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HCCI发动机离我们还有多远 |
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作者：Paul Weissler 来源：国际汽车设计及制造 |
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均质充气压缩点燃（HCCI）是一种全新的发动机燃烧方式，但是开发出一种采用这种点燃方式且又需要具有高转速和高负荷的汽油发动机一直以来都是一个巨大的挑战。美国通用汽车公司表示他们掌握了如何开发这样一款发动机的能力，并将于明年推出一款测试车辆。为了可以满足HCCI在整个气缸内对气体混合程度、温度以及压力精确控制的要求，通用决定采用燃油直接喷射方式、气缸压力感应、可变（两步）气门升程以及带有双电子凸轮相位器的可变进排气气门正时系统。目前这种快速、精确且成本昂贵的技术仅应用在2007款Lexus LS460进气凸轮轴上。 
HCCI冲程循环过程：（a）空气进入气缸；（b）气体和燃油混合后被压缩；（c）同步燃烧将活塞压下后进行作动冲程；（d）活塞升至最初位置，同时废气从排气门中排出。
HCCI最主要的特点是在整个燃烧室内进行同步压缩点燃，而没有火焰传播，这种燃烧方式的工作原理已经得到许多公司验证是可行的。通用高级动力系统开发总监Uwe Grebe表示，HCCI对燃油经济性的提升是将这种技术商业化的最正当理由。目前的HCCI发动机在启动和高负荷（如加速）运转的时候都采用火花点燃。但是，根据车辆动力系统具体组成情况，HCCI发动机较传统汽油发动机依然可以将燃油效率提高20％，尽管通用不会公布测试车辆发动机的具体配置，但是从图片上还是可以看出该发动机为四缸双顶置凸轮发动机。Uwe Grebe表示，因为HCCI是一种缸内燃烧过程，而不是在停缸时发生在缸与缸之间的过程，因此无论对四缸、六缸或更多缸的发动机来说，需要解决的问题都是一样的。HCCI是一种稀薄燃烧过程，没有节气门的限制。在没有火焰的情况下，HCCI产生低峰值温度，因此只有少量的氮氧化合物。而火花点火分层燃烧过程虽然在燃效方面非常接近HCCI，但是常常导致高峰值温度而产生氮氧化合物。
采用比柴油发动机低很多的压缩比，在没有火焰的情况下确定并维持汽油发动机的压缩燃烧只是实现HCCI汽油发动机商业化挑战的表面因素。HCCI需要混合气配制、温度以及气压控制等各方面的复杂配合。尽管HCCI在涡轮设计中会产生高峰值压力，从65～70巴甚至到110巴不等，但是依然只是一般的柴油发动机产生的160～200巴的一半还不到。在通用HCCI发动机中，设计师采用传感器来监测气缸内的压力，并利用一个复杂的控制系统通过气门组的正时和升程使气缸内气体的压力和温度保持在所需的水平。
在汽油机中，自燃出现在1100℃左右。HCCI发动机燃烧室中的温度主要受废气再循环（温度可升至75％）和可变气门正时的共同调节和控制，以此来改变残余气体的浓度和有效压缩比。
多脉冲燃油喷射系统也是通用HCCI发动机调校解决方案的一部分，但是因为该技术不会出现传统的火焰燃烧，因此目的是不同的。第一股喷射出来的燃油不是为了要立即点燃并产生能量。事实上，燃烧室热转换会改变燃油的化学性能，是复杂的空气燃油混合配制准备的一部分，而这个配制准备对整个气缸内的燃烧是必不可少的。
目前，拓宽HCCI发动机低运载负荷范围还需要大量的工作（在车辆启动过程中仅需要约4~5kW的负载功率）。在从热机怠速到低负荷过程中，传统汽油发动机燃效的提高可以达到50％，但是当发动机切换到传统火花点燃时，燃效的提高便逐渐下降为零。目前，萨博公司正在使用涡轮增压技术来试图扩展HCCI模式，但是Uwe Grebe表示这种办法与之前采用的火花点燃方式相比会带来更大的调校难度。
在这两种情况下，问题的关键都在于切换到火花点燃，而在涡轮系统下即使切换的频率会降低，但是难度可能会更大。在这两种情况下，消费者都希望可以实现平顺无间隙的转换。
以该图中四缸直喷发动机为例，通用新开发的HCCI发动机将采用直接喷射方式、气缸压力感应、可变（两步）气门升程以及带有双电子凸轮相位器的可变进排气气门正时系统
在HCCI运转中，虽然发动机燃烧室内有多处燃烧位置，但是对能量释放率进行控制也是非常必要的。尽管采用特制的燃油会容易得多，但是Uwe Grebe明确指出通用决定必需要单独控制能量释放率，因为发动机一旦进入市场可能会使用各种燃油，如常见的汽油、E-10和E-85乙醇燃料等。
低峰值温度可以从根本上消除氮氧化合物的排放，这是HCCI发动机的一个优势，但是燃烧过程中一些其他因素同时也增加了未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放量。不过，这些气体的排放可以通过三元催化剂来解决，而这已经是一项非常成熟的技术了。
目前，对HCCI发动机推广来说最大的任务就是要让此类发动机悄无声息地加入到车辆上，而消费者唯一能感觉到的变化就是燃油效率的提高。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/26/2007) |
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