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均质混合气压燃HCCI:寻求更高的燃烧效率
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汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ...
均质混合气压燃(HCCI)发动机融合了柴油及火花点火发动机的一些燃烧策略,目的是要在获得柴油机高燃油效率的同时,还不会产生氮氧化合物及黑烟排放物。

在柴油发动机中,当活塞在压缩冲程中处于缸顶时,燃油喷射出,燃烧开始,并受到燃油进入燃烧室速度的控制。相比较来说,在采用HCCI模式的汽油发动机中,燃油在压缩冲程开始前已经被喷射出并与空气混合。这种稀释的预混合油气充气在活塞压缩下会自动点火并燃烧。

燃烧充气要么通过空气含量较高的稀混合气进行稀释,要么将油气与回收排气(EGR)进行混合稀释。HCCI通过压缩在多点位置同时点燃,因此与柴油机相比没有明显的火焰前锋,更像是“爆炸”一般。要让发动机能够承受住如此大的压力,到目前为止都逃不出这样的结果——HCCI发动机要比传统汽油发动机重。

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桑迪亚实验室研究人员John Dec正在查看一款用于光学发动机(用于HCCI研究)上的特制活塞。
(图片由Randy Wong提供)

HCCI开发的漫长旅程

虽然HCCI发动机(有时称为可控自燃,CAI)在提高燃效性及降低排放方面有着巨大的潜力,而且近乎所有的汽车及发动机制造商都已经制造出HCCI原型并进行了大量的测试,但是将这项技术投入量产车辆中的道路走得既漫长又艰难。还有许多难题发动机研究人员依然没有克服,比如点燃时机的控制,如何避免未燃烧的碳氢化合物及一氧化碳排放物的产生,向高低负荷应用领域的拓展难度,以及通过快速负荷瞬态对燃烧稳定性的控制。

即使如此,所有的迹象(包括研究人员发表的一些非正式观点)都表明真正可用的HCCI系统或许可以在6年内走进经销商的展厅。在AEI最近针对这项技术的采访邀请中,几乎所有的OEM厂商都对此表现出消极的态度,这也从侧面说明了问题。从另外一方面看,这也可能意味着更多的人认为可推向市场的HCCI技术依然需要十年甚至更长的时间才能出现。比如福特公司一位发言人就表示,福特在短期内并没有HCCI发动机的研发计划,虽然大家都知道这家汽车制造商会继续开展对该技术的研究。

通用公司也拒绝对其在HCCI方面的研究工作拒绝发表任何观点,虽然在最近几年他们已经在HCCI运行范围拓展方面取得了实质性的进展。比如在2009年,通用展示了土星Aura和雪佛兰Malibu展示车发动机原型,证实了HCCI发动机可以在低转速范围内进行稳定的怠速运转。不过,该系统依然在高负荷运转下采用火花点火的方式。通用工程师采用了一种先进的多点喷射和多次点火(MIMI)策略,同时在再压缩过程中采用缸内燃油重整方式,起到桥梁的作用,使其达到HCCI工作负荷范围的要求。

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ACCESS项目研究人员利用AVL测试单元进行HCCI燃烧流程开发和参数化设置

ACCESS与多模态发动机

短期内,HCCI在一些汽油发动机样机中的应用基本采用多模态燃烧方式,从低到中等负荷时采用HCCI燃烧方式,在高负荷时采用火花点火燃烧方式。HCCI在高负荷下依然有很多局限性,比如燃烧声音大,燃烧不稳定等。

不过,让这两种模式实现无缝结合还是比较棘手的。这种联合工作模式通常需要在火花点火模式下采用10:1~14:1的中等大小压缩比,同时为了实现HCCI运转还需要复杂的可变阀门正时系统。

所以说目前这项先进发动机技术的发展现状依然不明确。但是从发动机制造商、国家实验室及大学机构在美国能源署赞助下针对竞争前HCCI概念和技术联手进行的研发项目中,我们可以寻觅出这种技术发展的蛛丝马迹。

由博世公司牵头成立的“高级燃烧概念——促进系统及解决方案的开发(ACCESS)”联盟就是这些成本共享型研发项目的代表。该联盟为期四年,投入2400万美元,开发人员分别来自AVL、Emitec、密歇根大学(研发团队由HCCI资深专家Dennis Assanis带领)以及斯坦福大学。

博世公司汽油系统全球技术管理部Hakan Yilmaz介绍道,ACCESS联盟下的三十五名研究人员到2015年要开发出一台高压缩比、涡轮增压直喷(DI)四缸发动机,相对3.6-L电控多点喷射V6发动机燃油经济性可以提高30%,在不牺牲性能的条件下还要达到未来排放的要求。

一款基于通用Ecotec 2.0-L直喷涡轮增压平台的新一代高压缩比汽油发动机将用于多模式SI/HCCI燃烧项目的研究中。

“我们已经根据设计做了一台全配置的发动机样机,并且已经在测功器上成功运行了三、四个月,”Yilmaz表示。“我们很快就会在密歇根大学开始运转第二台同样的发动机。”

通用公司提供的HCCI(右)及传统火花点火燃烧的图示说明。

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通用公司提供的HCCI(右)及传统火花点火燃烧的图示说明

通过增压技术实现稀燃

Yilmaz表示,实现稀燃主要有两种方式。分层直喷是一种成熟的技术,但是需要配备昂贵的排放后处理系统。还有一种方式便是HCCI,虽然这项技术几十年前便为大家所熟知,但是目前依然存在系统及控制方面的问题,仅可以在部分负荷及中等速度范围内运转。

“我们的目标就是拓宽HCCI的工作范围,使其可以覆盖常见的驾驶工况,这样在采用多模式工作方式下尽可能地采用HCCI燃烧方式,直到需要高负荷的时候再切换到火花点火方式,”他解释道。

为了实现这点,ACCESS联盟小组正在研究涡轮增压及机械增压技术的应用。在这种两级推进系统中,普通的涡轮增压器可以用来补偿发动机小型化带来的排量损失,小型的机械增压器可以提供对HCCI模式的辅助性控制。

Yilmaz解释道,要实现稀燃,“需要稍微增加新鲜空气进气,但是这样就会有氮氧化合物聚集的问题。不过,如果增加足够的空气进气,新鲜空气冷却就会使燃烧温度下降,这样就不会产生大量的氮氧化合物。这就是我们想达到的一个工作范围。”

该项目还将研究在火花点火模式的高负荷下采用EGR通过稀释的方式来降低氮氧化合物产生的可行性,包括高低EGR、组合EGR及被动EGR等方式,此外还将研究在HCCI模式下采用外部EGR系统是否可以带来一定的好处。

ACCESS项目将会采用多台发动机在不同实验室同时进行运转,每个地方都会有博世的工程师在场。据Yilmaz介绍,博世人员将负责主要工作,包括发动机的制造、标定和运转,而斯坦福大学的研究人员将采用一个单缸实验发动机来研究HCCI的热动力性能。

AVL工程师同时会负责发动机设计和燃烧参数化设置工作。这种工作分配方式可以让密歇根大学工程系研究生开拓思路,提出新的想法。“目前这项工程已经取得了富有成效的进展,”他说道。“我们每年都可以收到许多创新的想法。”

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密歇根大学的实验室。博世及该大学的研究人员在此针对HCCI模拟及控制展开合作

HCCI的必要条件

当博世工程师十年前对HCCI展开研究时,在当时的发动机技术状况下(喷嘴燃油喷射,凸轮相位技术也不存在),他们发现这项技术似乎很难实现。在之后的发展中,可变阀门正时技术、气门升程技术、汽油直喷及涡轮增压技术等相继推向市场,这些技术的应用为HCCI运行提供了必要的支持。

未来HCCI汽油发动机需要燃烧压力传感器。Yilmaz指出,这些传感器在柴油机上已经实现了量产,而且也应用在了一些火花点火应用中,而以合理的价格应用在汽油发动机上还需要五到十年的时间。同样,当前的凸轮相位器的管理和控制也需要得到提高。而提高燃油效率的关键技术还包括有效的基于主动冷却而不是机械冷却的热管理技术,以及启停技术。

根据ACCESS目前的认识,对于以量产为目标的演示车辆来说,他们倾向于采用单个发动机和单个控制器为研究对象。“我们要确保我们的解决方案与当前小排量的直喷涡轮增压发动机技术相匹配,”Yilmaz说道。

桑迪亚国家实验室的基础研究

桑迪亚国家实验室位于加州Livermore市的燃烧研究设施是HCCI实验的另一个研究中心。那里的研究小组针对基础技术展开研究,希望可以帮助发动机工程师更好地实现对HCCI燃烧的控制并拓宽其工作范围。

“HCCI一个最大的挑战就是如何有效过渡到更高的负载范围内,”资深研究人员John Dec表示。“目前的样机在高负荷下必须切换到火花点火,也就是说压缩比需要很低才能正常地切换,这样就会影响效率的提升。这样也是可以的,但是还有提升的空间。”

桑迪亚国家实验室最近的研究发现,进气增压如果控制得好的话,可以与汽油机HCCI很好地配合。“与自然吸气相比,通过进气增压的方式,发动机负荷可以得到极大的提升,”Dec说道。不过,如果HCCI可以拓宽到更高的负荷范围,HCCI技术与量产之间的距离就更近了。

“因为在HCCI模式下,需要提高发动机供油量,负荷就会增加,这样会加速燃烧,进而大大提高压力,导致发动机出现爆震现象,”他解释道。虽然燃烧时间可以延迟进行补偿,但是最终燃烧也会变得不稳定,超出爆震/稳定的负荷界限。

“我们需要知道如何在各种指标间做出平衡,这样才能在各个进气压力下尽可能地提升负荷,同时保证发动机的工作效率,”Dec说道。“要做到这一点, 我们需要降低在高负荷下进气压力提升的速度。”

“在目前的HCCI发动机中,油气充气是一种均质混合物,”他继续说道。“但是如果可以采用恰当的分层充气方式,燃烧速度就可以在可控制下得到降低。”桑迪亚国家实验室的研究人员正在研究实现有效充气分层的两种方式——混合气及热分层。

还有一种称作部分燃料分层(PFS)的方式,首先将燃料的80-90%进行预混合,然后通过GDI(汽油直接喷射)在压缩冲程的后半部分将剩余燃料喷射出,在气缸中使油气混合气形成均匀的分布。

“不过问题在于,实际情况并没有这么简单,”Dec指出。对采用汽油燃料的自然吸气系统来说,PFS在降低燃烧速度方面效果并不明显,因为在整个混合气分布过程中自动点火基本是同时发生的。不过在进气增压的情况下,PFS因为压力的增加导致自然点火化学性质的变化使其有效性得到了大大的提高。

总而言之,他相信PFS在打破HCCI高负荷局限性方面具有较大的潜力。

通过热分层进行燃烧速度控制

桑迪亚研究人员也在研究通过热分层来降低燃烧速度的可行性。热分层是由于气缸壁上出现的热传播导致对流而形成的一种自然现象。“燃烧时机延迟之所以有效是因为这种方式放大了热分层的效应,”Dec指出。

研究人员通过激光成像技术来研究热分层形成的方式,然后开发出利用和改进这种现象的方法。计算机模拟显示,略微提升热分层效应,在给定进气压力下的高负荷限制都可以有较大的拓展。

增压式HCCI还有一个好处就是在维持稳定性的同时还可以利用更多的燃烧时机延迟。在Dec实验室中一台发动机上,通过这种方式可以让燃烧延迟至活塞偏离上止点19o,使HCCI可以在较高负荷下工作。“最高指示压力可达18.1巴,接近柴油发动机的负荷,”Dec说道。

此外,除了降低燃烧速度从而达到提高负荷的目的外,还可以通过分层的方式来提高发动机的效率。之所以可以这样,是因为在低于高负荷界限的任何燃油喷射速度下,分层可以避免爆震的出现,同时不用太多燃烧时刻延迟。Dec解释道,通过PFS,在目前已经研究的各项条件下,燃油消耗可以降低2-2.5%。

以上这些先进方法及其他未提及的方法,包括将热的残余物留在气缸内并进行分解的各种排气阀门关闭延时策略,都是HCCI研究人员关注的与燃烧有关的“技巧”,最终可以帮助他们实现目标——在消除氮氧化合物及污染颗粒并避免因低温燃烧导致的碳氢化合物及一氧化碳排放物形成的同时可以将HCCI工作模式拓宽到更高的负荷范围。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/24/2012)
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