均质混合气压燃烧技术.doc

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）均质混合气压燃烧技术： HCCI发动机和传统的汽油发动机一样，都是向汽缸里面注入比例非常均匀的空气和燃料混合气。传统的汽油发动机通过火花塞打火，点燃空气和燃料混合气产生能量。但HCCI发动机则不同，它的点火过程同柴油发动机相类似，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。 HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。这项技术在90年代初已经被提出并开始实验，但是当时电子控制技术没有现在成熟，所以这项技术直到现在才被大众所知。优点装备HCCI技术的发动机的技术结构比一般发动机要复杂(相比那些“经典”发动机)，当汽油机的压缩冲程快结束时，汽油通过直喷油咀喷进汽缸，HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高，所以喷出的小油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布，这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃，所有的燃料都在同一时间点燃，所以提高了燃油的使用效率（传统的汽油和柴油机都是非均匀的扩散式燃烧，在扩散的同时浪费了部分的能量）而且由于它采用压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。HCCI发动机的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。而且它采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。但也有人试图用柴油作为HCCI燃料，效果远不及汽油，为什么呢？因为汽油有较高的挥发性，能够在汽缸内尽快与空气混合形成均匀的油气混合气，而柴油沸点高，与空气较难混合均匀。缺点那HCCI技术那么好，为什么还不马上推广大量是用呢？原来现在的HCCI技术还有一些技术难关。 一在然烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，汽缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制，所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。 二由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须降低混合气的空燃比（低于传统的14.7：1），这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。 三也就由于刚才我们讲到的HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多，所以，在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统，这就间接要求了发动机的压缩比可变，在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。 所以就现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。 实际运用在HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiseOtto 1.8T直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后，输出功率达到238hp，最大扭矩达到400实际运用 全就是一台3.5L V6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧化碳排放仅127g/100km。采用HCCI技术的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油机的油耗也仅为4.3L/100km，比常规技术降低15以上。相信随着技术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份贡献。HCCI及其重要意义 HCCI是英文“Homogeneous Charge Compression Ignition”的缩写，中文意思是“均质充量压缩点燃”。单从名称来看，似乎只是一种点燃方式。实际上，这是一种全新的内燃机燃烧概念，既不同于柴油机（非均质充量压缩点燃），又不同于汽油机（均质充量火花点燃），是一种火花点燃式发动机和压缩点燃式发动机概念的混合体。其特点是： 1 采用均质混合气。空气和燃油在HCCI发动机的进气系统中预混合，形成均质的空气/燃油混合气，然后吸入气缸进行压缩。也有燃油直接喷入气缸、在气缸内与空气进行预混合的。 2 采用压缩点燃。在压缩冲程中，混合气温度升高，达到自燃温度而自燃；也就是说，不需要任何点火系统。 3 采用比火花点燃式发动机高得多的压缩比，且允许压缩比在一个广阔的范围内变动。 4 为了使均质混合气能够通过压缩而点燃，必要时需对吸入空气进行加热。 5 由于压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。 6 既然均质混合气是自燃的，所以燃烧大体上是整个气缸内同时开始的。可以采用过量空气或者残余废气达到高度稀释的混合气。 7 HCCI发动机采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。也有人试图用柴油作为HCCI燃料，但效果远不及汽油。 将压缩点燃式发动机改装成HCCI的主要目的是减少氮氧化物和微粒物排放。将火花点燃式发动机改装成HCCI的目的是减少部分负荷时的燃油消耗，就是减少泵气损失。 美国环保署最近提出了一个将重型车辆的排放相对于目前水平降低95%的庞大计划，建议排放限值为0.20g/bhphr的氮氧化物和0.01g/bhphr的微粒物。专家普遍认为，为了达到如此之低的排放水平，必须将低排放的燃烧系统和先进的尾气后处理设备结合起来。但采用尾气后处理设备并不意味着不再需要改善缸内燃烧过程，恰恰相反，为了达到未来的排放标准，燃烧过程的进一步改善是至关重要的。HCCI正可以担当这一任务。 如果是柴油机改装成HCCI发动机，就要将高压喷油设备改换成低压的汽油喷射设备，喷油地点也要从缸内喷射改成进气口喷射（也有缸内直接喷射的HCCI发动机）；如果是汽油机改装成HCCI发动机，就要提高压缩比，并且保持节气门敞开，可以将点火系统拆除。 HCCI的燃烧机理 HCCI燃烧的能量释放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，燃烧的引发受化学动力学的控制，因为缸内的混合气受到压缩，温度和压力上升。温度和压力的时间历程、压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性和残余废气量，连同O2的浓度、不同的燃油含量和燃烧产物，共同支配着燃烧开始的方式。因此，HCCI燃烧具有非常小的循环偏差，而且不存在火焰传播过程。 为了获得HCCI燃烧，要考虑各种不同的参数。压缩冲程结束时的缸内温度和压力、燃油的自燃特性和残余废气量都会影响HCCI的点燃过程。与火花点燃式发动机相比，HCCI发动机压缩冲程结束时的温度必须更高一些，以便使得传统的用于火花点燃式发动机的燃油也能够自燃。 HCCI燃烧起点和燃烧速率的控制 燃烧起点对于发动机的热效率和排放都有十分重要的影响。HCCI发动机中的燃烧过程是一种受化学动力学控制的自燃过程，混合气是预先在气缸外面混合好的。所以，它既不能像压缩点燃式发动机那样通过喷油定时控制燃烧起点，又不能像火花点燃式发动机那样通过点火定时控制燃烧起点。 HCCI的燃烧起点控制，也就是放热起点（SOHR）受各种发动机性能和工况条件，诸如空气/燃油比、进气温度、压缩比、残余废气量和冷却液温度的影响。如果采用EGR的话，还受EGR的影响。最常见报道的影响燃烧起点的参数是：可变的进气温度、进气压力和排气再循环率。所以，SOHR的控制，是使HCCI发动机实用化的难点之一。大量的研究工作都集中在这个问题上。 为了在控制燃烧起点的同时扩展能够实现HCCI燃烧的工况范围和改善瞬态响应特性，已经报道的方法有：可变压缩比、可变气门定时，甚至双重燃油操作。例如，Lund工艺研究所和Saab公司合作，在Saab公司的1.6升5缸SVC可变压缩比发动机上进行的试验表明，在燃烧起点的控制方面，压缩比和进气温度之间存在一种抵冲关系：提高进气温度可以使燃烧提前发生；提高压缩比可以代替进气温度的提高，起到相同的作用。所以，通过调节压缩比，可以在不同的工况点达到同样的燃烧起点。随着压缩比提高到17:1，还可以使热效率提高，NOx排放下降。但提高压缩比的缺点是，由于膨胀加快，反应时间缩短，CO排放会增加。改变气门定时，特别是改变排气门定时，可以改变残余废气量和气缸温度，进而调节燃烧起点。所谓双重燃油操作，就是通过改变所用的两种燃油的比例来调节燃烧起点：例如调节易于自燃的正庚烷和抗自燃的异辛烷的比例，也就是调节辛烷值。又如采用天然气作为主要燃料，同时利用氢加浓天然气以控制燃烧定时。总之，发动机管理系统明显地朝着更加柔性的方向发展。 空气/燃油比和EGR量对化学反应来说都是非常重要的参数，因而对燃烧速率也有着非常重要的影响。对于燃烧室几何形状和紊流度是否对HCCI燃烧过程有影响的问题，几乎还没有实验数据。然而，涉及HCCI燃烧的缸内流动和紊流度的仿真工作已经有人做过了。在发生燃烧的曲轴转角窗内，较高的紊流度给出较低的燃烧速率。活塞顶部燃烧室的几何形状对燃烧速率和指示效率有明显的影响。很清楚，放热率间接地受到紊流度、温度分布的改变和气缸内边界层厚度的影响。 HCCI的优缺点 从热效率的观点来看，HCCI燃烧看上去具备非常优越的特点。一个特点是低的热损耗。由于它的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，且无烟的燃烧能够减少辐射热的传递。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。利用这些特点，有可能使得它的循环十分接近奥托循环。已经可以实现高达50%的指示热效率，废气中未经处理时只有几个ppm的NOx排放。 但是，短的燃烧周期和迅速的放热，有时候会使得类似“爆震”的燃烧噪声增加。此外，HCCI燃烧需要高稀释度的空气/燃油混合气以限制燃烧强度，这会使得功率密度变差；而且高稀释度的混合气带来了低的排气温度，使得发动机难以采用涡轮增压。这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。 汽油直喷式HCCI 缸内直接燃油喷射相对于进气口燃油喷射具有一系列优点。首先，可以避免进气管的壁湿现象，这有利于改善对瞬态工况的处理和循环对循环的信息反馈。其次，可以实现缸内充量的分层，在发动机从高负荷向低负荷过渡的过程中为实现稳定而有效的燃烧提供有力的手段。此外，燃油保持在燃烧室的中间部位，可以减少