汽油机均质压燃HCCI燃烧系统综述

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1、汽油机新型燃烧系统(二) 均质压燃汽油机(HCCI) Homogeneous Charge Compression Ignition 一、引言 问题的引出：点燃式汽油机经过了化油器、进气管汽 油喷射、缸内直喷和分层稀薄燃烧技术的发展，其热 效率仍低于柴油机，其指示热效率更低于柴油机。点 燃式汽油机指示热效率不高主要是由于其燃烧方式所 造成的。从燃烧机理来说，传统的汽油机是均质混合 的火花点火。为了使混合气能够被点燃，火焰能够传 播，混合气的空燃比必须限制在一定范围，同时，为 了避免火焰前锋面前面的未燃混合气突然发生大面积 自燃，产生爆震，汽油机的压缩比受到限制，这两个 限制都影响了热效率。 均

2、质压燃能使汽油机的指示热效率达到甚至超过柴油 机的水平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受 到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的压缩比也 不再受到爆震的限制。与此同时,由于可以在稀薄混 合气中进行燃烧，NOX的生成受到抑制，减轻了排气 后处理的困难。 1983年第一篇关于四冲程均质压燃汽油机的研究论 文发表以来，直至上世纪末均质压燃汽油机才受到各 国重视，但还未在产品汽油机上应用。原因有二：均 质压燃汽油机必须在各种变动工况和不同的环境条件 下可靠工作；在整个运行工况的平均热效率必须足够 高。 二、均质压燃燃烧的特点 从表面上看，均质压燃汽油机是点燃式汽油机和压燃 式柴油机的结合：采用预混

3、的均匀混合气；混合气自 燃。实际上，均质压燃汽油机的燃烧过程与点燃式汽 油机和压燃式柴油机的燃烧过程都不同：点燃式汽油 机和压燃式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程，点燃式 汽油机主要利用热扩散来实现火焰传播（热扩散促使 化学链锁反应结果火焰传播，而火焰传播速率远远高 于混合气形成速率）；压燃式柴油机主要依靠燃油蒸 汽和氧气的扩散现象促进混合气形成，燃烧速率决定 于混合气形成速率；理想的均质压燃汽油机燃烧过程 是一种非扩散的，在整个燃烧室内同时发生的均匀燃 烧过程。 由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀,实际上均质压 燃的燃烧过程不可能真正同时发生.对均质压燃汽油机燃烧过程 的高速摄影研究发现

4、,燃烧开始时首先在缸内出现一些孤立的亮 点,然后才在整个燃烧室观察到均匀的发光燃烧现象.那些孤立 的亮点是由于该处的混合气在压缩过程中首先达到自燃温度开 始燃烧所造成的.对随后在其它区域所发生的燃烧现象则有不同 的解释:一种解释是由火焰传播所造成,那些孤立的亮点起到多 火源点火的作用,因为燃烧前混合气的温度已经非常接近自燃温 度,并且已经开始低温化学反应,少量的加热就会引起快速的高 温化学反应释放大量热能,因此火焰传播速率非常快.另一种解 释是压力波造成的,少量混合气首先发生自燃,燃烧放热造成压 力升高,以声速向四周传播.由于混合气的温度已经非常接近自 燃温度并且已经开始低温化学反应,很小的压

5、力升高所造成的温 度升高就可以触发周围混合气发生快速的化学反应,释放大量热 能.最后一种解释最简单:由于混合气的温度大致均匀,即使不存 在温度和压力的传播现象,也会因活塞上行受到进一步压缩而自 燃.三种因素都存在. 汽油机均质压燃和汽油机爆震过程自燃的根本区别在 于单位质量未燃混合气所含有的化学能量不同,对燃烧 过程的影响也不同.点燃式汽油机的混合气接近当量空 燃比,其过量空气系数受到火焰传播的限制,不能大于 15.在爆震时由于单位质量混合气释放出大量的化学 能会造成高温燃气强烈的压力波动,除了产生噪声和振 动外还会使气壁之间的传热增加,使汽油机过热,造成 拉缸等损害.而均质压燃汽油机的混合气

6、需要用过量空 气或大量的残余废气进行稀释.如果残余废气系数不显 著增加,均质压燃汽油机混合气的估量空气系数必须大 于2.0才能控制NOX生成和燃烧的粗暴性.因此,在均质 压燃燃烧过程中单位质量混合气所具有的化学能较少, 燃气温度较低,即使缸内燃气压力发生波动,也不会造 成过热和拉缸损害. 均质压燃与点燃式汽油机爆震时气缸压力波动的比较: 缸内的压力波动是燃烧噪声的根源.不同频率的缸内压力波 动对汽油机机体的振动和机外空气中被激发的声波的影响不 同.一般情况下,汽油机机体对8000HZ以下的缸内压力波动衰 减较大.实验表明,均质压燃汽油机的缸内压力波动主要是在 5000HZ左右的一阶波动,在10

7、000HZ左右的二阶波动的能量 较小.与此不同,点燃式汽油机爆震时的压力波动在10000HZ 左右的二阶波动的能量较大,因此对机外噪声强度的影响也 较大.因此,均质压燃所产生的缸内压力波动对噪声的影响没 有点燃式汽油机爆震对噪声的影响大.尽管如此,在较高负荷 工况的燃烧噪声仍然是均质压燃汽油机所需要仔细关注的问 题(高负荷时,空燃比接近点燃式汽油机以保证动力输出) 均质压燃汽油机的气缸压力波动只有在负荷较高、空燃比 或者混合气稀释程度较低的情况下出现.一般认为,气缸内的 压力波动现象是由最先燃烧的小块区域快速释放的能量所 造成的.所释放的能量是小块区域的质量(或体积)与单位质 量(或单位体积)

8、混合气所具有的化学能的乘积,当混合气的 空燃比高于一定数值,单位质量混合气的化学能过低,最先燃 烧的小块区域所快速释放的能量将不足以造成缸内气体的 压力波动. 当混合气的空燃比处于可能发生压力波动的临界值左右时, 燃烧开始放热的时间即着火时间对是否产生压力波动有决 定性的影响.推迟均质压燃的着火时间可以在燃烧过程中燃 烧室体积变化的方向从压缩转为膨胀.燃烧所释放的部分能 量开始对活塞作功,有助于避免压力波动.如果混合气的空燃 比进一步降低,最先燃烧的小块区域所快速释放的能量也进 一步增加,压力波动现象更接近于点燃式汽油机的爆震现象( 必须控制着火时间推迟). 均质压燃燃烧速度的分析: 由于均质

9、压燃基本上是非扩散的、同时发生的燃烧现象,因 此燃烧速度很高.在较高负荷时,全部混合气的燃烧在1ms左 右就基本完成,这样高的燃烧速度仍然慢于通过化学反应动 力学计算得到的数值.实际的均质压燃过程由于缸内混合气 温度分布不均匀,不可能同时燃烧,因此延缓了燃烧速度. 均质压燃的燃烧速度取决于混合气的稀释程度以及燃烧开始 的时间.混合气的空燃比愈小,单位质量混合气所含的化学能 愈多,燃烧一开始释放的能量也愈多.较多的热能促使周围未 燃混合气的化学反应加快,宏观上全部混合气的燃烧速度也 更高.燃烧开始时间推迟,燃烧室体积从压缩转为膨胀,因此燃 气的温度升高减小,进一步的化学反应减慢,宏观上全部混合

10、气的燃烧速度也下降.与均质压燃相似,点燃式燃烧速度也受 点火时刻的影响,但是由于两种燃烧的机理不同,燃烧开始的 时间对均质压燃燃烧速度的影响要远大于对点燃式汽油机燃 烧速度的影响. 三、均质压燃汽油机的热效率 采用均质压燃使汽油机有可能获得迄今为止最高的部 分负荷工况下的热效率。 内燃机的压缩比对热效率有很大影响.点燃式汽油机包括分 层稀薄燃烧汽油机的压缩比受到爆震的限制,而均质压燃汽 油机的工作粗暴程度或“爆震”取决于混合气的稀释程度,因 此压缩比基本上不受爆震的限制,因此压缩比可以提高到柴 油机的 水平,使热效率得到提高. 进气节流和混合气的比热容也影响热效率.点燃式汽油机部 分负荷时节气

11、门引起的进气节流造成内燃机的泵气损失,影 响热效率.混合气的空燃比直接影响混合气中多原子分子所 占的比例,从而影响混合气的绝热指数K(K=cp/co).混合气愈 稀,K数值愈大,热效率愈高.分层稀薄燃烧系统空燃比可达50, 均质压燃燃烧系统最高甚至达到170,但由于CO的氧化需要 在1200以上的高温,限制了最大空燃比,但均质压燃仍然可 达70-80,可以和柴油机相似. 内燃机的传热损失和燃气分子在高温下离解的现象都影响热 效率.由于均质压燃汽油机的混合气被空气或残余废气所稀 释,燃烧温度很低,燃气最高温度一般不超过1600,因此燃气 分子的离解现象基本可以避免.同时使得燃烧系统的传热损 失比

12、任何内燃机都小. 燃烧开始放热的时间对热效率有相当的影响.比较发现,只有 分层燃烧点燃式汽油机的点火时间因受到火花间隙处空燃比 变化的限制,点火和着火时间受到限制,影响热效率.包括均质 压燃汽油机在内的各种内燃机的着火时间从原则上将并不受 到限制,因此可以控制着火时间达到较高的热效率.但是,在接 近怠速的低负荷工况,均质压燃的着火时间受到燃烧效率的 限制,对热效率有一定影响. 内燃机的机械摩擦损失对有效热效率有很大的影响,尤其是 柴油机.与柴油机相比,均质压燃汽油机仅在部分负荷工况采 用均质压燃,其气缸爆发压力仅略高于点燃式汽油机,因此结 构设计强度接近于点燃式汽油机,使机械摩擦损失比柴油机

13、小得多. 四、均质压燃汽油机的排放 由于均质压燃可以使用非常稀的混合气，使燃气的最 高温度不超过1600,排气中的NOX超低,减轻了排气后 处理的困难.当燃气温度超过1600时,NOX排放开始急 剧升高. 稀混合气导致排气中的CO很低,但当燃气温度低于 1200时,CO进一步氧化的能力下降,CO排放急剧增加. 要扩大均质压燃工作区域至低负荷区域,必须采取措施 控制CO排放. 均质压燃汽油机的HC排放介于电喷汽油机和分层稀薄 燃烧直喷汽油机之间.均质压燃混合气于压缩行程开始 之前就已经形成, HC排放主要取决于第一道活塞环上 面的活塞头部与气缸壁之间的缝隙大小,均质压燃汽油 机的压缩比高,更多的

14、混合气进入缝隙, 使HC排放增加. 低负荷时混合气过稀,不完全燃烧增加, HC排放增加. 五、均质压燃着火时间的控制 点燃汽油机与压燃柴油机是通过点火或喷油时间来直 接控制着火时间,均质压燃的着火时间只能通过间接方 法控制. 均质压燃的燃烧是由于缸内混合气在压缩过程中达到 自燃温度而发生的,因此,控制混合气温度是均质压燃 控制着火时间的最有效的方法. 混合气的温度受到压缩比、进气温度和残余废气的直 接影响. 可变压缩比发动机可在一个很大的范围内控制混合气 温度,满足各种工况下对着火时间的控制要求.但机构 复杂、笨重,很难满足快速精确控制的要求. 直接控制进气温度可以有效地控制混合气温度,从而满

15、 足各种工况下对着火时间的控制.但困难在进气系统的 热惯性难以实现快速温度调节. 改变残余废气量可以影响混合气温度,实现对着火时间 的控制.但最大残余废气量受到燃烧需要氧气量的限制 ,使得温度控制范围较窄.大量增加残余废气也使得混 合气的比热比K降低,影响热效率.控制残余废气量的优 点是可以比较容易通过对气门定时的控制来实现(排气 门上止点提前关闭可控制缸内残余废气量),是控制混 合气温度的优选方案. 增加一次先期燃烧对气体进行加热并对加热量进行控 制也能控制混合气温度.如在缸内先期喷入少量汽油或 在进气道内使少量汽油先期燃烧.控制难度较大或结构 复杂,而且先期燃烧不作功,降低了热效率. 混合

16、气的自燃温度取决于燃油的特性,因此控制燃油特性也可以 控制着火时间.如果采用双燃料并且两种燃料的自燃温度有较大 的不同,例如采用天然气和二甲醚,则可通过改变两种燃料的比 例来控制混合气的自燃温度.缺点是增加了燃油供给系统的复杂 性,而且对着火时间的控制非常有限. 如果采用缸内直喷,则可通过改变喷油时间来控制着火时间.实 验表明当喷油时间被推迟至压缩过程后期,由于压缩后气体温度 较高,使先喷射出的燃油所形成的混合气更早地达到自燃温度, 均质压燃的主要放热时间会有所提前.但控制着火时间的效果和 范围有限.此外,推迟喷油时间会造成油气分布不均匀,出现较浓 混合气,燃烧放热速度较快,避免了燃烧持续时间延长,对热效率 影响不大,但可能使NOX增加,甚至出现颗粒排放. 增加火花塞点火装置,改变点火时刻对着火时间进行控制.当混 合气温度在压缩上止点附近非常接近自燃温度,稍许外加一些能 量就有可能触发燃烧.但是由于均质压燃汽油机的混合气非常稀 ,这样的着火时间控制