柴油机HCCI燃烧特点及影响因素

作者：向红 梁政文

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, ... 内容提要：本文简要介绍了发动机均质充量压缩着火（HCCI）燃烧的概念和特点，并进一步着重分析了柴油机HCCI燃烧的特点，以及影响柴油机HCCI燃烧的一些重要因素，如混合气形成方式、进气温度、负荷、废气再循环（EGR）、气门正时及压缩比等因素。 关键词：柴油机，均质压燃，影响因素 发动机均质充量压缩着火HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃烧是一种全新的燃烧方式。它能有效降低传统内燃机的燃油消耗和排放问题，特别是能同时降低柴油机NOx和颗粒物（PM）的排放，并进一步增加热效率，因而被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。 随着排放法规的日益严格和发动机技术的进步，HCCI燃烧技术在节约能源和降低排放方面的潜力引起了世界各国的高度重视。美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都在大力开展这一领域的研究工作，并成为目前发动机领域的一个研发热点。 一、HCCI燃烧方式概述 HCCI是均匀的可燃混合气在气缸内被压缩直至自行着火燃烧的方式。随着压缩过程的进行，气缸内的温度和压力不断升高，已混合均匀或基本混合均匀的可燃混合气多点同时达到自燃条件，使燃烧在多点同时发生，而且没有明显的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，因而，只生成极少的NOx和微粒（PM），在低负荷时具有很高的热效率。HCCI发动机主要具有以下几个特点。 1．超低的NOx和PM排放。HCCI发动机在部分工况下的NOx排放相对柴油直喷机（DI）可降低95％～98％。 2．燃烧热效率高。HCCI发动机的热效率甚至超过了直喷式柴油机。 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 HCCI发动机燃烧受到失火（混合气过稀）和爆燃（混合气过浓）的限制，使发动机运行范围变窄。对于高十六烷值燃料，由于HCCI发动机燃烧非常迅速，在高负荷工况下（混合气浓度大）易发生爆震；对于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下容易失火。 5．HCCI发动机HC、CO排放偏高。这主要是由于HCCI燃烧通常采用较稀的混合气和较强的EGR，因缸内温度较低造成的。 二、柴油机HCCI燃烧的特点 实现柴油机HCCI燃烧要面临两方面的困难：一是柴油粘度大，挥发性差，难以形成均质混合气；二是柴油作为高十六烷值燃料，容易发生低温自燃反应，均质混合气的燃烧速度控制困难，易造成粗暴燃烧。 柴油HCCI燃烧是在多点同时发生，没有明显的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低且分布较均匀，只生成极少的NOx和PM，在低负荷时具有很高的热效率。而传统柴油机采用高压喷射形成非均匀的混合气扩散燃烧，混合气和温度分布都极不均匀，在扩散火焰外壳的高温区产生NOx，内部高温缺氧产生PM。 柴油HCCI的燃烧放热表现出特别的两个阶段。第一阶段（放热曲线上较小的峰值）与低温化学动力学有关（冷焰或蓝焰）；第二阶段（放热曲线上较大的峰值）是主燃烧期；第一阶段是第二阶段的焰前反应，焰前反应放出的热量加热了余下的充量，同时余下的充量继续被压缩，经历短时间的延迟后，余下的充量达到着火条件，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燃烧速度较快，燃烧始点和放热率对压缩过程中充量的温度、压力等很敏感，控制起来很困难。如果HCCI燃烧控制得较好，则可在拓宽的大空燃比范围内进行高效稳定的燃烧，循环波动压力小，工作柔和。 HCCI燃烧的着火时刻主要受化学反应动力学的影响，受负荷、转速的影响小，不能通过常规的负荷、转速等反馈信号来加以控制。一般采用较大的空燃比或较高的EGR率来减缓燃烧速度，以防爆震的发生，但同时使得发动机缸内的平均指示压力难以达到较高的水平，这就使HCCI发动机容易受到失火、爆震、功率等限制，可操作范围不宽。目前的技术还无法实现柴油机全工况的HCCI燃烧过程，从实用化角度出发，必然要双模式运行方案，即中低负荷，采用HCCI燃烧过程；在高负荷，仍采用传统的燃烧方式，能够获得最佳的发动机经济性能。 三、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 均质混合气的形成是实现对HCCI燃烧控制的第一步。国际上采用的柴油均质预混合气方式包括：进气道缸外预混、缸内早喷射和晚喷。 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排放以及燃油消耗量的增加。 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。与缸外预混柴油HCCI相比，早喷柴油HCCI具有以下2个优点。 压缩冲程气缸内的温度和压力高于进气门开启时进气管内的温度和压力，有助于柴油的雾化和混合。压缩冲程早期喷油，降低了对进气温度的要求，减少了混合气爆燃的倾向。 采用压缩冲程早期喷油方案，可以只需要一套供油系统满足HCCI和传统直喷柴油两种方式。 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15％～16％）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。 （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，Najt和Foster及后来的Thring对四冲程柴油机做的HCCI研究就是通过废气再循环后的电加热装置实现对混合气加热的。试验研究了空气流速和进气温度对发动机的影响，随着进气温度或空气流速的增加，燃烧效率增加，HC和CO排放降低；在低温、低流速区，各缸压力相对变化较小，在某一特定的温度条件下，各缸的着火时刻相差很大，温度很低时，甚至出现一缸着火而另一缸熄火现象；考虑到怠速工况的HC和CO排放，可以采用低流速和高进气温度的措施来提高燃烧效率；对于大负荷工况，平均有效压力随进气温度降低而增加，而为了提高效率增大功率输出，必须对各缸进行反馈控制以优化各缸燃烧相位；在进气歧管喷水可降低混合气的温度，从而降低压缩冲程缸内的温度，推迟着火时刻，并且能够降低燃烧速度和峰值压力，增大HCCI在大负荷时的运转工况范围；进气加热装置所需的电压较高，并且装置本身体积很大，只适合于在试验室进行基础研究；喷水会导致HC和CO排放的增加，对NOx的控制作用却很小，阻碍了这种方法的应用。 （三）负荷的影响 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NOx的排放也急剧升高，限制了HCCI燃烧的负荷扩展。 （四）EGR的影响 废气再循环（EGR）能提高进气温度，改变混合气的着火特性，从而影响着火时刻。引入废气再循环的目的还在于它稀释了混合气的浓度，能有效减缓燃烧速度，降低燃烧噪声，为大负荷区HCCI燃烧控制提供了一种有效手段。同时，废气再循环能够回收一部分废气的能量。当EGR率小于30％时，氧浓度的下降并不足以影响燃烧，此时废气再循环对控制着火始点的作用很小。Christensen等的研究结果表明，废气再循环推迟了着火时刻，提高了指示效率，降低了未燃HC的排放量，同时，排气温度增加，可以利用氧化催化装置来氧化未燃HC。与汽油机HCCI燃烧相比，柴油机HCCI燃烧更容易实现，在传统柴油机上，因其压缩比较高，将空燃比和EGR率控制在一定的范围内，接近室温即可成功实现柴油机的HCCI燃烧。柴油机HCCI运转工况范围受敲缸、失火及较低的平均有效压力值的限制，但比汽油机HCCI燃烧达到敲缸时的空燃比大。低温反应的自燃时刻受EGR率的控制，而主放热阶段的开始时刻则受空燃比影响较大。 （五）气门正时的影响 改变配气正时可以改变缸内残余废气量和缸内温度，增大气门负重叠期（提前关闭排气阀，延迟开启进气阀），使缸内残余废气量增大，残余废气再压缩的温度增加。残余废气的高温有利于燃料的蒸发，形成均质混合气，同时较高的缸内温度又会使HCCI燃烧的着火时刻提前，从而容易造成大功率状态下工作粗暴，并引起最大输出功率下降。 从实验结果可以看出，内部EGR（可变气门正时）的温度效应大于其对混合气的稀释，对于柴油机这种容易发生低温自燃的燃料，负气门重叠期增大易造成大负荷着火过于提前，限制了最大输出功率。 在小负荷工况范围内，较大的负气门重叠期有利于HCCI燃烧的稳定性；在大负荷工况范围内，较大的负气门重叠期不利于HCCI燃烧的稳定性。 （六）压缩比的影响 压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素，改变压缩比可以改变混合气的密度和压力，从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位。在利用可变压缩比控制HCCI方面，Lund技术学院试验结果表明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩比增加则热效率增加，而燃烧效率减小，导致热效率增加量的减少，研究还发现，高压缩比可替代进气预热。当压缩比高达17∶1时，绝对有效效率上升，NOx排放下降，但是因为反应时间缩短，CO排放增加。该试验HCCI的可实现转速范围分别为1000～5000r/min，负荷范围处于怠速和0.44MPa平均有效压力之间。随着压缩比提高，稳定HCCI燃烧所需的热EGR率降低，因此用冷EGR配合高压缩比可以控制燃烧速度，从而扩大HCCI运转工况范围。 四、结束语 柴油机HCCI燃烧具有超低的NOx和PM排放，具有很高的能量转换率，这对传统柴油机来说，不但保留了原有的节能优势，还大大降低了排放，使其性能更加完美，这无疑具有很大的发展前景。不过，柴油机HCCI燃烧的HC和CO排放偏高，有待进一步降低。另外，影响柴油HCCI燃烧的因素多，使得难以控制，必然要采用双模式运行方案。即中、低负荷时，采用HCCI燃烧方式；高负荷时，使用传统模式。随着发动机技术的进步，柴油机HCCI燃烧的控制将更加完善，真正达到实用化的目的。(end)

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