看，汽油远比柴油优越。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)