均質(zhì)壓燃在內(nèi)燃機燃燒技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展與展望

1、均質(zhì)壓燃在內(nèi)燃機燃燒技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展與展望 姓名：xxx 學(xué)號：xxx 聯(lián)系電話：xxx 導(dǎo)師：xx 學(xué)院：xxx摘要：均質(zhì)壓燃式(HCCI)燃燒方式是目前內(nèi)燃機燃燒領(lǐng)域的研究熱點。HCCI燃燒是以預(yù)混合燃燒和低溫反應(yīng)為特征的燃燒方式。采用HCCI燃燒方式可以同時有效降低柴油機的NOx和破煙排放,并提高柴油機的循環(huán)熱效率。本文闡述了“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”新一代內(nèi)燃機燃燒技術(shù)的背景、研究現(xiàn)狀以及所取得的主要研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：均質(zhì)壓燃；低溫燃燒；燃燒理論；燃料改質(zhì)1 概述 燃燒技術(shù)是內(nèi)燃機的核心技術(shù)，回顧內(nèi)燃機過去 30 余年的發(fā)展歷程可以清晰看到，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)已成為內(nèi)燃機燃燒技術(shù)進(jìn)步的

2、主要推動力。以美國重型商用柴油機為例，EPA 2010 年法規(guī)微粒限值（0.01 g/hph）和 NOx限值 (0.2 g/hph) 都僅相當(dāng)于 1978 年法規(guī)限值的1%( 微粒：1.0 g/hph；NOx：20 g/hph）。在滿足每一階段越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)中，內(nèi)燃機高效清潔燃燒技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，燃燒技術(shù)的進(jìn)步總是超出人們的預(yù)期。Richards1和 Needham1分別于 1988 年和 1989 年先后在 SAE 發(fā)表論文認(rèn)為要滿足美國 1994 年排放法規(guī)必須采用微粒過濾器（DPF）。此后，人們認(rèn)為后處理技術(shù)是滿足 1998 年排放法規(guī)的重要手段。英國 Perkins公 司 Fr

3、ed Brear 1996 年 報 告 指 出：DPF 在 2000年大規(guī)模使用該技術(shù)2。但是，事實上目前先進(jìn)柴油機燃燒技術(shù)在滿足歐 IV-V 法規(guī)（相當(dāng)于EPA 20042007 法規(guī)）仍可以不采用 DPF 后處理器，這充分顯示出燃燒技術(shù)在內(nèi)燃機節(jié)能和降低有害排放方面的巨大潛力。因此，內(nèi)燃機高效清潔燃燒技術(shù)的研究一直都是國際內(nèi)燃機界研究的熱點和前沿課題。20 世紀(jì) 90 年代后期，尤其是 21 世紀(jì)以來，內(nèi)燃機除了面臨滿足越來越嚴(yán)格的有害排放法規(guī)的挑戰(zhàn)，還面臨著 CO2法規(guī)（燃油經(jīng)濟(jì)性）挑戰(zhàn)，CO2法規(guī)逐步成為推動內(nèi)燃機燃燒技術(shù)進(jìn)步的又一主要因素，內(nèi)燃機燃燒理論和燃燒新技術(shù)的研究進(jìn)入了一個新

4、的活躍時期。針對未來超低排放，甚至零排放的有害排放法規(guī)和 CO2法規(guī)，人們提出了不同的內(nèi)燃機新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃（HCCI）、預(yù)混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預(yù)混合分層壓燃（PSCCI）等。綜觀這些燃燒方式，其核心就是改變以傳統(tǒng)柴油機為代表擴散燃燒方式和以傳統(tǒng)汽油機為代表的火花點燃的火焰?zhèn)鞑ト紵绞?，采用預(yù)混合、壓燃、低火焰溫度的燃燒方式，實現(xiàn)內(nèi)燃機高效清潔燃燒。國內(nèi)學(xué)者將這一新型燃燒方式統(tǒng)稱為“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”新一代內(nèi)燃機燃燒方式。2 新一代內(nèi)燃機燃燒技術(shù)“均質(zhì)壓燃”“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”是一種新型的的內(nèi)燃機燃燒方式，這一概念是經(jīng)歷國內(nèi)外學(xué)者數(shù)十年對內(nèi)燃機的研究形成的

5、。早在1979 年Onishi 等人為了提高二沖程汽油機熱效率時，發(fā)現(xiàn)汽油機在部分工況下利用缸內(nèi)大量的殘余廢氣，不用點燃也可平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，并稱為活化熱氛圍燃燒過程。這一燃燒過程被廣泛認(rèn)為是最早提出的具有均質(zhì)壓燃特征的燃燒概念。HCCI燃燒是一種全新的內(nèi)燃機燃燒方式，并不同于傳統(tǒng)的發(fā)動機燃燒，通常其燃料和空氣先形成均質(zhì)混合氣再進(jìn)入氣缸，活塞上行壓縮使得混合氣升溫而自發(fā)著火。HCCI的燃燒方式與傳統(tǒng)的點燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機都有一定的類似之處，表面上看基本上是兩種燃燒模式的結(jié)合產(chǎn)物，然而HCCI燃燒模式并不是點燃式發(fā)動機與壓燃式發(fā)動機的簡單機械式結(jié)合。點燃式發(fā)動機燃燒時，主要靠熱擴散來實現(xiàn)火焰從點火

6、點到周邊的傳播，是有明顯的火焰前鋒面的；而壓燃式發(fā)動機燃燒時，主要是依靠燃料在缸內(nèi)的噴霧擴散，小的燃油顆粒與高溫空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)而燃燒，通常稱為擴散燃燒。在這兩種燃燒模式，充量在燃燒室內(nèi)存在物理量上的不均衡，而發(fā)生熱擴散或物質(zhì)擴散，從而導(dǎo)致了NOx和碳煙的排放。在HCCI燃燒過程中，缸內(nèi)充量高度均勻，在活塞上行過程中，各處充量溫度同步提高，進(jìn)而幾乎同時達(dá)到自發(fā)著火的條件而同時發(fā)生著火反應(yīng)。因此，理論上講均質(zhì)壓燃發(fā)動機的氣缸內(nèi)既沒有熱擴散也不存在燃料擴散。并且，HCCI 發(fā)動機的混合氣濃度較低，是稀薄燃燒，因此燃燒溫度也較低。三種燃燒模式的對比如圖1所示。圖1 柴油機、汽油機與均值壓燃發(fā)動機燃

7、燒方式的對比3 汽油燃料“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”燃燒技術(shù)研究進(jìn)展汽油機燃料揮發(fā)性好，易形成均質(zhì)混合氣，缺點是著火溫度高，不易壓燃。由于汽油機主要應(yīng)用于輕型車，汽油機 HCCI 燃燒研究的重點是中小負(fù)荷工況的節(jié)能和排放問題。汽油機均質(zhì)壓燃在實現(xiàn)的技術(shù)途徑上有兩種方案，一是基于傳統(tǒng)氣道噴射汽油機技術(shù)方案，另一種是基于缸內(nèi)直噴的技術(shù)方案。這兩種方案本質(zhì)差別在于混合氣的制備方式不同。前一種方案與目前廣泛采用的氣道噴射電控汽油機有較好的繼承性，結(jié)構(gòu)變化小，但在混合氣濃度分層控制上受到較大的制約。缸內(nèi)直噴方案在混合氣濃度分層控制上有較大的靈活性，通過缸內(nèi)多次噴油技術(shù)實現(xiàn)混合濃度分層，但控制的難度增大。這兩種

8、方案的燃燒理論基礎(chǔ)和面臨的科學(xué)問題基本是一致的，即在中小負(fù)荷工況下需要通過缸內(nèi)的殘余廢氣提高混合氣的能量（進(jìn)氣加熱與內(nèi)部EGR），使汽油混合氣可以壓燃，或采用火花點火與壓燃并存的復(fù)合燃燒方式；在向大負(fù)荷擴展過程中，可以采用外部廢氣來抑制燃燒反應(yīng)，即采用內(nèi)部殘余廢氣與外部廢氣的復(fù)合廢氣再循環(huán)技術(shù)。因此，氣門升程與氣門相位的連續(xù)可變技術(shù)是拓展汽油機均質(zhì)壓燃的重要技術(shù)途徑之一。在早期的研究中，混合氣加熱是提高混合能量的重要途徑之一。美國福特公司提出 OKP（Optimized Kinetic Process）燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)在缸內(nèi)直噴汽油機上采用冷卻液和排氣加熱進(jìn)氣空氣與氣門定時改變（VVT）壓縮比

9、和殘余廢氣相結(jié)合的方法，實現(xiàn)汽油機 HCCI 燃燒。通過該方法，HCCI 工況范圍得到了拓寬，平均指示壓力可達(dá)0.55 MPa，燃料利用率比原機提高了 10% 30%，NOx排放比原機降低了 98% 99%3。近年來，汽油機 HCCI 燃燒技術(shù)中主要通過殘余廢氣控制方式提高混合氣能量，實現(xiàn)混合氣均質(zhì)壓燃。天津大學(xué)趙華教授的課題組研究開發(fā)了“進(jìn)排氣門聯(lián)動控制”的均質(zhì)壓燃汽油機技術(shù)，該方案在氣道噴射汽油機上，采用進(jìn)排氣門全可變（氣門升程與相位）技術(shù)，控制缸內(nèi)殘余廢氣率與廢氣分層，實現(xiàn)均質(zhì)壓燃。2006 年開發(fā)了原理性樣機，樣機 HCCI 的運行轉(zhuǎn)速可以達(dá)到4 500 r/min，最大平均指示壓力（

10、IMEP）可以達(dá)到 5 200 kPa，可以覆蓋轎車主要的常用工況4。此后，課題組提出了基于廢氣驅(qū)動的高效低溫燃燒汽油機（ExDrive）技術(shù)。其方案仍是采用進(jìn)排氣門全可變機構(gòu)，并結(jié)合外部 EGR 和渦輪增壓技術(shù)進(jìn)一步擴展 HCCI 的運行工況范圍。廢氣驅(qū)動的燃燒和負(fù)荷控制方案基本思路是：缸內(nèi)殘余廢氣同時起到了加熱劑、稀釋劑和容積填充劑 3 方面的作用，既提供了混合氣燃燒所需要的能量，也控制了發(fā)動機負(fù)荷和燃燒速度。但是當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷增大以后，內(nèi)部殘余廢氣的熱量增加會造成缸內(nèi)出現(xiàn)燃燒速度過快而產(chǎn)生爆震等不正常的燃燒現(xiàn)象。為此，通過引入冷卻的外部廢氣再循環(huán)技術(shù)路線，由外部廢氣逐漸代替內(nèi)部廢氣來填充缸

11、內(nèi)容積，拓寬均質(zhì)壓燃燃燒運行范圍，這樣既可以提高發(fā)動機的負(fù)荷運轉(zhuǎn)范圍，又可以利用廢氣的稀釋作用，降低汽油發(fā)動機的 NOx排放。在發(fā)動機全負(fù)荷工況采用基于廢氣控制的汽油機復(fù)合燃燒技術(shù)，即以內(nèi)部廢氣再循環(huán)策略實現(xiàn)可控自燃燃燒為核心，輔以氣門參數(shù)控制的火花點燃燃燒技術(shù)的復(fù)合燃燒技術(shù)，同時以外部廢氣再循環(huán)作為調(diào)整缸內(nèi)廢氣狀態(tài)的控制手段，實現(xiàn)了汽油機低溫高效燃燒。在燃燒控制策略中，采用爆震閉環(huán)燃燒控制技術(shù)。通過殘余廢氣的分層，在小負(fù)荷和熱機怠速工況實現(xiàn)汽油機可控自燃燃燒。例如，轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min，平均指示壓力為 0.085 MPa工況，可控自燃燃燒的節(jié)油率達(dá)到 17.21%；在轉(zhuǎn)速為 2 0

12、00 r/min，平均有效壓力為 0.2 MPa 工況，節(jié)油率達(dá)到 13.71%，NOx減少 99%，NEDC 駕駛循環(huán)的仿真節(jié)油效果為 15.6%。排放指標(biāo)除 HC 之外，NOx和 CO 均小于歐限值5。AVL 公司應(yīng)用汽油機缸內(nèi)多次噴射技術(shù)，提出了“壓縮和火花點燃（”CompressionandSparkIgnition，CSI）汽油機均質(zhì)壓燃燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過可變氣門升程（VVL）和可變氣門定時（VVT）控制殘余廢氣，采用缸內(nèi)靈活的燃油噴射控制，實現(xiàn)汽油多次噴油，在燃燒過程控制方面，實現(xiàn)各缸實時控制策略。除了常用變量外，如質(zhì)量流量、空燃比、進(jìn)氣溫度、冷卻水溫度等，工況控制還采集實時燃

13、燒信息，發(fā)展了能夠精確預(yù)測混合氣成分等參數(shù)對燃燒影響的燃燒模型，實現(xiàn)混合氣成分和溫度瞬態(tài)閉環(huán)控制6。日本本田公司在解決汽油機 HCCI 工況范圍向小負(fù)荷工況擴展問題方面也提出了一個新的技術(shù)途徑。該系統(tǒng)的要點是：可變氣門定時（VVT）、缸內(nèi)直噴和發(fā)動機增壓，通過在負(fù)氣門重疊角期間噴油，發(fā)動機怠速750 r/min 時，最低負(fù)荷擴展至 0.16 MPa( 壓縮比11.5)，采用多孔噴嘴，最大負(fù)荷擴展到0.65 MPa。該發(fā)動機 HCCI 工況范圍基本滿足了日本 10-15運行工況范圍7。清華大學(xué)王建昕教授課題組提出了基于缸內(nèi)直噴混合氣制備，以混合氣濃度分層、火花輔助點火和燃料改質(zhì)的綜合控制 HCC

14、I燃燒的新方法，開發(fā)了相應(yīng)的火花點火輔助分層壓燃（ASSCI）燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過缸內(nèi)二次噴射實現(xiàn)分層壓燃控制著火，通過火花輔助均質(zhì)壓燃（HCCI）臨界狀態(tài)下著火穩(wěn)定以及燃料重整拓寬 HCCI 運行工況范圍，提出了利用缸內(nèi)直噴、可變配氣以及節(jié)氣門協(xié)同控制進(jìn)行點燃（SI）與HCCI 燃燒模式切換的控制策略8。為了進(jìn)一步拓寬 HCCI 運行工況范圍，他們提出了內(nèi)外 EGR與增壓協(xié)調(diào)控制拓展 HCCI 負(fù)荷范圍的思路。多缸 HCCI 樣機測試結(jié)果表明，在 HCCI 運行工況樣機比傳統(tǒng)汽油機的燃油經(jīng)濟(jì)性改善 15% 以上，NOx 降低 90% 以上9。4 柴油燃料“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

15、 由于柴油高粘度、低揮發(fā)性、低自燃溫度的特性，改善燃油與空氣的混合和抑制過快的燃燒反應(yīng)速度是柴油機實現(xiàn)“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”燃燒過程的關(guān)鍵。因此，柴油機“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”燃燒過程控制的主要技術(shù)途徑是噴油策略控制、EGR 控制和溫度歷程控制。早期柴油機“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”主要是通過缸內(nèi)早噴方式實現(xiàn)。如日本新 ACE 研究院的“預(yù)混稀燃柴油機燃燒過程”（PRIDIC）10及隨后提出的“多級噴射柴油機燃燒過程”（MULDIC）11，豐田公司“均勻 Balky 燃燒系統(tǒng)”（UNIBUS）12等。PREDIC 系統(tǒng)采用側(cè)置噴油器，通過增加噴孔數(shù)，減小噴孔直徑（0.17 減小到 0.08）改進(jìn)噴油來

16、改善燃油分布，采用早噴（120BTDC）方式實現(xiàn)均質(zhì)壓燃。通過調(diào)整燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，再循環(huán)和柴油中添加甲基叔丁基醚（MTBE）等措施使發(fā)動機 HCCI 運行工況范圍擴展到原機的50%13。為了保證發(fā)動機在全負(fù)荷工況下運行，在 PREDIC 系統(tǒng)基礎(chǔ)上，MULDIC 系統(tǒng)兩個側(cè)面噴嘴中間安裝一個第 2 次燃燒用的中間噴油器。在大負(fù)荷工況采用多次噴油技術(shù)，側(cè)面噴油器早噴（PREDIC），中間噴油器晚噴，實現(xiàn) 2 級燃燒14。即首先 PREDIC 燃燒，PREDIC 燃燒結(jié)束后缸內(nèi) CO2濃度高，降低了氧的濃度，周圍溫度高而二次噴油燃燒溫度低，降低了NOx排放。該燃燒方式大幅度降低了有害排放，日本柴

17、油機 13工況測試結(jié)果表明，其 NOx排放僅為 1 g/kWh。豐田公司 UNIBUS 系統(tǒng)使用中空錐形噴霧，噴嘴前端設(shè)置了碰撞部，以縮短噴霧貫穿距，采用早噴和晚噴實現(xiàn)兩次噴油，通過 EGR 控制著火時刻實現(xiàn)柴油機 HCCI 燃燒，該系統(tǒng)在發(fā)動機 50% 負(fù)荷和 50% 轉(zhuǎn)速實現(xiàn) UNIBUS 燃燒15。此后，日產(chǎn)公司 MK（Modulated Kinetics）燃燒系統(tǒng)則是采用晚噴方式實現(xiàn)柴油機 HCCI 燃燒16。它通過在上止點后噴油，延長滯燃期，通過廢氣再循環(huán)，提高燃燒室內(nèi)惰性物質(zhì)的濃度，減少氧濃度，降低燃燒溫度，使柴油噴霧自燃著火的滯后期延長，從而使噴入燃燒室的燃料獲得更多的混合時間。

18、同時采用高渦流比提高混合速率，使 MK 發(fā)動機在中低負(fù)荷下實現(xiàn)了均質(zhì)壓燃著火和可控燃燒速度的目標(biāo)。進(jìn)一步拓寬其工況范圍的途徑是通過提高噴油壓力，縮短噴油持續(xù)期，提高燃油與空氣的混合速率，并采用冷卻的EGR、降低發(fā)動機壓縮比延長滯燃期17。近 10 年來，高 EGR 率稀釋的柴油機低溫燃燒作為柴油機新型燃燒技術(shù)得到了廣泛的研究，這一燃燒方式主要是通過大比例 EGR 率、噴油策略控制和高增壓壓力實現(xiàn)，并且可以通過上止點附近噴油來實現(xiàn)18-20。這也是對HCCI理論的發(fā)展，即從完全預(yù)混低溫燃燒過程變?yōu)榇蟊壤煽仡A(yù)混低溫燃燒過程（即混合速率控制的擴散燃燒過程在多數(shù)工況下仍會出現(xiàn)）。通過高噴油壓力改善燃

19、油與空氣的混合，采用大比例 EGR 延長混合時間和降低燃燒溫度，從而有效避開 zT-圖中的碳煙和 NOx生成區(qū)域。為了保證輸出動力性，通常結(jié)合較高增壓壓力，如兩級增壓或復(fù)合增壓來保證足夠的新鮮空氣量，從而保證噴油量。但過低燃燒溫度會降低燃燒效率，導(dǎo)致 HC 和 CO 排放明顯增高，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。因此其關(guān)鍵是在碳煙、NOx和燃燒效率三者之間折衷21?；诟變?nèi)多次噴油的控制策略是改善燃油與空氣混合的重要途徑之一。天津大學(xué)蘇萬華教授22-23提出了利用多脈沖噴射實現(xiàn)預(yù)混壓燃燃燒與利用高混合率燃燒室實現(xiàn)稀擴散燃燒相結(jié)合的 MULINBUMP 復(fù)合燃燒過程。該燃燒技術(shù)的基本思路是：在柴油機低負(fù)荷工況下

20、，通過多脈沖燃料噴射策略實現(xiàn)對均質(zhì)壓燃燃燒過程的控制，獲得 NOx和微粒的超低排放（ 10 ppm）；在中高負(fù)荷工況，采用均質(zhì)壓燃燃燒與稀擴散燃燒相結(jié)合的策略，利用發(fā)明的高混合率燃燒室與超高壓噴射相結(jié)合，提高燃油與空氣的混合速率，實現(xiàn)快速混合。在柴油機運行的全工況范圍，應(yīng)用“噴油模式”調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了發(fā)動機不同工況下最佳噴油模式的目標(biāo)，從而實現(xiàn)柴油機全工況范圍的高效清潔燃燒。但是，上述燃燒系統(tǒng)只能在部分負(fù)荷工況下運行。最初的 HCCI 研究認(rèn)為，HCCI 主要應(yīng)用于輕型柴油機上，只能覆蓋輕型車常用低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷工況。但是國內(nèi)外研究進(jìn)展表明，不僅在輕型車上，在重型柴油機大負(fù)荷工況下也可以實現(xiàn)

21、HCCI。據(jù)美國 Caterpiller 公司報道，通過采用高增壓比，提高燃油與空氣混合速率，廢氣再循環(huán)等控制策略，結(jié)合燃油改性在重型柴油機上 HCCI運行工況最大拓寬到原機的 80%（1.6 MPa）24。蘇萬華教授提出了基于燃燒過程全歷程 zT-路徑控制的概念，通過在燃燒過程噴油策略（混合氣濃度分布）、廢氣再循環(huán)（混合氣組分、溫度）和壓縮初始溫度等參數(shù)控制實現(xiàn)燃燒過程全歷程的z - T路徑控制，避開有害排放生成區(qū)域，從而實現(xiàn)高效清潔燃燒25。在此基礎(chǔ)上，蘇萬華教授還提出了“高密度 - 低溫燃燒”燃燒技術(shù)，其核心思想是：通過高噴射壓力的多次噴油控制將燃油“均勻”地“播撒”在燃燒室空間，使混合

22、氣盡量均勻。通過 EGR 來降低燃燒溫度，抑制 NOx排放。為了彌補采用 EGR 后燃燒過程中氧濃度的不足，采用串聯(lián)布置的兩級渦輪增壓實現(xiàn)發(fā)動機高增壓比，增加進(jìn)入的空氣量。但是，高增壓必然會帶來壓縮壓力和燃燒爆發(fā)壓力的增加，受發(fā)動機機械負(fù)荷和可靠性限制，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力必須控制在一個合理范圍，提出通過進(jìn)氣門晚關(guān)技術(shù)降低進(jìn)氣關(guān)閉時缸內(nèi)的初始壓力和溫度，從而有效地降低了缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力，也使柴油機實現(xiàn)了可變的熱力循環(huán)過程26。上述這些技術(shù)既有混合率促進(jìn)技術(shù)，也有抑制化學(xué)反應(yīng)率技術(shù)，在智能化的電控單元協(xié)同控制下，實現(xiàn)了柴油機燃燒路徑的可調(diào)可控，從而實現(xiàn)高效清潔燃燒。采用這一燃燒技術(shù)，柴油機最高指示熱

23、效率可以達(dá)到 53%，原始微粒和 NOx排放可以達(dá)到歐 VI 限值的要求27。上述研究結(jié)果改變了傳統(tǒng)的柴油機排放控制技術(shù)的觀念，通過燃燒過程控制實現(xiàn)超低排放甚至是零排放仍有很大潛力。5 “均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”燃料特性研究進(jìn)展燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程對 HCCI 燃燒過程控制起著主導(dǎo)作用，因此相對于傳統(tǒng)的柴油機與汽油機燃燒，燃料的理化特性對 HCCI 燃燒過程的影響和運行工況范圍有更大的影響。瑞典 Lund大學(xué) Johansson 等人28對基礎(chǔ)燃料、汽油、柴油、醇類燃料和天然氣對 HCCI 燃燒與排放和影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明 HCCI 能夠適用于多種燃料，傳統(tǒng)的燃料辛烷值不能表征 HCCI

24、的抗爆性。另一方面，燃料特性在控制 HCCI 著火過程及拓展運行工況范圍上具有較大潛力。研究表明，降低汽油燃料的辛烷值和柴油燃料的十六烷值更有利于提高 HCCI的工況范圍，辛烷值為 60 左右的燃料在 HCCI 運行的工況范圍最大29。在汽油中摻入部分醇類燃料可以顯著擴展 HCCI 工況范圍30，而醇類燃料的 HCCI 工況范圍比汽油大31。所以針對 HCCI發(fā)動機特點，開發(fā)適合 HCCI 運轉(zhuǎn)的燃料。如采用敏感性較大的汽油燃料結(jié)合適當(dāng)?shù)陌l(fā)動機運轉(zhuǎn)條件控制（即缸內(nèi)溫度和壓力控制），對運行工況范圍的拓展具有更大的潛在優(yōu)勢32。實際上，HCCI 運行的理想燃料應(yīng)該是在小負(fù)荷工況燃用高十六烷值燃料，

25、而在大負(fù)荷工況適合燃用高辛烷值燃料，每一個工況有一個熱效率最高的辛烷值，但單一燃料很難在更大范圍拓寬其高效清潔燃燒運行工況范圍。因此，動態(tài)控制HCCI 發(fā)動機不同工況下所需的燃料特性，可有效控制著火時刻和燃燒反應(yīng)速度，拓寬運行工況范圍并提高熱效率33。實現(xiàn)這一控制策略較實際的方式則是采用雙燃料噴射過程，且兩種燃料的辛烷值差距較大，即高辛烷值與高十六烷值燃料相結(jié)合，通過調(diào)整不同燃料噴射比例從而調(diào)節(jié)不同工況所需的燃料特性。例如通過氣道噴射二甲醚和甲醇雙燃料方式，可在較寬廣的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)壓燃，而且發(fā)動機負(fù)荷運轉(zhuǎn)范圍得到較大拓寬 ( 平均有效壓力接近 0.8 MPa)34。近年來，采用雙燃

26、料方式實現(xiàn) HCCI 燃燒過程控制得到了國內(nèi)外研究者的高度重視。呂興才等人采用氣道噴射正庚烷和異辛烷實現(xiàn)實時的燃料設(shè)計的方法實現(xiàn) HCCI 燃燒控制及擴展運行工況范圍35。美國 Wisconsin 大學(xué) Reitz 教授提出一種 RCCI 燃燒方式，即采用汽油、柴油雙燃料方式，其中汽油燃料采用氣道噴射，柴油采用高壓共軌燃油系統(tǒng)缸內(nèi)直噴，通過控制汽油 / 柴油比例、缸內(nèi)柴油噴油策略控制、外部 EGR 率控制和進(jìn)氣門關(guān)閉時刻控制實現(xiàn)混合燃料的燃燒過程控制，從而實現(xiàn)高效清潔燃燒。研究表明，該燃燒方式結(jié)合進(jìn)氣增壓后最大平均有效壓力可以達(dá)到 1.3 MPa，原始碳煙和 NOx排放可以滿足歐 VI 法規(guī)的

27、要求，熱效率最高達(dá)到了 53%36。作者認(rèn)為該燃燒模式的特征是大比例預(yù)合氣燃燒方式，因此將其稱為高比例預(yù)混合燃燒（HPCC）。作者在一臺單缸柴油機（壓縮比 16.0）上，對轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min，平均指標(biāo)壓力為 0.9 MPa 運行工況研究結(jié)果表明，EGR 率大于 40%，汽油比例大于 80%，采用缸內(nèi)直噴柴油機單次噴射，最低指示油耗小于 180 g/kWh，碳煙和 NOx原始排放有滿足歐 VI 法規(guī)要求的潛力37。在柴油機低溫燃燒中，國內(nèi)外研究者也發(fā)現(xiàn)，提高燃料的揮發(fā)性，降低燃料的十六烷值更有利于降低碳煙和 NOx排放，并提高發(fā)動機的熱效率。瑞典 Lund 大學(xué)研究者在柴油機中噴入汽

28、油燃料，發(fā)現(xiàn)在上止點前附近噴入汽油燃料，通過 EGR 控制實現(xiàn)低溫燃燒，其碳煙和 NOx排放遠(yuǎn)比柴油燃料低溫燃燒時低，并且高效清潔低溫燃燒區(qū)域最大負(fù)荷范圍比柴油更高，而且燃用汽油燃料可節(jié)能 8.3% 16.6%。他們將這一燃燒方式定義為 PPC（Partial Premixed Combustion）燃燒方式。但這種燃燒方式的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、最大壓力升高率較高，發(fā)動機工作粗暴38。此外，如前所述，在小負(fù)荷工況下由于汽油燃料不易壓燃而需要采取其它的措施，如缸內(nèi)殘余廢氣加熱，避免小負(fù)荷工況“失火”是這一燃燒方式需要解決的另一個難題。實際上，在低溫燃燒中 NOx排放主要由EGR 率（燃燒溫度）決定

29、，提高空燃比并不能有效降低碳煙排放，其主要受缸內(nèi)的混合情況決定，加速燃油與空氣混合，延長滯燃期可以有效地降低碳煙排放。汽油燃料之所以能夠獲得比柴油燃料更低的碳煙排放，主要是由于汽油揮發(fā)性好（改善了燃油與空氣的混合）、十六烷值低（延長了滯燃期）。因此，國內(nèi)外研究者提出了寬餾份燃料的概念，即揮發(fā)性好、辛烷值碳?xì)浣M份與易壓燃的碳?xì)浣M份混合，它既可以改善燃油與空氣的混合，也可以降低燃料的十六烷值，延長滯燃期，并且寬餾份燃料的十六烷值比汽油高，研究表明這種混合燃料在保證低 NOx排放的同時可以明顯降低碳煙排放39-40。此外，國內(nèi)外研究嘗試采用柴油與含氧生物質(zhì)燃料組成的混合燃料來降低低溫燃燒有害物質(zhì)的排

30、放41。6 HCCI發(fā)動機具有的優(yōu)點（1）熱效率高。 由于燃料類型和混合氣初始狀態(tài)的不同，HCCI發(fā)動機可以選擇較高的壓縮比；進(jìn)氣過程無節(jié)流裝置，節(jié)流損失??；燃燒過程中缸內(nèi)均勻充量幾乎同時發(fā)生著火，燃燒時間短，接近理想的定容燃燒；混合氣濃度較稀，燃燒溫度較低可以避免不必要的氣缸壁面熱損失。這些特點都有利于提高熱效率。所以，HCCI發(fā)動機的熱效率較高，可以接近甚至超過傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機。（2）NOx和碳煙排放低。 HCCI發(fā)動機是在進(jìn)氣門以前形成均勻的混合氣，利用活塞上行壓縮來實現(xiàn)缸內(nèi)混合氣同步升溫，并且同時自發(fā)快速著火。在保持高熱效率的同時，在時間和空間上共同降低排放。由于混合氣濃度較稀且均勻度

31、較高，避免了濃混合氣區(qū)域的形成，從而減少了碳煙顆粒物的生成；又因為均質(zhì)壓燃燃燒溫度較低，燃燒持續(xù)期短，所以不利于NOx的生成。理想的HCCI燃燒循環(huán)幾乎沒有NOx和碳煙排放。（3）燃料來源廣。 HCCI發(fā)動機可以用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機燃料 （汽油和柴油），同時也可以燃用絕大部分內(nèi)燃機代用燃料，如天然氣、甲醇、乙醇、DME及多種燃料組合等。HCCI發(fā)動機表現(xiàn)出對燃料的高度兼容性，理論上均質(zhì)壓燃發(fā)動機可以使用只要能在著火前蒸發(fā)并與空氣混合的燃料。這有利于將來降低車用燃料的煉制費用，并使車輛的使用更具便捷性。7 “均質(zhì)壓燃”燃燒技術(shù)的技術(shù)難題 HCCI燃燒方式在提高發(fā)動機熱效率、降低有害排放方面有著顯著的優(yōu)

32、勢，但其燃燒方式也決定了它要面臨一些技術(shù)困難。（1）燃燒相位的精確控制。 傳統(tǒng)的發(fā)動機不論是點火式的還是壓燃式的都有直接控制著火時刻的能力，汽油機通過火花點火控制燃燒，柴油機則由噴油時刻實現(xiàn)控制。從宏觀上講均質(zhì)壓燃發(fā)動機缸內(nèi)混合氣的燃燒相位主要受進(jìn)氣溫度、壓縮比、燃料種類及發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響，而從本質(zhì)上講HCCI燃燒過程是受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制的。缸內(nèi)均勻混合氣的燃燒過程與混合氣在缸內(nèi)的發(fā)展歷程直接相關(guān)，缸內(nèi)混合氣的化學(xué)反應(yīng)對缸內(nèi)條件極為敏感，這使得目前很難對HCCI燃燒過程直接采取控制措施。（2）運行范圍拓展。 由于HCCI屬于自動發(fā)火燃燒過程，并無直接控制著火相位的方法，當(dāng)發(fā)動機的壓縮比等參數(shù)

33、確定后，理想的著火時刻便對應(yīng)著特定的進(jìn)氣溫度和混合氣濃度，所以HCCI發(fā)動機運行范圍較窄，通常只是在特定的工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。后來通過調(diào)節(jié)參數(shù)比如進(jìn)氣溫度、壓縮比以及引入內(nèi)外部EGR等，對運行范圍的拓展起到了一定的作用，但拓展幅度有限，難以實現(xiàn)負(fù)荷、速度變化的多方位調(diào)節(jié)，仍不能滿足車輛使用需求。（3）HCCI循環(huán)波動控制。 HCCI燃燒相位缺乏直接的控制手段，進(jìn)氣門關(guān)閉后很難進(jìn)行控制，并且混合氣的自動發(fā)火燃燒對缸內(nèi)邊界條件的變化極為敏感。缸內(nèi)熱負(fù)荷的極其的微小變化將直接影響下一循環(huán)的燃燒狀況，這使HCCI發(fā)動機很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，陷入波動狀態(tài)無法繼續(xù)穩(wěn)定工作。（4）HC和CO排放的降低。

34、HCCI發(fā)動機燃燒溫度較低的特點使得它可以大幅度降低 NOx 排放，但另一方面也造成 HC 和CO排放的增加。研究表明HCCI燃燒反應(yīng)溫度較低，使得燃燒室壁面冷卻作用凸顯，導(dǎo)致燃燒火焰中產(chǎn)生的活性自由基又重新復(fù)合，燃燒鏈反應(yīng)中斷，造成HC排放增加。另外，發(fā)動機小負(fù)荷運轉(zhuǎn)時當(dāng)汽缸內(nèi)溫度低于1 500 K時，使得CO不能被氧化為CO2從而增加了CO排放量。（5）均質(zhì)混合氣制備及冷啟動。 均勻充量的制備存在一定的技術(shù)困難?；旌蠚獾木鶆虺潭戎苯佑绊懽园l(fā)燃燒時刻、燃燒放熱率及有害物排放。但在極短的循環(huán)周期內(nèi)形成完全均勻的混合氣技術(shù)困難較大，特別是有些燃料的揮發(fā)性較差。當(dāng)前，對那些揮發(fā)性較差的燃料一般采用

35、缸內(nèi)直噴的策略實現(xiàn)HCCI燃燒，這勢必要造成混合氣均勻程度的下降。均質(zhì)壓燃發(fā)動機在冷卻狀態(tài)下直接正常運轉(zhuǎn)有一定的困難。冷啟動困難其實是HCCI發(fā)動機較早遇到困難。HCCI燃燒受化學(xué)動力學(xué)控制，其正常燃燒需要穩(wěn)定的缸內(nèi)邊界條件。HCCI發(fā)動機正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，上循環(huán)氣缸熱負(fù)荷對次循環(huán)工質(zhì)有一定的加熱作用使得混合氣正常燃燒。而在冷卻狀態(tài)下，則沒有這部分能量，使得啟動困難。在實驗室，一般通過加熱機體、增加進(jìn)氣溫度或通過其它動力源拖動HCCI發(fā)動機使其達(dá)到正常工作狀態(tài)從而實現(xiàn)HCCI發(fā)動機的冷啟動。8 均質(zhì)壓燃的研究現(xiàn)狀 為了有效控制HCCI發(fā)動機燃燒過程，最初，變進(jìn)氣溫度、變壓縮比、變配氣相位等方法被

36、應(yīng)用于HCCI發(fā)動機。大量的HCCI燃燒研究之后，諸多學(xué)者發(fā)現(xiàn)HCCI燃燒過程受控于缸內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，便有學(xué)者轉(zhuǎn)向燃料性質(zhì)改變及EGR等方面的研究。但是，燃料性質(zhì)和EGR等對HCCI燃燒過程的影響比較有限，不能實現(xiàn)對HCCI燃燒過程的控制。近年來，以直接改變混合氣化學(xué)反應(yīng)路徑及速率為目的燃料改質(zhì)的方法被認(rèn)為是極具潛力的HCCI發(fā)動機燃燒相位控制策略。在國外HCCI的研究較早，其概念最早由Oni-shi等人在日本提出，之后HCCI燃燒便在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。近年，國外許多知名研究機構(gòu)從事了燃料改質(zhì)等方面的研究。威斯康辛大學(xué)的Tanet Aroonsrisopon等人，通過改變HCCI

37、發(fā)動機原有的進(jìn)排氣相位，使其產(chǎn)生負(fù)氣門重疊角(NegativeValve Overlap，NVO)使氣缸在進(jìn)氣階段與排氣階段之間產(chǎn)生一個短暫的封閉過程，期間噴入適量燃油使其實現(xiàn)燃料改質(zhì)。他們通過數(shù)值模擬方法和臺架試驗的研究手段同時發(fā)現(xiàn)該方法使著火時刻提前，并認(rèn)為主要原因是：一是化學(xué)反應(yīng)，負(fù)氣門重疊角期間噴射的燃料會與殘余廢氣發(fā)生改質(zhì)反應(yīng)，生成氫氣等中間產(chǎn)物；二是熱力作用，發(fā)生改質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能可以促進(jìn)混合氣發(fā)生自燃。為緩解節(jié)能減排的壓力，中國政府和內(nèi)燃機界也很重視新型高效率、低污染的內(nèi)燃機研究。王迎、鄭朝蕾等人，采用零維詳細(xì)的化學(xué)動力學(xué)模型分別數(shù)值模擬了加入H2O2、CH2O兩種添加劑的甲醇H

38、CCI燃燒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H2O2、CH2O在缸內(nèi)可以分解產(chǎn)生OH活性基，使甲醇著火時刻提前，并能通過影響著火時刻來改變平均指示壓力的大小。劉青妍、喬信起等人，模擬了甲醇重整對HCCI燃燒的影響，結(jié)果表明中間自由基OH、H、O、HO2和H2O2在甲醇重整氣的燃燒反應(yīng)中起要作用。它們參與的H+O2+N2=HO2+N2、2HO2=O2+H2O2、H2O2(+M)=2OH(+M)、H+O2=O+OH、O+H2O=2OH、OH+H=H+H2O、OH+CO=H+CO2等基元反應(yīng)決定著H2的消耗快慢、CO的氧化，從而可以影響燃燒時刻和燃燒速率。鐘紹華等人，研究了在天然氣中摻用少量氫氣的HCCI發(fā)動機燃燒特性和天

39、然氣燃料重整實現(xiàn)在線產(chǎn)氫的可行性。利用再循環(huán)的排氣進(jìn)行燃料重整產(chǎn)生富氫重整氣是擴展HCCI運行范圍和降低NOx排放的切實可行的方法。國內(nèi)的研究也表明，基于化學(xué)動力學(xué)方法對HCCI的燃燒過程的控制是非常有效的。9 結(jié)語 節(jié)能是推動發(fā)動機燃燒技術(shù)進(jìn)步的主要動力，均質(zhì)壓燃以其高熱效率，低氮氧排放和低顆粒物（PM） 排放已經(jīng)得到了關(guān)注。HCCI燃燒以預(yù)混合燃燒和低溫反應(yīng)為特征，能夠同時降低NOx和碳煙排放,并且具有很高的循環(huán)熱效率。HCCI燃燒工作范圍的擴大可以通過冷卻EGR和降低壓縮比等手段實現(xiàn),但是這些措施往往會影響HCCI發(fā)動機的功率輸出。HCCI燃燒會成為今后發(fā)動機發(fā)展的主攻方向，也會成為世界

40、各國發(fā)動機及燃燒領(lǐng)域交流的熱點。然而，在成功運行均質(zhì)壓燃發(fā)動機的道路上還有很多障礙，比如：控制燃燒相位，擴大運行范圍，很高的未燃碳?xì)浜透咭谎趸寂欧拧Ｔ诂F(xiàn)在的研究過程中，科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些切實可行的HCCI燃燒相位控制方法，并正向著實用化的方向做著不懈的努力。參考文獻(xiàn)1BREAR F，GRAHAM M. 柴油發(fā)動機排氣后處理技術(shù) Z. 北京：第 2 屆北京內(nèi)燃機技術(shù)及制造展覽會資料，1996.2BREAR F，GRAHAM M. Aftertreatment Technology of Diesel EnginesZ. Beijing：The 2nd Exhibition on Engin

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