（车辆工程专业论文）基于可变控制技术的均质压燃（hcci）在汽油机上的实现.pdf

中文摘要 均质压燃( h c c i ) 是目前发动机领域的研究热点之一。均质压燃( h c c i ) 能 够使发动机同时保持较高的动力性能和燃油经济性，而且能有效降低发动机的 n o x 和p m 排放，是一种克服传统的汽油机和柴油机缺点、集二者优点于一体的 新的燃烧模式。它的另一个突出优点是对燃料的广泛适应性。 本文对h c c i 燃烧方式的特点及其当前研究进展进行了介绍，论述了制约和 影响h c c i 燃烧方式的各种因素，阐明了在汽油机上实施h c c i 的可行性，分析 了h c c i 发动机实用化所面i 临的关键问题，提出了可变控制技术解决方案，并且 采用可变压缩比方案、可变燃料特性、可变进气加热方案以及可变排气门关闭 时刻方案等在汽油机上实施了基于可变控制的h c c i 实验，为尽快在汽油机上实 施h c c i 燃烧方式指出了技术方向。 本文介绍的实验在个专用于h c c i 研究的单缸汽油发动机上进行，使用的 是两种最基本的燃料一一汽油和柴油，采用了两种中等的压缩比( 1 0 4 和1 5 ) 和两种h c c i 模式( 进气加热和负气门叠开) ，实验结果证实了将这两种特性不同 而又相互补充的燃料混合后能够达到一个折衷的h c c i 燃烧性能。 分析表明，对采用不同特性燃料以及综合利用可变控制技术方案对h c c i 燃 烧特性、性能参数和排放特性的影响的研究，是成功实现h c c i 应用的有效途径 和今后主要发展方向。 关键词：均质压燃；可变控制技术；混合燃料；进气加热；负气门叠r 丌 a b s t r a c t t h eh o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) c o m b u s t i o n m o d ei sb e c o m i n gah o tr e s e a r c hf o ri n t e r n a ic o m b u s t i o ne n g i n e s h c c lh a s a d v a n t a g e si nt e r m so fe f f i c i e n c ya n dr e d u c e de m i s s i o n ，w h i c hc a nn o to n l y e n s u r eb o t ht h eh i g hd y n a m i ca n de c o n o m i cq u a i l t yo ft h ee n g i n e 。 b u ta l s o e f f i c i e n t l yr e d u c et h en o xa n dp me m i s s i o n i ti san e wc o m b u s t i o nc o n c e p t w h i c hi n c o r p o r a t e st h eb e s tf e a t u r e sa n dd i s c a r d st h ed i s a d v a n t a g e so fb o t h t r a d i t i o n a ls p a r ki g n i t i o n ( s i ) g a s o l i n ee n g i n ea n dc o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( c i ) d i e s e le n g i n e a n o t h e rr e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i co fh c c ic o m b u s t i o ni st h e e ) ( t e n s i v ef l e x i b u i t yt om a n yk i n d s 州f u e l s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e n td e v e l o p m e n to fh c c i m o d e 。d i s c u s s e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dr e s e a r c hp r o g r e s sa b o u th c c l a n a l y z e sa n di i l u m i n a t e st h ef e a s i b i l i t yo fh c c it e c h n o l o g yi m p l e m e n to n g a s o l i n ee n g i n e s ，t h ep r o b l e m sf a c i n gt h ep r a c t i c a b i l i t yi n t h eh c c ie n g i n e d e v e l o p m e n t a n da l s ob r i n gf o r w a r dm a n yv a r i a b l ec o n t r o lt e c h n o l o g i e si n d e t a i l s t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne x p e r i m e n to nas p e c i a lg a s o l i n ee n g i n eu s i n g t h es c h e m e so fv a r i a b l ec o m p r e s s i o nr a t i o 。v a r i a b l er u e lc h a r a c t e r i s t i c s ， v a r i a b l ei n t a k ec h a r g et e m p e r a t u r ea n dv a r i a b l ee x h a u s tv a l v et i m i n g a n da t l a s ti ta l s oi n d i c a t e st h et e c h n o l o g yt r e n df o ra p p l y i n gh c c lt og a s o l i n e e n g i n e si nt h ef u t u r e t h ee x p e r i m e n td e s c r i b e di nt h i sp a p e rw a sc o n d u c t e do nag a s o l i n e e n g i n ew i t hs p e c i a is i n g l ec y l i n d e r 。m o d e r a t ec o m p r e s s i o nr a t i o s ( 10 4a n d15 ) a n du s i n gt w om o d e so fh c c lc o n t r o l ( i n t a k eh e a t i n ga n dn v 0 n e g a t i v e v a l v eo v e r l a p ) ) g a s o l i n ea n dd i e s e l ，t h et w ob a s i cf u e l sw i t hv e r yd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n dw i d ea v a i l a b i l i t yf o rc o n v e n t i o n a ie n g i n eu s e 。w e r e b l e n d e da st h eh c c le n g i n ef u e l t h er e s u l tc o n f i r mt h ee x p e c t a t i o nt h a t t h e s et w od i f f e r e n tf u e l sw i t ho p p o s i t eb u tc o m p l e m e n t a r yp r o p e r t i e sc a nb e u s e dt or e a c hag o o dc o m p r o m i s ei nh c c lc o m b u s t i o np e r f o r m a n c e t h ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h ei n v e s t i g a t i o n w h i c hf o c u so nt h ee f f e c t so f v a r i a b l ef u e l sw i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r sa n dc o o p e r a t ew i t h v a r i a b l ec o n t r o l t e c h n o l o g yo nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r s ，p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n d e m i s s i o n so fh c c i ，i sa ne f f e c t i v ew a yt oa p p l yh c c it ot h ep r o d u c te n g i n e a n dt h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o nt oa ns u c c e s si m p l e m e n to fh c c i k e yw o r d s ：h c c i ；v a r i a b l ec o n t r o lt e c h n o l o g y ；b l e n d e df u e i n t a k eh e a t i n g ；n e g a t i v ev a l v eo v e r l a p 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 内燃机是现代工业文明的产物，是一种将化学能转变为动能的能量转换机 械，有较高的燃烧热效率、动力性和可靠性，是目前世界上应用范围最广的热 机。它广泛应用于人类社会的各个领域，成为现代社会不可缺少的动力源，对 人类生活和社会发展起到了巨大的推动作用。预计在今后相当长的时间内，内 燃机将继续在交通运输领域中扮演重要角色。 自从1 8 7 6 年产生第一台四冲程内燃机以来，内燃机工业经过一百多年的发 展，带束了空前发展的汽车工业，但同时也带来了汽车排气污染、能源短缺等 急迫问题，并且汽车有害排放物对大气环境以及人类的身体健康所造成的危害 十分严重。 目前，随着人们对环境污染重视程度的日益提高，各国越来越重视环境保 护，各国排放法规日趋严格，低排放已经成为发动机进入市场的前提条件。为 满足严格的排放要求，研究人员在各个相关领域进行了大量的研究工作，取得 了一定进展。与此同时，出于经济性的考虑，人们对车辆的燃油经济性要求也 越来越高。能源匮乏和环境污染问题成为了当今世界各国所共同面临的两大难 题，作为汽车主要动力源的内燃机发展正面临着来自环境保护和能源短缺这两 大难题的挑战。 一方面，内燃机主要以石油为燃料，而石油燃料是一种无法短期再生的资 源，对目前己探明的世界石油储存量的统计分析显示，按照现在的开采速率， 再过三、四十年地球上的石油资源将会逐渐枯竭。内燃机消耗了大量不可再生 的石油燃料，而能源问题可以更深远的影响到个国家的安危，这使得全球范 围内的能源危机问题日益突出，因此从长远看，燃料短缺将成为发展内燃机工 业必须面对的主要问题之一，我们必须清醒认识到石油资源的危机和节约能源 的紧迫。 另一方面，内燃机向大气中排出大量的废气，其中含有许多危害人类健康 的有害成分，包括氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、微粒 ( p m ) ，还有醛类和苯等，这些有害成分对人们的身体健康造成极大的危害，也 造成r 益严重的环境污染，在世界一些大城市，汽车所造成的污染已经到了令 人无法容忍的程度。有关资料显示，在工业化国家中，汽车尾气以成为大气污 染的主要污染源，公众对环境保护的呼声越来越高，环境保护己不再是一个国 家、一个地区的局部问题，而是全球性战略问题。 武汉理工大学硕士学位论文 均质充量压缩燃烧( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n c o m b u s t i o l l ，h c c i ，简称为“均质压燃”) 作为一种新型燃烧方式，综合了火花 点火和压缩着火两种传统燃烧模式的优点，将均匀的稀混合气通过压缩引燃， 有效地解决传统燃烧方式下燃油消耗与p m 与n o x 排放不能兼顾的问题，是一种 极具潜力的内燃机燃烧模式，成为目前发动机领域的一个研究热点。 1 2h c c i 的提出 根据内燃机所使用基本燃料( 汽油和柴油) 特性的不同，传统的内燃机被逐 渐地发展成了火花点燃式( s i ，一般指汽油机) 和压燃式( c i ，一般指柴油机) 两 大类型。 汽油是高辛烷值燃料，有高的挥发性和低的着火性。汽油机燃烧是基于奥 托循环的火花点火式燃烧，其工作是借助火花塞点燃预混合均质混合气燃烧而 做功。汽油作为内燃机燃料的主要问题是爆燃，这使得汽油机必须采用在小压 缩比( 8 1 0 ) 下进行点燃( s i ) 的工作方式，低的压缩比会导致低的热效率，而且 也会导致高的燃烧温度和高的n o x 排放。另外，汽油机油气混合物的可燃范围 很狭窄。因此，在部分负荷时为了保持空燃比不变，需要用节气门控制进气 量，部分负荷时的泵气损失使机械效率降低。这些因素共同使得汽油机效率比 柴油机的低得多，燃料利用率也比柴油机低3 0 左右，这就是传统汽油机难以 克服的燃料利用率极限。 柴油是高十六烷值燃料，有较高的着火性和低的挥发性，与汽油相比更容 易自燃而且有较好的抗爆性，这使得柴油机能够在较大的压缩比( 1 6 2 2 ) 下进 行压燃( c i ) 。柴油机燃烧是基于狄塞尔循环的压缩着火式燃烧，其工作是依靠 在接近压缩冲程终点时的高温，使燃料喷雾形成的混合气自燃着火，扩散燃烧 而做功。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合严重不均匀，形 成了局部的高温火焰区和高温过浓区。柴油机的燃烧过程是由局部当量比为l 的扩散燃烧所控制，尽管柴油机燃烧室内气体平均温度大约在1 2 0 0 k 2 0 0 0 k ， 但是其燃烧过程中，局部火焰温度可高达2 7 0 0 k ，局部高温火焰极易导至n o x 的生成。而在高温过浓区，由于缺乏0 2 又将生成大量p m 。非均质燃烧的固有特 性使柴油机存在p m 和n o x 排放的最低极限。然而，因为柴油机的压缩比较高， 使得它的热效率也较高。 火花点火式燃烧则由于压缩l e d , 、有进气节流等特点使锝其燃油消耗较 高。压燃式燃烧受扩散燃烧过程控制，燃烧室内局部高温和存在浓混合气是产 生p m 和n o x 的主要原因。两者都存在着温度分布和燃烧过程不均匀的特点，使 得有害气体排放难以控制。 对汽油机产生的大量c 0 、h c 、n o x 和不完全燃烧物排放，虽然可以使用三 一2 武汉理工大学硕士学位论文 元催化技术来处理消除，但存在着成本高和作用范围小的问题。但由于汽油机 的预混合燃烧方式，从而使燃烧充分，其具有内在的低p m 排放的优点。对于柴 油机的排放控制问题，因为其n o x 排放的控制和p m 排放控制是相互矛盾的，因 此，如果不采用后处理系统。要同时减少或消除这两种排放物是当前难以克服 的问题。 2 0 世纪8 0 年代以来，环境保护和经济发展逐渐受到人们的关注。特别是 日益严格的排放法规，对现有内燃机技术提出了更为严峻的挑战。 为了满足日益增长的用户使用要求，有必要对内燃机的动力性、可靠性和 寿命、比质量等要求作不断改进；为了满足日益严格的排放法规的要求，应使 内燃机的有害气体摊放和噪声污染不断降低；为了满足社会对石油能源的保护 和提高用户的经济效益，还需进一步改善内燃机的燃油经济性。这些因素促进 了柴油机的电控高压共轨喷射和预喷射、汽油机的分层稀薄燃烧和缸内直喷、 增压中冷、多气门、废气再循环( e g r ) 、废气催化转化、提高喷油压力以及排放 后处理技术等内燃机新技术的诞生和发展。然而，这些新技术虽然大大降低了 汽车尾气排放，节约了能源，但由于全球汽车保有量的不断增加，以及传统内 燃机燃烧方式本身的限制，内燃机排放污染和能源消耗依然是内燃机的主要问 题。目前，各国的排放标准仍然在逐步提高，此外，石油资源的同益减少也要 求发展高热效率的燃烧技术。 大量的基础研究结果证明，传统火花点燃式内燃机和压燃式内燃机，分别 在进一步提高燃料利用率和降低有害排放物生成方面已经达到了极限。 因此，为突破传统内燃机排放和经济性的极限，开发一种新的燃烧技术来 取代它们，成为世界各发达国家努力的方向。近几年来国际内燃机界广泛开展 了内燃机新燃烧技术的研究，其中均质压燃( h c c i ) 技术以其在内燃机节能和降 低排放方面的巨大潜力而引起全世界内燃机界的广泛关注，被认为是发动机燃 烧技术的一个重大进步。 均质压燃的概念出现在上世纪7 0 年代。由于当时控制技术的限制，并没有 引起足够的重视。进入上世纪9 0 年代后期，发动机排放法规的日益严格和对发 动机经济性的要求越来越高。随着发动机控制技术的发展，h c c i 燃烧技术在内 燃机节能和降低排放方面的潜力引起了内燃机界的高度关注，美国、欧洲和只 木的一些研究机构和企业都大力丌展这一领域研究工作。 自从h c c i 潜在的特点被认识到和证实以来，研究者们已经做了大量的工 作，期望依靠预混合形成的均匀混合气和低温燃烧的较低缸内温度来同时降低 p m 和n o x 排放，研究领域扩展到了h c c i 的各个方面，正逐渐地呈现出节能与 净化的光明前景。 - 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3h c c i 发动机的发展概况 迄今为止，采用h c c i 燃烧方式的发动机的发展只有短短的2 0 几年的历 史，目前还属于一种比较新的燃烧方式，具有广泛的应用和发展空间。 h c c i 作为第三种燃烧概念，早在1 9 7 9 年时由o n i s h i 提出。当时o n is h i 等人在二冲程发动机上进行h c c i 的研究，发现低负荷工况下，在1 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 的转速范围内，h c c i 方式比传统的工作方式有更好的工作稳定性， 燃油经济性和排放也都有显著的改进，当时他们称之为活化热氛围燃烧( a c t i v e t h e r m o a t m o s p h e r ec o m b u t i o n ，a t a c ) 。 1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r 在w a u k e s h ac o o p e r a t i v ef u e l sr e s e a r c h ( c f r ) 机上用简单动力学模型计算出了适当压缩比、废气再循环( e g r ) 与放热率的关 系，验证了h c c i 可以在四冲程发动机上实现。1 9 8 9 年，t h r i n g 首次采用两种 燃烧模式( u p 在大负荷使用火花点火方式，在部分负荷采用h c c i 方式) 在特定的 发动机上测出了允许的运行参数，并提出h c c i 这一描述此种燃烧过程的名词； r y a n 和c h a l l a h a n 继续了这项工作。 上世纪9 0 年代初，美国西南研究所( s o u t h w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ， s w r i ) 最先在柴油机上开展预混稀燃压燃的研究，并提出了用h o m o g e n e o u s c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) 来命名该种燃烧方式，他们利用类似于汽 油机的进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入迸气管中，并且采用电子迸气加 热和e g r 。实验中预混的稀混合气经压缩后多点着火，消除了扩散燃烧，同时 稀混合气降低火焰温度，可使n o x 排放比普通柴油机减少了9 8 ，而且气缸内 不存在局部混合气过浓区，从而可使p m 的排放减少2 7 ，指示热效率也有所 改善。 l i d a 在1 9 9 4 年的实验表明，在二冲程发动机上用甲醇作燃料，h c c i 方式 的工作范围可以明显扩展。1 9 9 6 年r y a n 和c a l l a b a n 采用可变压缩比发动机测 出以十六烷值为4 7 的柴油为燃料的h c c i 的运行范围，他们发现可以用压缩 比、e g r 率和当量比等来控制燃烧，同时，还发现燃用柴油时不能采用太高压 缩比。1 9 9 7 年n a k a g o m e 等人在直喷柴油机上用早喷的方式达到了低n o x 的 h c c i 效果。1 9 9 7 年，c h r i s t e n s e n 、j o h a n s s o n 等人采用异辛烷( 辛烷值1 0 0 ) 、 酒精( 辛烷值1 0 7 ) 和天然气( 辛烷值1 2 0 ) 等三种燃料进行h c c i 实验，结果表明 高的辛烷值对于h c c i 方式是有益的。h o n d a 公司于1 9 9 7 年也展示了采用h c c i 概念的二冲程发动机，i p f 公司也开发了应用h c c i 概念的二冲程发动机。1 9 9 8 年，c h r is t e n s e n ，j o h a n s s o n ，a m n e u s 和m a u s e 的研究结果表明，通过增压可 增加采用h c c i 燃烧方式工作发动机的平均有效压力。1 9 9 9 年，c h r i s t e n s e n 等 人的实验证明了几乎所有的液体燃料都能够用于呵变控制的h c c i 方式之中。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，美国圣地亚国家重点实验室的研究者们成功地在四冲程发动机上进行 了h c c i 实验，通过高e g r 水平大大降低了h c 和c o 排放。 由于研究者们意识到h c c t 在解决n o x 和p m 排放方面的巨大潜力，近两年 对于h c c i 燃烧特点研究更多，具体体现在如下方面：研究多种液体燃料 c c i 的燃烧特点；用多区模型预测h c c i 燃烧和排放；空燃比和温度分布对h c c i 燃 烧的影响；h c c i 燃烧的多维计算流体力学详细化学动力学模型和实验等等。 1 4 课题意义及主要内容及研究意义 目前，能源和环保是今后人类发展中的两大问题。提高内燃机的燃料利用 率，降低有害排放，开发符合我国资源和环境特色的石油替代燃料，是节约石 油资源、缓解能源压力、确保国家能源利用及保护环境的大事，是我国国民经 济和社会发展的重大需求。 均质压燃是近来在国际上比较流行的一种新型燃烧方式，有着较高的热效 率、极低的n o x 及微粒排放的广泛的燃油适应性的优点，应用前景乐观。但 h c c i 着火燃烧过程主要受燃料与空气反应的化学动力学所控制，其控制着火及 燃烧过程只能通过间接方法进行，所以着火时刻控制是h c c i 面l | 缶的主要困难之 一。另外由于受敲缸和失火的影响，h c c i 燃烧的运行工况范围相对较窄，因 而，扩大其运行工况范围也是所面临的一个主要问题。 传统发动机的结构和燃烧方式决定了柴油机的适用燃料是高十六烷值的柴 油，汽油机的适用燃料是高辛烷值的汽油。h c c i 燃烧具有很大的燃料适应性， 可以燃用高辛烷值燃料( 如汽油、天然气和丙烷等) 或高十六烷值燃料( 如柴油和 二甲基醚等) ，但也存在适用条件的限制。当其燃用高辛烷值燃料时，则需要一 些补偿条件，如进气加热、废气再循环( e a r ) 或提高压缩比等，才能实现高辛烷 值燃料的h c c i 燃烧。而燃用高十六烷值燃料时，由于燃料粘度大，难以蒸发， 需要较高的燃料喷射压力和较高的进气温度或其他措施来形成均匀的混合气。 此外，当混合气浓度较高，燃烧反应速率过快发动机发生爆燃时，要求使用外 部e g r 或其他措施来降低燃烧反应速率才能使h c c i 燃烧顺利进行。 因此，研究不同特性的燃料对h c c i 的影响，以寻找适合h c c i 运行的特性 燃料也是一个具有重要意义的研究课题。现有的研究结果也表明，采用双多燃 料方式是解决上述技术难题的重要技术措施之一，发动机燃用高十六烷值燃料 和高辛烷值燃料，通过控青4 两多种燃料的比例，来有效实现对h c c i 燃烧反应 速率、发动机运行工况范围及燃烧反应着火时刻的控制。 综上所述，研究由高、低十六烷值燃料混合而成的不同特性的燃料以及刁i 同可变控制策略对h c c i 发动机燃烧特性、性能参数和排放特性的影响，是寻找 适合h c c ij f ：作的特性燃料和合适的i i c c i 燃烧控制策略的有效途径。 - 5 一 武汉理工大学硕士学位论文 本文所涉及的实验研究部分是由英国伯明翰大学联合j a g u a rc a r s 公司和 j o h n s o nm a t t h e y 公司负责实施的c h a s e ( 受控均质压燃增压发动机) 项目的部 分，本文作者参与了后期的实验结果分析与整理工作。该研究目的是通过采用 高十六烷值燃料柴油和高辛烷值燃料汽油组合成混合燃料模式，并结合采用变 压缩比、进气加热、负气门叠开等可变控制技术方案，来控制着火燃烧时刻和 燃烧反应速率，期望混合燃料的着火性能得到改善，爆燃能得到有效的抑制， 燃烧的着火时刻和燃烧反应速率得到控制控制，使发动机在较大的工况范围内 实现稳定的h c c i 燃烧。同时，也探索了燃料特性以及可变控制技术方案对 h c c i 运行工况范围和排放特性的影响，为改善h c c i 发动机过高的h c 和c o 排 放提供参考依据。 本文分析了汽油机实施h c c i 的可行性，介绍了f f c c i 发动机实用化所面临 的问题，采用可变压缩比( v c r ) 方案、可变混合燃料、可变进气温度以及可变气 门正时方案等方案进行实验，并为尽快在汽油机上实施h c c i 燃烧方式指出了技 术方向。 武汉理t 大学硕十学位论文 第二章h c c i 燃烧方式及其特点 h c c i 燃烧是一种新的内燃机燃烧方式，它既不同于传统汽油机的火花点 火、火焰传播燃烧方式，也不同于传统柴油机的燃油喷射、扩散燃烧方式。在 h c c 燃烧过程中，空气与燃料预混合形成较稀薄的均匀混合气，在活塞压缩到 上l = 点附近时，依靠混合气的自燃，实现缸内混合气的着火燃烧。由于h c c i 发 动机燃烧的是稀薄均匀混合气，燃烧过程既不存在高温区，也无局部缺氧区， 因而有效地抑制了发动机缸内燃烧过程中n o x 和p m 排放的产生。 h c c i 燃烧方式在理论上可以达到全部混合气同时着火，燃烧放热速率快， 缸内循环的定容度高，因而具有较高的热效率。但h c c i 主要受化学反应动力学 控制，很难在全部转速和负荷下控制着火时间和相位，目前取得性能优越、运 行稳定、排放减少的h c c i 燃烧的研究主要集中在较窄的中低负荷范围内。 2 1h c c i 燃烧方式 2 1 1h c c l 燃烧方式 均质充量压缩燃烧( h c c l ) 指的是在进气过程中，将大量燃料和稀释物( 空 气、排放废气、水等) 预先混合形成均质混合气，当活塞运行到压缩到上止点附 近时，均质被压缩自燃着火、燃烧做功的一种发动机工作过程。图2 一l 描述的 是h c c i 燃烧的一般工作过程。 进气并压缩混合气开始点燃 燃烧做功排气 图2 - 1h c c i 燃烧的一般工作过程 - 7 - 武汉理i 大学硕士学何论文 h c c i 发动机利用的是均质混合气，可通过提高压缩比、采用废气再循环、 进气加温和增压等多种控制手段来提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气 压缩自燃，在缸内形成多点火核，减少了火焰传播距离和燃烧持续期，有效维 持了着火燃烧的稳定性。 h c c i 燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀混燃烧不问步的缺点，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缸内直 喷汽油机分层稀薄燃烧的第4 种燃烧方式。 2 1 2h c c f 与传统燃烧方式的比较 传统内燃机根据着火方式的不同，可以分为火花点火式发动机( s i ，一般指 汽油机) 和压缩着火式发动机( c i ，一般指柴油机) 。虽然在提高输出功率和热效 率以及降低排放方面的内燃机技术都得到很大发展，但是，这两种目前已经发 展成熟完善的内燃机都存在很大程度上的无法逾越的局限性。 传统的火花点火式燃烧是典型的预混合燃烧，其燃烧过程遵循奥托循环。 由于气缸内部的气流速率的变动、空燃比以及空气、燃料、废气混合情况的变 动，其燃烧过程可控制性差，只能通过组织缸内气流运动来对燃烧过程进行轻 微的改变。而且由于点火时，火花塞附近的混和物组成和气流状况对火焰核的 形成有很大影响，因而造成发动机循环变动较大。 火花点火发动机工作时，在温度和压力都合适的条件下，如果在燃料完全 燃烧之前有足够的时间，终端的混合气就会自燃，从而在多点几乎同时发生爆 燃，导致缸内压力迅速上升。如果持续下去，严重的爆燃会导致发动机结构的 破坏，降低其使用寿命。降低终端混合气的温度和压力可以避免爆燃的发生， 比较有效的办法就是控制压缩比。控制火花点火发动机爆燃的其它技术包括： 改变气缸的儿何形状；提高燃料的辛烷值；改变工作运行参数。 另外。传统s i 发动机许用的压缩比相对较低，采用节气门来控制进气量， 在部分负荷时，由于节气门没有全开，增加了进气阻力，使发动机泵气损失增 加，从而使发动机的效率降低，并且也使得其燃油消耗较高，其经济性比压燃 式发动机低3 0 左右。s i 发动机的燃料利用率比柴油机低很多，这就是传统的 s i 发动机难以克服的燃料利用率低的缺点。 在火花点火式( 主要是指汽油机) 发动机中，均质混合气被火花塞点燃，火 焰前锋在均质混合气中由内向外传播，火焰前锋及其燃烧产物的局部温度远远 高于其他未燃混合气，燃烧过程和温度分布极不均匀，局部的高温容易导致已 燃区内容易产生n o x 。另外，火花点火发动机的排放性能( 特别是h c 和c o 排放) 也不好。虽然通过三元催化处理可以有效改善其排放性能，但会出现油耗增加 的现象，也由于存在提高辛烷值的困难，还会造成更多的c 0 。排放。 8 武汉理= 大学硕士学位论文 由于传统汽油机采用均质混合气燃烧，燃料与空气预先混合均匀，均质混 合气被喷入气缸后在压缩上止点被火花塞点燃，其燃烧完善，使得在燃烧过程 中能够避免p m 的形成。 传统的压缩点火燃烧是基于狄塞尔循环，其采用高压缩比、压燃式工作， 空燃比较大，燃油消耗率较低，可以承受较大的输出功率，发动机循环变动 小，燃烧过程相对火花点火燃烧来说也较为平稳。压缩着火式燃烧不需用节气 门，泵气损失小，其部分负荷燃油经济性优于汽油机。与汽油机相比，柴油机 具有较高的热效率和较好的燃油经济性，以及更低的 l c 和c o 排放。 压燃式内燃机( 主要是指柴油机) 是缸内形成混合气，采用喷雾扩散燃烧方 式，燃料在压缩末期以高压状态喷入气缸，与空气迅速混合发生自燃。压燃式 燃烧的化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由可燃混 合气的扩散速率决定。 由于压燃式( c i ) 发动机进行柴油喷射，形成的是非均匀的混合气，燃烧过 程受到燃料空气混合过程( 湍流扩散) 的控制，是扩散燃烧过程，燃烧温度分布 也极不均匀，扩散火焰外围的高温区容易产生n o x ，内部高温缺晓的浓燃烧区 产生p m 和微粒排放。 传统柴油机的排放存在一个难题：无法同时有效降低n o x 和p m 排放。因为 n o x 生成的主要机理是高温富氧，为减少n o x 排放而采取的降低燃烧温度的措 旌，往往会减少p m 的氧化，导致p m 排放恶化，这是以扩散燃烧为主的传统柴 油机所无法避免的。 在压燃式发动机上，现在人们主要是通过提高喷油压力的方法来改善喷雾 和混合气的质量，改善燃烧过程，减少p m 排放，但c i 发动机的喷射系统对降 低n o x 和蹦排放的潜力己经趋近饱和状态。e g r ( 废气再循环) 可用来降低 n o x ，但又会因缺氧而增加p m 的产生。 h c c i 燃烧模式是在进气及压缩过程中，燃油与空气预先混合形成均质混合 气，在压缩冲程活塞接近上止点的时刻，被压缩的缸内混合气同时自动着火燃 烧。其既有传统汽油机的混合气均质混合，又有传统柴油机的压燃式工作，可 以看作是两种传统燃烧方式的综合，实验证明这种燃烧方式具有较高热效率、 低n o x 和p m 排放等优点，可以同时实现降低排放和达到高热效率的目的。 t l c c i 发动机综合了传统发动机的优点，同时避免它们的缺陷。与传统的火 花点火发动机相比，h c c i 方式采用均匀的空气与燃料混合气，但用压燃代替火 花塞点火；与传统的柴油机相比，h c c i 方式采用压燃着火，但混合气充量是均 质的。h c c i 发动机为预混合均质压缩点火燃烧，其燃烧由化学动力学控制，无 明显的火焰前锋，燃烧温度较低，是一种从优化燃烧的角度来降低n o x 和p m 排 9v 武汉理工大学硕士学位论文 放的新型燃烧理论与技术。通过图2 2 可以看出h c c i 发动机与传统汽油机及柴 油机工作机理的相似和区别。 压燃发动机( 柴油机)点火发动机( 汽油机)均质压燃发动机 图2 2三种燃烧方式之间的比较 将3 种燃烧方式的发动机进行了比较。如表2 - 1 所示。 表2 - 1 三种燃烧方式发动机的比较 比较内容点燃式s i 发动机压燃式c i 发动机h c c i 发动机 燃料汽油等柴油、乙醇、天然气均可，范围更广 过量空气系数i 左右6 2 2 范围更，“ 混合气形成喷射、均质喷射、非均质浓稀均质 着火方式点燃、着火时刻可控压燃、着火时刻可控压燃、着火时刻可控 燃烧方式预混燃烧、火焰传播扩散燃烧为主同时着火燃烧 火焰有有无明显火焰前峰 燃烧温度高温 局部高温、分布不均 相对低温 理论循环等容加热混合加热等容加热 热效率 低 高离 燃油经济性著 好妤 n o x 排放高高 低 h c 排放高低高 c o 排放 高 低高 p m 排放低高 低 1 0 ， 武汉理t 人学硕士学位论文 2 2h c c l 燃烧的特点 2 2 1h c c l 燃烧方式综合了传统燃烧方式的优点 h c c i 综合了点燃s i 发动机( 油气预先混合，低p m 排放) 和压燃cr 发动机 ( 减少节流损失，高热效率) 的优点，实现预混均质充量的压燃，是稀薄燃烧的 过程，燃烧反应迅速，燃烧温度低且温度分布较均匀，不受燃油和氧化物分离 面处混合比的限制，也没有燃烧的局部高温反应区，只生成很少的n o x 和p m 。 传统柴油机喷射形成非均匀的混合气，燃烧温度高产生n o x 排放物，局部 缺氧造成p m 排放。传统汽油机采用均质混合气燃烧，燃料与空气混合均匀，燃 烧完善，通常不产生p m 微粒，但节气门使部分负葡时泵气损失大，热效率低， 燃油经济性差。 h c c i 发动机采用均质混合气，将空气和燃油在h c c i 发动机的进气系统中 预先混合，形成均质的空气燃油混合气，然后吸人气缸，当压缩到上止点附近 时，均质混合气自燃着火，燃烧在多点同步发生而且没有明显火焰前锋。 由于均质混合气是压缩自燃的，e c c i 燃烧是在整个气缸内同时进行的，可 以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气，因此可按照变质调节的 方式，直接通过调节喷油量来调节输出转矩而不需要节气门。另外，h c c i 发动 机采用压缩点燃，在压缩冲程中，混合气的温度升高，达到自燃温度而自燃， 不需要任何点火系统。可采用相对较高的压缩比( 比火花点燃式发动机高得 多) ，并且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 2 2 2h c c i 燃烧过程主要受燃烧化学动力学控制 h c c i 燃烧方式能够成为受人重视的一种新的燃烧方式，是与其燃烧特性密 切相关的。 与火花点火的燃烧方式不同，h c c 的燃烧没有可辨识的火焰前锋面，也缺 乏局部高温反应区。传统柴油机在着火时燃油还没有完全蒸发混合，进行的是 扩散燃烧方式，燃烧速率主要受燃油蒸发及与空气混合速率的影响。 在h c c i 燃烧中，混合气在着火以前已经均匀混合，进行的是预混燃烧模 式，它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关。h c c i 使用的是均质燃油 空气混合气，从而保证了反应物的成分和热动力学条件在反应过程中保持理论 上的一致，实际的油气混合物也同时具有成分上的和热动力学的内在均质性。 h c c i 燃烧的着火燃烧过程是受多种化学动力学因素支配的，这些因素进而 又受流体静力学和热力学状态历程的影响。普遍认为，温度一压力的时间历 程、压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性、0 。浓度、不同的燃 油含量和燃烧产物和残余废气量等诸多因素共同影响着发动机燃烧，r 始的方 武汉理工大学硕士学位论文 式。因此，h c c i 燃烧具有非常小的循环偏差，而且不存在火焰传播过程。 通过活塞的压缩，使h c c i 燃烧过程能够在接近上止点附近时进行，其燃烧 过程主要通过温度、压力和燃油空气混合气的成分来调节和控制，这就比传统 汽油机的点火f 时控制和柴油机的喷油正时控制要困难得多。另方面，h c c i 燃烧几乎是同步进行，在大负荷工况，过快的燃烧反应速率会产生过大的燃烧 峰值压力，引起发动机爆燃，导致机械负荷和热负荷过大而造成损坏，同时也 使n o x 排放增加，使发动机噪声加大。所以，控制h c c i 发动机着火正时和燃烧 反应速率，进而扩展h c c i 运行工况范围是h c c i 发动机需要解决的重要问题。 大多数燃料h c c i 燃烧的放热过程表现出特别的两个阶段，即放热曲线有两 个峰值，如图2 3 所示。第一阶段( 放热曲线上较小的峰值) 是预放热阶段，第 二阶段( 放热曲线上较大的峰值，主放热阶段) 是主燃烧期，预放热阶段是主放 热阶段的焰前反应。在h c c i 燃烧中，焰前反应放出的热量加热了余下的充量， 同时余下的充量继续被压缩。在一个短的时间延迟之后，余下的充量基本达到 着火条件，主燃烧期燃烧是多点同时进行的，几乎同时着火，混合气迅速燃烧 且没有可见火焰传播，放热率迅速升高，表现在放热曲线上出现大的峰值。一 般认为h c c i 的完全燃烧主要由化学动力学控制，没有一般燃烧中的流动，局部 仍然存在不均匀物质，从而有局部波动现象。可见，h c c i 的燃烧速率较快，燃 烧始点和放热率对压缩过程中充量的温度、压力等很敏感，控制比较困难。 7 5 9 01 0 5 1 2 01 3 51 5 01 6 5 1 8 0 曲轴转角( a ) 图2 - 3h c c i 的一般放热过程 、1 2 - 0 o o o 0 o o o h n m 8 6 4 2 lv2rj锝荣辎 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 热效率 h c c i 燃烧的另一特征是高的热量释放率。当适当调整与发动机循环相关的 燃烧相位时，在一定的工况下可以接近理想的奥托循环。与传统柴油机相比， h c c i 放热率曲线的峰值相位有所提前，而且这种分布式的低温反应和无火焰的 燃烧反应减少了对气缸周围壁面的散热，减少发动机的热量损失，因此h c c i 有 较高的热效率。 因为h c c i 发动机工作时，全部的均匀混合气被压缩后，同时在多点着火， 燃烧过程是同步的均匀放热过程，因此，h c c i 的着火对缸内流体性质的变化不 敏感，仅有较小的循环变动。 由于h c c i 不是由火花点火，也不受火焰层物理性质的影响，所以可采用更 稀的可燃混合气。研究表明，稀混合气更适合于h c c i 燃烧，因为稀混合气可以 限制化学反应速率，避免了爆燃的发生，所以，可以采用较高压缩比来提高热 效率。另外，由于稀混合气燃烧温度低，燃烧产物的离解损失减小，降低了与 气缸壁面的传热，也使热效率得以提高。 由于h c c i 发动机采用压缩自燃，可以大大地提高压缩比，从而提高其燃烧 效率。另外，压缩点火方式避免了s i 发动机的节流损失，其热效率与s i 相比 更显优势。c h r i s t e n s e n 在1 9 9 7 年曾以汽油为燃料分别在h c c i 发动机上( 压缩 比为2 1 ：1 ) 和火花点火发动机上( 压缩比为1 2 ：1 ) 进行了实验，结果表明，h c c i 发动机的热效率比火花点火发动机要高2 3 ，甚至超过了直喷式柴油机。 2 。2 。4 运行范匿 目前，采用h c c i 方式运行的发动机受到失火( 混合气过稀) 和敲缸( 混合气 过浓) 的限制，运行工况范围受到一定程度的限制，发动机运行范围比较窄。对 于高十六烷值燃料，由于h c c i 发动机燃烧非常迅速，在高负荷工况下，混合气 浓度较大，易发生爆燃；对于高辛烷值的燃料，由于h c c i 燃烧为稀薄燃烧，在 小负荷工况下发动机容易失火。 失火一般用着火始点和最高燃烧压力的急剧变动和输出功率的迅速下降来 判别。而爆燃极限则通过气缸压力开始出现高频率的波动来界定。目前h c c i 方 式在发动机上主要应用在中低负荷工况。所以，这就是采用h c c i 燃烧方式发动 机都采用双模式的原因。 2 3h c c i 发动机的性能优越性 h c c i 发动机是内燃发动机的一种新型燃烧方式，它综合了传统的点燃式发 动机( s i ) 和压燃式发动机( c i ) 的优点，可以同时保持较高的动力性和燃油经济 性，可以同时使n o x 和p m 排放得到明显的降低。 一3 一 武汉理l ：人学硕十学位论文 t c e i 的另一个突出优点就是