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1、汽油机HCCI燃烧技术综述摘要：为了适应严峻的环境和能源问题，车用发动机在努力提高热效率和降低排放的同时，也在不断地探索新的燃烧方法。本文简要介绍了发动机均质混合压缩着火（HCCI）燃烧的特征及其燃烧控制方式，HCCI汽油机产业化的难点。关键词：HCCI 汽油机 均质混合 控制方法目前，内燃机的燃烧模式主要有四种：均质混合气火花点燃（HCSI）模式、非均混合气压燃（SCCI）模式、分层混合气火花点火（SCSI）模式和均质混合气压缩着火（HCCI）模式。发动机均质混合气压缩着火HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)燃烧时一种全新的燃烧方式，它能
2、有效降低内燃机的燃油消耗和排放问题，而且HCCI燃烧有可能使汽油机达到与柴油机同样高的热效率，使炭烟和NOx排放同时降至几乎为零。1 汽油机HCCI燃烧的特征HCCI燃烧时多点大面积同时压缩着火，没有火焰传播前锋面，因而它可以再极端的时间内完成燃烧放热，其燃烧放热速率和等容度要远比传统的火花点燃火焰传播的HCSI方式高得多，因而只是热效率和油耗会明显改善。HCCI采用稀薄均匀混合气，并引入大量EGR，因而拒不燃烧温度可控制在1800K以下，消除了NO的基本生成条件。由于是稀薄燃烧，进气节流可大大减少或完全不节流（像EGR那样），改善了传统汽油机节流损失过高的弊端。上述中的核心问题是均质、低温和
3、快速放热三点。均质可以避免扩散燃烧引起的炭烟生成；低温燃烧使NOx无法产生；快速放热可以提高汽油机的热效率，而实现快速放热的最好方式是多点自燃。由于HCCI燃烧同时解决了热效率低的五个问题（压缩比低、比热容低、泵吸损失大、燃烧等容度低以及循环波动率高），所以HCCI汽油机的油耗可以大幅度地降低，甚至降低至柴油机水平。但因燃烧温度和压缩终点压力过低时，汽油混合气难以自燃着火，出现失火和着火时刻不稳定等现象；燃烧温度和压缩终点过低时，着火时刻过于提前以及燃烧速率过快出现粗暴燃烧等现象。使这种理想燃烧方式在实际汽油机上很难控制其稳定燃烧。2 汽油机HCCI燃烧的主要控制方法HCCI燃烧速率主要是受化
4、学动力学反应速度控制，以为它是以预先完全混合以及所有区域同时着火方式进行的。目前汽油机HCCI燃烧控制的方法有以下几种。2.1 提高进气温度 进气温度是影响HCCI燃烧最显著的参数，也是被研究最多的参数。一般可采用电加热的方法控制进气温度。当发动机转速和负荷变化时，为保持合理燃烧相位，最佳进气温度也许随之快速变化而进气加热方法难以适应频繁变工况工作的车用发动机。2.2 提高压缩比提高压缩比可以提供啊压缩终点温度使汽油混合气自燃，汽油机若实现压缩着火一般将压缩比提高到15至18以上，但能形成低负荷稳定着火的压缩比往往会引起高负荷时的爆燃。因此，一般是将压缩比提高到11至12，同时引入一定量的热E
5、GR使压缩终点的缸内温度达到汽油自燃的着火条件。最理想的方法是可变压缩比，但这种技术并不成熟。2.3 EGR汽油HCCI燃烧中，EGR的主要作用有两点：提供进气温度和压缩终了温度，以利于自燃着火；利用本身含有的不活性成分来控制燃烧速率不过高，以实现低温燃烧。同时，EGR也可以使进气中的新鲜充量降低，有利于中小负荷时提高节气门开度，减少近期节流损失。但仅靠EGR所提高的进气温度是有限的，而内部EGR可以大幅度提高缸内温度。用负阀重叠（NVO）的方法可以形成内部EGR所谓NVO，就是通过排气门早关和进气门晚开的方法。形成不充分排气，使得缸内残留一定量的高温废气。此种方法成本低、响应快。此外，NVO
6、也可以用连续可变升程和相位的进排气门系统及两段凸轮切换来实现。2.4 活化氛围活化氛围法最初是由戴姆勒公司于1998年提出，2003年由日产和沃尔沃公司先后在发动机上实现的，当时被称为燃料重整（fuel reform）。对改善HCCI汽油机中小负荷的着火性能十分有效。在NVO期间，由于活塞上行压缩废气，缸内温度再次升高，这时如果喷入少量燃油，则会在高温缺氧条件下发生不完全氧化反应，会生成大量的CO、H2、羟基、甲醛以及过氧化物等活性成分或反应中间产物，这些成分会使随后的着火变得容易。2.5 混合气浓度控制对于稀燃为主的HCCI汽油机中小负荷，可以永刚内直喷系统进行两段喷油或多段喷油，以形成浓度
7、分层的混合气。下图为清华大学的研究实例，在进气冲程进行第一次喷射，以形成均质稀混合气，在压缩冲程后期进行第二次喷射，在燃烧室凹坑内形成接近均质的浓混合气。压缩终了时浓混合气区域首先着火，缸内温度和压力升高，由此引起稀混合气区域随之着火，由（b）图可知，二次喷射时刻与自燃着火时刻近乎成线性关系，而二次喷射时刻的早晚实际上决定了混合气的分层程度。混合气浓度分层方法有利于HCCI工况范围向高负荷扩展，而上述活化氛围法有利于改善小负荷的稳定自燃着火。其次，与活化点火辅助相结合，可以更好地控制着火时刻以及控制最高放热速率等燃烧特性。3 汽油HCCI发动机产业化的难点3.1 着火难以控制 尽管已开发了上述
8、各种控制方法，但汽油HCCI的稳定着火和着火时刻控制仍比传统汽油机困难，控制精度也许进一步提高。3.2 燃烧速率难以控制 由于压缩比明显提高和大面积自燃着火，HCCI汽油机高负荷容易出现粗暴燃烧和爆燃，目前尚缺乏有效地控制方法。3.3 运行工况范围窄目前汽油HCCI燃烧模式可运行的工况范围大约为pme0.5MPa、n3500r/min。4 结束语汽油机HCCI燃烧具有超低排放的优点，符合当今发动机的发展趋势，相信随着计算机的快速发展，HCCI面临的许多技术难题都会很好的解决，使HCCI汽油机得到普及。参 考 文 献1 汽车发动机原理/吴建华 主编.机械工业出版社,2005.72 汽车发动机原理/张志沛 主编.人民交通出版社,2007.83 汽车发动机原理/王建昕 帅石金 主编.清华大学出版社,2011.34 / 4
