HCCI燃烧方式的实质.doc

在柴油机上通过HCCI燃烧方式可实现低温稀薄燃烧，由此在保证高热效率的前提下同时降低NOx和PM排放；而在汽油机上，则以稀薄燃烧技术为背景，通过实施HCCI燃烧方式可提高压缩比和燃烧速度，由此在提高热效率的同时有效抑制NOx的生成。
近年来的研究结果表明，HCCI燃烧方式的主要特点就是气缸内混合气的均匀化和均匀混合气的低温燃烧。其燃烧过程取决于均匀混合气的化学反应特性，根据其如图2所示的放热规律特性，分为低温放热过程LTHR(Low Temperature Heat Release)和高温放热过程 HTHR (High Temperature Heat Release)，其中HTHR占HCCI燃烧总发热量的绝大部分，而LTHR放热量很小，但其通过影响HTHR放热过程的始点直接影响HTHR的放热规律。

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2009-3-5 08:18

另一方面，释放50%的HTHR总放热量所对应的曲轴转角，是控制HCCI燃烧过程的重要因素。由Tetsuo Ohmura等人的相关研究表明，可防止失火和爆燃的稳定HCCI燃烧过程的控制范围是上止点后的（0~6）°CA。
因此，HCCI燃烧过程之所以能提高热效率的主要原因体现在以下三个方面，即
1）通过压缩过程中混合气的低温放热反应，使工质的压力和温度有所提高，不仅改善混合气的燃烧条件，更重要的是提高了压缩终了工质的做功能力；
2）稀薄燃烧，促进完全燃烧，而且提高工质的多边指数；
3）高温放热反应，接近等容燃烧，提高燃烧速度，使工质得到充分膨胀做功。
因此，通过稀薄混合气的低温燃烧，将最高燃烧温度控制在1500~1800K，由此有效抑制NOx的生成，同时促进完全燃烧，降低CO和HC以及PM排放。为限制HCCI燃烧的最高温度，就要限制参与HCCI燃烧的混合气量，否则不仅不能保证低温燃烧达到抑制NOx生成的目的，反而容易造成爆燃，因此这种HCCI的燃烧方式的运转领域狭窄而不能得到推广应用。
为了解决HCCI燃烧方式存在的问题，以扩大其运转领域，已提出"SI-HCCI-SI"，"Diesel-HCCI-Diesel"，"SI-CI"等新的内燃机混合燃烧概念[3,6]。这些研究结果表明能同时减小4冲程内燃机的NOx和PM排放的高效率燃烧方式的关键在于基于气缸内混合气和温度分层分布的扩散燃烧过程的有效控制。
所以，HCCI燃烧方式只能说是改善一定的小负荷范围能同时满足高效率超低排放的有效措施。而对车用发动机来说更重要的是随更宽的负荷变化如何实现高效率低排放。为此在4冲程内燃机整个运转领域内需要喷雾特性与燃烧室内的气流运动特性相适应，通过扩散燃烧过程的有效控制来限制放热规率，以达到控制温度的目的。这就需要具备良好的喷雾特性且响应特性又快的电控喷射系统、FVVT系统、冷EGR控制系统、以及基于Miller Cycle的压缩比可变控制技术等[7]。而这些技术的开发应用是4冲程内燃机循环充分发挥其潜力的必要条件。
1HCCI燃烧方式
均质充量压缩燃烧HCCI(Homogenous ChargeCompression Ignition)是一种新型的发动机燃烧方式,它综合了汽油机均质点燃和柴油机压缩自燃的特点,像汽油机那样在进气及压缩行程形成均质混
合气,当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火,在缸内形成多点火核,从而有效地维持着火燃烧的稳定性。这种燃烧方式能有效地解决传统柴油机存在的燃油经济性差和尾气排放高的问题,特别是能够降低NOx和PM的排放,并进一步提高热效率。

2.柴油机HCCI燃烧的特点
柴油机采用HCCI燃烧方式与普通的柴油机燃烧方式相比区别在于:前者燃油在进气和压缩行程已经与空气完全均质混合,进行的是预混合燃烧模式,其燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关;而后者在进气行程中进入燃烧室的是纯空气,在压缩行程接近终了时,才把柴油喷入燃烧室内,让其与空气在极短的时间内形成可燃混合气(极不均匀),进行的是扩散燃烧模式,它的燃烧速率主要与燃油蒸发速率及其与空气混合速率有关。
HCCI柴油机与普通柴油机的放热率比较：

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2008-11-27 11:15

HCCI柴油机的优点在于:
(1)可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。由于采用压缩点火方式,节流损失减少,同时压缩比较高,多点同时着火的燃烧方式使得放热率显著提高,接近于理想的等容燃烧,改善了部分负荷下的燃油经济性。同时稀燃混合气比热比大,做功能力强;缸内工质熵增相对低,因此指示热效率也得以大幅度地提高。
(2)稀薄燃烧,不存在缺氧情况,并且由于它不存在柴油机的液滴蒸发扩散燃烧现象,因此可有效降低PM排放;同时,由于燃烧室内部混合气为均质混合气,在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火,没有明显的火焰前锋,减少了火焰传播距离和燃烧持续期,避免了高温反应区的产生,因此能够大大减少NOx排放。
(3)只与燃油本身的物理化学性质有关,着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制,受燃烧室内流场影响较小,因此可以简化对发动机燃烧系统的设计。
(4)在低负荷工况下具有很高的热效率。目前HCCI技术被认为是柴油机实现欧V排放标准的最佳技术路线之一。

柴油机的HCCI燃烧也存在一定的缺点,主要有3个方面:
(1)HC、CO的排放较高,有待于进一步降低;
(2)高负荷工况容易出现爆震燃烧,目前仍无法实现全工况的HCCI燃烧运行模式;
(3)由于使用的燃料是较难挥发和较易自燃的柴油,蒸发性和流动性比较差,均质混合气的制备相对困难;同时柴油作为高十六烷值燃料,化学安定性差,容易发生低温自燃反应,并且均质混合气的燃烧速度难于控制,容易造成不稳定燃烧
在能源危机和环境保护的双重压力下, 人们对高效能、低污染动力源的需求与日俱增, 对柴车油机性能的要求越来越高。但目前车用传统发动 机从燃烧过程上无法同时降低 NOX 和碳烟的排放, 降低 NOX 排放导致温度降低, 不利于碳烟的 氧化反应, 使碳烟排放量增加, 即不能同时解决碳烟和 NOX  生成的 trade-off 关系。在这种情况 下, 许多研究人员开始尝试一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式: 依靠预混合燃烧 形成的均匀混合气和低温燃烧较低的缸内温度 来同时降低碳烟和 NOX 排放。这种燃烧方式被 称作均质压燃式燃烧方式,   即 HCCI(  Homoge- neous Charge Compression Ignition)  。

1.HCCI 简介

HCCI 的中文意思是“均质充量压缩点燃”。 从理论上讲, HCCI 燃烧过程中,   均匀的空气与 燃料混合气及残余废气被压缩点燃, 燃烧在多点 同步发生且无明显的火焰前锋, 燃烧温度比较均匀, NOX 和碳烟 PM 的形成能够被有效抑制。

2.种燃烧方式发动机的比较
均质混合气压燃燃烧方式的出现, 有效地解 决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点, 是有 别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非 均质压燃扩散燃烧和 GDI 发动机分层稀薄燃烧 方式的第四种 燃 烧 方 式 。
3.HCCI 的优缺点
HCCI 燃烧方式综合了传统的压燃式发动机 和传统的火花点火式发动机的优点。
HCCI 燃烧方式的优点如下 1)  热效率高。(  2)  HCCI 燃烧与传统的柴油机相比,   可以减少90%～98%的 NOX 排放。(  3)  据研究表明, HCCI燃烧会产生低水平的烟雾和微粒排放。然而, HCCI 燃烧方式也具有如下缺点 1) 运行范围有限。发动机采用 HCCI 方式运行受到 失火(   混合气过稀)  和敲缸(   混合气过浓)  的限
制[   2] 。(  2)  HC 和 CO 排放较高。

3 种燃烧方式的发动机的比较

比较内容        点燃式发动机        压燃式发动机        HCCI 燃烧式发动机
燃料        汽油等          柴油、乙醇、天然气等均可     范围更广
过量空气系数        1 左右        1.6~2.2          范围更广混合气
形成方式        化油器或喷射 - 均质        喷射 - 浓稀        均质
稀薄燃烧        否        是        是
着火方式        点燃        压燃        一般为压燃
点火系统        有        无        无
燃烧方式        预混燃烧        扩散燃烧        同时着火
节气门        有        无        无
扭矩调节方式        变量调节        变质调节        变质调节
压缩比        较低        较高        较高
火焰        有        有        无明显火焰前锋
压缩终了温度        较低        较高        较高
燃烧温度        高温        局部高温        相对低温
理论循环        等容加热        混合加热        等容加热
泵气损失        较高        较低        较低
向气缸散热        最多        较多        少
热效率        低        高        高
燃油经济性        低        高        高
NOX        高        高        低
PM        低        高        低
HC        高        低        高
CO        高        低        高
发明人        奥托        狄塞尔        -
发明日期        1876 年        1897 年        -
燃烧起点控制        点火定时        喷油定时        综合控制
燃烧剧烈程度        较小        较大        较大

HCCI 燃烧方式的实现
均质混合气的形成
均 质 混 合 气 的 形 成 是 实 现 对 HCCI 燃 烧 控 制的第一步, 也是很重要的一步。国际上采用的
柴油均质混合气形成方式包括:   进气道缸外喷
射、缸内早期喷射和晚期喷射。

HCCI 燃烧的控制
HCCI 燃烧中,   着火时刻和燃烧速率这两个 参数基本上由可燃混合物的化学动力学来控制。
根据近年来世界各国研究人员的试验研究结果, 可得出一些间接控制 HCCI 燃烧的方法, 大体上 可分为两类,   一 类 是 改 变 空 气 / 燃 料 的 混 合 特
性, 另一类是改变发动机的工作和设计参数。

4.国内研究现状
我国从 20 世纪 80 年代 末 就 开 始 研 究 含 有HCCI 燃烧概念的燃烧系统,   如上海交通大学的可控活性化预混合燃烧系统、EGRWS, 天津大学对 HCCI 燃烧也进行了研究。       
5。国外研究现状
理论研究
到目前为止, HCCI 研究还不完全, 理论研究 比试验研究和模拟分析研究要多一些。从 20 世纪 到 现 在 ,   含 有 HCCI 燃 烧 概 念 的 燃 烧 系 统 有
AR(  ATAC、RI)  燃 烧 系 统 、可 控 自 着 火(  CAI)燃烧系统、调谐动力(  MK)  燃烧系统、均匀松散 燃 烧 系 统 (  UNIBUS)  、 稀 薄 预 混 合 燃 烧
(  PREDIC)  系统、均质合理的多次喷射燃烧系统(  HiMICS)        和美国西南研究院的均质进气压缩 点火(  HCCI)  燃烧系统等。
(  1)  二冲程发动机
早在 20 世纪 30 年代, 人们就认识到均质混 合 气 压 缩 自 燃 的 燃 烧 方 式 在 汽 油 机 上 存 在 。1979 年 , Onishi 和 Nouchi 研 究 二 冲 程 发 动 机HCCI 燃烧。随后 Yoichi, Gentili 等仔细研究了利用内部 EGR 在二冲程发动机上实现 HCCI 的应 用。Norimasa 等人研究了代用燃料在二冲程发动 机上实施 HCCI 燃烧的状况。Lida 在 1994 年的实 验 表 明 ,   在 二 冲 程 发 动 机 上 用 甲 醇 作 燃 料 , HCCI 方式的工作范围可以明显扩展。Honda 公 司于 1997 年已展示了采用 HCCI 的二冲程发动 机, IPF 公司也开发了应用 HCCI 概念 的 二 冲 程 发动机。
(  2)  四冲程发动机
第 一 次 在 四 冲 程 汽 油 机 上 实 现 HCCI 燃 烧 模式见于 1983 年 Najt 的报道。1989 年 Thing 提 出 HCCI 这一描述此种燃烧过程的名词。Thring
首次采用了两种燃烧模式,   即在大负荷使用火花 点 火 方 式 ,   在 部 分 负 荷 采 用 HCCI 方 式 [3];1992 年 , Stockinger 等 人 首 次 在 实 用 的 1.6LVw发 动 机 上 研 究 HCCI; 1996 年 Ryan 和 Challahan用 可 变 压 缩 比 发 动 机 测 出 以 十 六 烷 值 为 47 的柴 油 为 燃 料 的 HCCI 的 运 行 范 围 ;
模拟计算研究
从近 20 年的发展历史来看, 具体技术措施的 研究走在模拟计算研究的前面。1983 年, Najt 和 Foster  在 Waukesha  Cooperative  Fuels  Research
(  CFR, 混合燃料研究)  机上用简单动力学模型计 算出了适当压缩比、高 EGR 与放热率的关系。近 两年用多区模型预测 HCCI 燃烧和排放;   空燃比 和温度分布对 HCCI 燃烧的影响模型; HCCI 燃烧的多维计算流体力学详细化学动力学模型等等。计算模型的建立归根到底是为了科学而又经济地 设计发动机。目前用化学动力学等模型与传统的计算流体软件如 KIVA 相结合对 HCCI 燃烧进行 了一些研究, 也使用了先进的湍流模型

6.HCCI 发动机存在的问题及对策
虽然 HCCI 技术受到了广泛的重视, 但在其 批量生产实用产品的路上还面临一些技术问题, HCCI 尚待解决的技术问题如下:
(  1)  着火时刻和燃烧速率的控制。HCCI 着 火过程主要受化学反应动力学控制, 着火时刻决定于混合气的成分、温度和压力, 只能间接控制
着火时刻和燃烧过程。目前是通过 EGR、VCR 和VVT 等技术解决。
(  2)  发动机冷起动。多种多样冷启动方案被 提出并研究, 例如, 使用预热器, 使用不同的燃料或是燃料添加剂, 增加压缩比, 使用可变压缩比
或可变气门正时等技术。有资料显示, 点燃是个 切实可行的办法。
(  3) 排放(  特别是低负荷 HC 和 CO 排放)  控
制系统的发展。使用 HCCI 发动机由于燃烧温度 低,   混合气混合均匀使 NOX 和 PM 排放很低。但 HC 排放较高, 需采用机外净化装置。但废气再循环
技术更受青睐。一般认为, 再循环废气有加热作用、 稀释作用、分层作用和化学性作用。
(  4)  发动机变工况运行。HCCI 燃烧几乎是 同时进行的, 大负荷时过快的燃烧速度会引起发动机的爆震燃烧; 低负荷时燃烧速度过慢会引起 火焰传播中断。研究表明, 通过分层燃烧可以有效地拓宽 HCCI 的运行工况范围, 采用两种不同 特性 的 燃 料 也 是 拓 宽 HCCI 运 行 工 况 范 围 和 控制着火时刻的重要途径之一。
(  5)  发动机控制策略和系统(闭环反馈系统) 的发展以及相应传感器的研制。研发快速反应控 制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏性。
(  6)  高负荷下功率输出不足。针对这个问题 有两种解决方案: 其一, 开发应用低十六烷值, 高能量密度的专用 HCCI 燃料, 能够同时满足动力 性、经济性和排放性的要求。但是, 还没有研究报道过类似这种理想的专用 HCCI 燃料。其二, 采 用 “双模式”HCCI 发动机,   即在部分负荷时采 用 HCCI 燃烧模式, 而在很高负荷及全负荷时采用传统柴油机的燃烧方式工作。
(  7)  合适燃料(  包括混合燃料)  的开发。
(  8)  多缸机各缸均匀性的保证。

4-HCCI 未来的发展
由上述的 HCCI 发动机存在的问题可知, 完 全意 义 的 HCCI 方 式 发 动 机 投 入 使 用 的 时 间 很 难预测,   对于即将在实车上的应用,   将会出现 “双重模式”发动机, 在起动和大负荷时使用点 燃或压燃,   在中低负荷时转换为 HCCI 方式, 使 发动机在中低负荷有良好的经济性和较低的排 放。即利用了低负荷下 HCCI 燃烧的优点和高负 荷下火花点燃式燃烧或传统的柴油机燃烧的优 点, 如图 4 所示。对于一些固定式或水下船用发 动机较多考虑使用完全意义的 HCCI 发动机; 对 于经常工作在部分负荷且排放要求较严的车辆 发动机来说, 采用两种燃烧模式比较现实, 在低 负荷和部分负荷时, 为了获得较好的经济性和排放采用 HCCI 方式工作; 在全负荷采用传统的点燃式或压燃式工作。