均质压燃在内燃机燃烧技术中的应用进展与展望.doc

均质压燃在内燃机燃烧技术中的应用进展与展望 姓名：xxx 学号：xxx 联系电话：xxx 导师：xx 学院：xxx摘要：均质压燃式(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低柴油机的NOx和破烟排放,并提高柴油机的循环热效率。本文阐述了“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技术的背景、研究现状以及所取得的主要研究进展。关键词：均质压燃；低温燃烧；燃烧理论；燃料改质1 概述 燃烧技术是内燃机的核心技术，回顾内燃机过去 30 余年的发展历程可以清晰看到，满足日益严格的排放法规已成为内燃机燃烧技术进步的主要推动力。以美国重型商用柴油机为例，EPA 2010 年法规微粒限值（0.01 g/hph）和 NOx限值 (0.2 g/hph) 都仅相当于 1978 年法规限值的1%( 微粒：1.0 g/hph；NOx：20 g/hph）。在满足每一阶段越来越严格的排放法规中，内燃机高效清洁燃烧技术发挥着关键作用，燃烧技术的进步总是超出人们的预期。Richards1和 Needham1分别于 1988 年和 1989 年先后在 SAE 发表论文认为要满足美国 1994 年排放法规必须采用微粒过滤器（DPF）。此后，人们认为后处理技术是满足 1998 年排放法规的重要手段。英国 Perkins公 司 Fred Brear 1996 年 报 告 指 出：DPF 在 2000年大规模使用该技术2。但是，事实上目前先进柴油机燃烧技术在满足欧 IV-V 法规（相当于EPA 20042007 法规）仍可以不采用 DPF 后处理器，这充分显示出燃烧技术在内燃机节能和降低有害排放方面的巨大潜力。因此，内燃机高效清洁燃烧技术的研究一直都是国际内燃机界研究的热点和前沿课题。20 世纪 90 年代后期，尤其是 21 世纪以来，内燃机除了面临满足越来越严格的有害排放法规的挑战，还面临着 CO2法规（燃油经济性）挑战，CO2法规逐步成为推动内燃机燃烧技术进步的又一主要因素，内燃机燃烧理论和燃烧新技术的研究进入了一个新的活跃时期。针对未来超低排放，甚至零排放的有害排放法规和 CO2法规，人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PCCI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等。综观这些燃烧方式，其核心就是改变以传统柴油机为代表扩散燃烧方式和以传统汽油机为代表的火花点燃的火焰传播燃烧方式，采用预混合、压燃、低火焰温度的燃烧方式，实现内燃机高效清洁燃烧。国内学者将这一新型燃烧方式统称为“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧方式。2 新一代内燃机燃烧技术“均质压燃”“均质压燃、低温燃烧”是一种新型的的内燃机燃烧方式，这一概念是经历国内外学者数十年对内燃机的研究形成的。早在1979 年Onishi 等人为了提高二冲程汽油机热效率时，发现汽油机在部分工况下利用缸内大量的残余废气，不用点燃也可平稳运转，并称为活化热氛围燃烧过程。这一燃烧过程被广泛认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念。HCCI燃烧是一种全新的内燃机燃烧方式，并不同于传统的发动机燃烧，通常其燃料和空气先形成均质混合气再进入气缸，活塞上行压缩使得混合气升温而自发着火。HCCI的燃烧方式与传统的点燃式发动机和压燃式发动机都有一定的类似之处，表面上看基本上是两种燃烧模式的结合产物，然而HCCI燃烧模式并不是点燃式发动机与压燃式发动机的简单机械式结合。点燃式发动机燃烧时，主要靠热扩散来实现火焰从点火点到周边的传播，是有明显的火焰前锋面的；而压燃式发动机燃烧时，主要是依靠燃料在缸内的喷雾扩散，小的燃油颗粒与高温空气中的氧发生反应而燃烧，通常称为扩散燃烧。在这两种燃烧模式，充量在燃烧室内存在物理量上的不均衡，而发生热扩散或物质扩散，从而导致了NOx和碳烟的排放。在HCCI燃烧过程中，缸内充量高度均匀，在活塞上行过程中，各处充量温度同步提高，进而几乎同时达到自发着火的条件而同时发生着火反应。因此，理论上讲均质压燃发动机的气缸内既没有热扩散也不存在燃料扩散。并且，HCCI 发动机的混合气浓度较低，是稀薄燃烧，因此燃烧温度也较低。三种燃烧模式的对比如图1所示。图1 柴油机、汽油机与均值压燃发动机燃烧方式的对比3 汽油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术研究进展汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合气，缺点是着火温度高，不易压燃。由于汽油机主要应用于轻型车，汽油机 HCCI 燃烧研究的重点是中小负荷工况的节能和排放问题。汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。这两种方案本质差别在于混合气的制备方式不同。前一种方案与目前广泛采用的气道喷射电控汽油机有较好的继承性，结构变化小，但在混合气浓度分层控制上受到较大的制约。缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度增大。这两种方案的燃烧理论基础和面临的科学问题基本是一致的，即在中小负荷工况下需要通过缸内的残余废气提高混合气的能量（进气加热与内部EGR），使汽油混合气可以压燃，或采用火花点火与压燃并存的复合燃烧方式；在向大负荷扩展过程中，可以采用外部废气来抑制燃烧反应，即采用内部残余废气与外部废气的复合废气再循环技术。因此，气门升程与气门相位的连续可变技术是拓展汽油机均质压燃的重要技术途径之一。在早期的研究中，混合气加热是提高混合能量的重要途径之一。美国福特公司提出 OKP（Optimized Kinetic Process）燃烧系统，该系统在缸内直喷汽油机上采用冷却液和排气加热进气空气与气门定时改变（VVT）压缩比和残余废气相结合的方法，实现汽油机 HCCI 燃烧。通过该方法，HCCI 工况范围得到了拓宽，平均指示压力可达0.55 MPa，燃料利用率比原机提高了 10% 30%，NOx排放比原机降低了 98% 99%3。近年来，汽油机 HCCI 燃烧技术中主要通过残余废气控制方式提高混合气能量，实现混合气均质压燃。天津大学赵华教授的课题组研究开发了“进排气门联动控制”的均质压燃汽油机技术，该方案在气道喷射汽油机上，采用进排气门全可变（气门升程与相位）技术，控制缸内残余废气率与废气分层，实现均质压燃。2006 年开发了原理性样机，样机 HCCI 的运行转速可以达到4 500 r/min，最大平均指示压力（IMEP）可以达到 5 200 kPa，可以覆盖轿车主要的常用工况4。此后，课题组提出了基于废气驱动的高效低温燃烧汽油机（ExDrive）技术。其方案仍是采用进排气门全可变机构，并结合外部 EGR 和涡轮增压技术进一步扩展 HCCI 的运行工况范围。废气驱动的燃烧和负荷控制方案基本思路是：缸内残余废气同时起到了加热剂、稀释剂和容积填充剂 3 方面的作用，既提供了混合气燃烧所需要的能量，也控制了发动机负荷和燃烧速度。但是当发动机负荷增大以后，内部残余废气的热量增加会造成缸内出现燃烧速度过快而产生爆震等不正常的燃烧现象。为此，通过引入冷却的外部废气再循环技术路线，由外部废气逐渐代替内部废气来填充缸内容积，拓宽均质压燃燃烧运行范围，这样既可以提高发动机的负荷运转范围，又可以利用废气的稀释作用，降低汽油发动机的 NOx排放。在发动机全负荷工况采用基于废气控制的汽油机复合燃烧技术，即以内部废气再循环策略实现可控自燃燃烧为核心，辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术的复合燃烧技术，同时以外部废气再循环作为调整缸内废气状态的控制手段，实现了汽油机低温高效燃烧。在燃烧控制策略中，采用爆震闭环燃烧控制技术。通过残余废气的分层，在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。例如，转速为 1 500 r/min，平均指示压力为 0.085 MPa工况，可控自燃燃烧的节油率达到 17.21%；在转速为 2 000 r/min，平均有效压力为 0.2 MPa 工况，节油率达到 13.71%，NOx减少 99%，NEDC 驾驶循环的仿真节油效果为 15.6%。排放指标除 HC 之外，NOx和 CO 均小于欧限值5。AVL 公司应用汽油机缸内多次喷射技术，提出了“压缩和火花点燃（”CompressionandSparkIgnition，CSI）汽油机均质压燃燃烧系统，该系统是通过可变气门升程（VVL）和可变气门定时（VVT）控制残余废气，采用缸内灵活的燃油喷射控制，实现汽油多次喷油，在燃烧过程控制方面，实现各缸实时控制策略。除了常用变量外，如质量流量、空燃比、进气温度、冷却水温度等，工况控制还采集实时燃烧信息，发展了能够精确预测混合气成分等参数对燃烧影响的燃烧模型，实现混合气成分和温度瞬态闭环控制6。日本本田公司在解决汽油机 HCCI 工况范围向小负荷工况扩展问题方面也提出了一个新的技术途径。该系统的要点是：可变气门定时（VVT）、缸内直喷和发动机增压，通过在负气门重叠角期间喷油，发动机怠速750 r/min 时，最低负荷扩展至 0.16 MPa( 压缩比11.5)，采用多孔喷嘴，最大负荷扩展到0.65 MPa。该发动机 HCCI 工况范围基本满足了日本 10-15运行工况范围7。清华大学王建昕教授课题组提出了基于缸内直喷混合气制备，以混合气浓度分层、火花辅助点火和燃料改质的综合控制 HCCI燃烧的新方法，开发了相应的火花点火辅助分层压燃（ASSCI）燃烧系统。该系统通过缸内二次喷射实现分层压燃控制着火，通过火花辅助均质压燃（HCCI）临界状态下着火稳定以及燃料重整拓宽 HCCI 运行工况范围，提出了利用缸内直喷、可变配气以及节气门协同控制进行点燃（SI）与HCCI 燃烧模式切换的控制策略8。为了进一步拓宽 HCCI 运行工况范围，他们提出了内外 EGR与增压协调控制拓展 HCCI 负荷范围的思路。多缸 HCCI 样机测试结果表明，在 HCCI 运行工况样机比传统汽油机的燃油经济性改善 15% 以上，NOx 降低 90% 以上9。4 柴油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术研究进展 由于柴油高粘度、低挥发性、低自燃温度的特性，改善燃油与空气的混合和抑制过快的燃烧反应速度是柴油机实现“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程的关键。因此，柴油机“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程控制的主要技术途径是喷油策略控制、EGR 控制和温度历程控制。早期柴油机“均质压燃、低温燃烧”主要是通过缸内早喷方式实现。如日本新 ACE 研究院的“预混稀燃柴油机燃烧过程”（PRIDIC）10及随后提出的“多级喷射柴油机燃烧过程”（MULDIC）11，丰田公司“均匀 Balky 燃烧系统”（UNIBUS）12等。PREDIC 系统采用侧置喷油器，通过增加喷孔数，减小喷孔直径（0.17 减小到 0.08）改进喷油来改善燃油分布，采用早喷（120BTDC）方式实现均质压燃。通过调整燃烧系统结构参数，再循环和柴油中添加甲基叔丁基醚（MTBE）等措施使发动机 HCCI 运行工况范围扩展到原机的50%13。为了保证发动机在全负荷工况下运行，在 PREDIC 系统基础上，MULDIC 系统两个侧面喷嘴中间安装一个第 2 次燃烧用的中间喷油器。在大负荷工况采用多次喷油技术，侧面喷油器早喷（PREDIC），中间喷油器晚喷，实现 2 级燃烧14。即首先 PREDIC 燃烧，PREDIC 燃烧结束后缸内 CO2浓度高，降低了氧的浓度，周围温度高而二次喷油燃烧温度低，降低了NOx排放。该燃烧方式大幅度降低了有害排放，日本柴油机 13工况测试结果表明，其 NOx排放仅为 1 g/kWh。丰田公司 UNIBUS 系统使用中空锥形喷雾，喷嘴前端设置了碰撞部，以缩短喷雾贯穿距，采用早喷和晚喷实现两次喷油，通过 EGR 控制着火时刻实现柴油机 HCCI 燃烧，该系统在发动机 50% 负荷和 50% 转速实现 UNIBUS 燃烧15。此后，日产公司 MK（Modulated Kinetics）燃烧系统则是采用晚喷方式实现柴油机 HCCI 燃烧16。它通过在上止点后喷油，延长滞燃期，通过废气再循环，提高燃烧室内惰性物质的浓度，减少氧浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞后期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间。同时采用高涡流比提高混合速率，使 MK 发动机在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标。进一步拓宽其工况范围的途径是通过提高喷油压力，缩短喷油持续期，提高燃油与空气的混合速率，并采用冷却的EGR、降低发动机压缩比延长滞燃期17。近 10 年来，高 EGR 率稀释的柴油机低温燃烧作为柴油机新型燃烧技术得到了广泛的研究，这一燃烧方式主要是通过大比例 EGR 率、喷油策略控制和高增压压力实现，并且可以通过上止点附近喷油来实现18-20。这也是对HCCI理论的发展，即从完全预混低温燃烧过程变为大比例可控预混低温燃烧过程（即混合速率控制的扩散燃烧过程在多数工况下仍会出现）。通过高喷油压力改善燃油与空气的混合，采用大比例 EGR 延长混合时间和降低燃烧温度，从而有效避开 zT-图中的碳烟和 NOx生成区域。为了保证输出动力性，通常结合较高增压压力，如两级增压或复合增压来保证足够的新鲜空气量，从而保证喷油量。但过低燃烧温度会降低燃烧效率，导致 HC 和 CO 排放明显增高，燃油经济性恶化。因此其关键是在碳烟、NOx和燃烧效率三者之间折衷21。基于缸内多次喷油的控制策略是改善燃油与空气混合的重要途径之一。天津大学苏万华教授22-23提出了利用多脉冲喷射实现预混压燃燃烧与利用高混合率燃烧室实现稀扩散燃烧相结合的 MULINBUMP 复合燃烧过程。该燃烧技术的基本思路是：在柴油机低负荷工况下，通过多脉冲燃料喷射策略实现对均质压燃燃烧过程的控制，获得 NOx和微粒的超低排放（ 10 ppm）；在中高负荷工况，采用均质压燃燃烧与稀扩散燃烧相结合的策略，利用发明的高混合率燃烧室与超高压喷射相结合，提高燃油与空气的混合速率，实现快速混合。在柴油机运行的全工况范围，应用“喷油模式”调制技术，实现了发动机不同工况下最佳喷油模式的目标，从而实现柴油机全工况范围的高效清洁燃烧。但是，上述燃烧系统只能在部分负荷工况下运行。最初的 HCCI 研究认为，HCCI 主要应用于轻型柴油机上，只能覆盖轻型车常用低转速、部分负荷工况。但是国内外研究进展表明，不仅在轻型车上，在重型柴油机大负荷工况下也可以实现 HCCI。据美国 Caterpiller 公司报道，通过采用高增压比，提高燃油与空气混合速率，废气再循环等控制策略，结合燃油改性在重型柴油机上 HCCI运行工况最大拓宽到原机的 80%（1.6 MPa）24。苏万华教授提出了基于燃烧过程全历程 zT-路径控制的概念，通过在燃烧过程喷油策略（混合气浓度分布）、废气再循环（混合气组分、温度）和压缩初始温度等参数控制实现燃烧过程全历程的z - T路径控制，避开有害排放生成区域，从而实现高效清洁燃烧25。在此基础上，苏万华教授还提出了“高密度 - 低温燃烧”燃烧技术，其核心思想是：通过高喷射压力的多次喷油控制将燃油“均匀”地“播撒”在燃烧室空间，使混合气尽量均匀。通过 EGR 来降低燃烧温度，抑制 NOx排放。为了弥补采用 EGR 后燃烧过程中氧浓度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高增压比，增加进入的空气量。但是，高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力的增加，受发动机机械负荷和可靠性限制，缸内最大爆发压力必须控制在一个合理范围，提出通过进气门晚关技术降低进气关闭时缸内的初始压力和温度，从而有效地降低了缸内最大爆发压力，也使柴油机实现了可变的热力循环过程26。上述这些技术既有混合率促进技术，也有抑制化学反应率技术，在智能化的电控单元协同控制下，实现了柴油机燃烧路径的可调可控，从而实现高效清洁燃烧。采用这一燃烧技术，柴油机最高指示热效率可以达到 53%，原始微粒和 NOx排放可以达到欧 VI 限值的要求27。上述研究结果改变了传统的柴油机排放控制技术的观念，通过燃烧过程控制实现超低排放甚至是零排放仍有很大潜力。5 “均质压燃、低温燃烧”燃料特性研究进展燃料燃烧化学反应动力学过程对 HCCI 燃烧过程控制起着主导作用，因此相对于传统的柴油机与汽油机燃烧，燃料的理化特性对 HCCI 燃烧过程的影响和运行工况范围有更大的影响。瑞典 Lund大学 Johansson 等人28对基础燃料、汽油、柴油、醇类燃料和天然气对 HCCI 燃烧与排放和影响进行研究，结果表明 HCCI 能够适用于多种燃料，传统的燃料辛烷值不能表征 HCCI 的抗爆性。另一方面，燃料特性在控制 HCCI 着火过程及拓展运行工况范围上具有较大潜力。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的工况范围，辛烷值为 60 左右的燃料在 HCCI 运行的工况范围最大29。在汽油中掺入部分醇类燃料可以显著扩展 HCCI 工况范围30，而醇类燃料的 HCCI 工况范围比汽油大31。所以针对 HCCI发动机特点，开发适合 HCCI 运转的燃料。如采用敏感性较大的汽油燃料结合适当的发动机运转条件控制（即缸内温度和压力控制），对运行工况范围的拓展具有更大的潜在优势32。实际上，HCCI 运行的理想燃料应该是在小负荷工况燃用高十六烷值燃料，而在大负荷工况适合燃用高辛烷值燃料，每一个工况有一个热效率最高的辛烷值，但单一燃料很难在更大范围拓宽其高效清洁燃烧运行工况范围。因此，动态控制HCCI 发动机不同工况下所需的燃料特性，可有效控制着火时刻和燃烧反应速度，拓宽运行工况范围并提高热效率33。实现这一控制策略较实际的方式则是采用双燃料喷射过程，且两种燃料的辛烷值差距较大，即高辛烷值与高十六烷值燃料相结合，通过调整不同燃料喷射比例从而调节不同工况所需的燃料特性。例如通过气道喷射二甲醚和甲醇双燃料方式，可在较宽广的转速和负荷范围内实现均质压燃，而且发动机负荷运转范围得到较大拓宽 ( 平均有效压力接近 0.8 MPa)34。近年来，采用双燃料方式实现 HCCI 燃烧过程控制得到了国内外研究者的高度重视。吕兴才等人采用气道喷射正庚烷和异辛烷实现实时的燃料设计的方法实现 HCCI 燃烧控制及扩展运行工况范围35。美国 Wisconsin 大学 Reitz 教授提出一种 RCCI 燃烧方式，即采用汽油、柴油双燃料方式，其中汽油燃料采用气道喷射，柴油采用高压共轨燃油系统缸内直喷，通过控制汽油 / 柴油比例、缸内柴油喷油策略控制、外部 EGR 率控制和进气门关闭时刻控制实现混合燃料的燃烧过程控制，从而实现高效清洁燃烧。研究表明，该燃烧方式结合进气增压后最大平均有效压力可以达到 1.3 MPa，原始碳烟和 NOx排放可以满足欧 VI 法规的要求，热效率最高达到了 53%36。作者认为该燃烧模式的特征是大比例预合气燃烧方式，因此将其称为高比例预混合燃烧（HPCC）。作者在一台单缸柴油机（压缩比 16.0）上，对转速为 1 500 r/min，平均指标压力为 0.9 MPa 运行工况研究结果表明，EGR 率大于 40%，汽油比例大于 80%，采用缸内直喷柴油机单次喷射，最低指示油耗小于 180 g/kWh，碳烟和 NOx原始排放有满足欧 VI 法规要求的潜力37。在柴油机低温燃烧中，国内外研究者也发现，提高燃料的挥发性，降低燃料的十六烷值更有利于降低碳烟和 NOx排放，并提高发动机的热效率。瑞典 Lund 大学研究者在柴油机中喷入汽油燃料，发现在上止点前附近喷入汽油燃料，通过 EGR 控制实现低温燃烧，其碳烟和 NOx排放远比柴油燃料低温燃烧时低，并且高效清洁低温燃烧区域最大负荷范围比柴油更高，而且燃用汽油燃料可节能 8.3% 16.6%。他们将这一燃烧方式定义为 PPC（Partial Premixed Combustion）燃烧方式。但这种燃烧方式的缸内最大爆发压力、最大压力升高率较高，发动机工作粗暴38。此外，如前所述，在小负荷工况下由于汽油燃料不易压燃而需要采取其它的措施，如缸内残余废气加热，避免小负荷工况“失火”是这一燃烧方式需要解决的另一个难题。实际上，在低温燃烧中 NOx排放主要由EGR 率（燃烧温度）决定，提高空燃比并不能有效降低碳烟排放，其主要受缸内的混合情况决定，加速燃油与空气混合，延长滞燃期可以有效地降低碳烟排放。汽油燃料之所以能够获得比柴油燃料更低的碳烟排放，主要是由于汽油挥发性好（改善了燃油与空气的混合）、十六烷值低（延长了滞燃期）。因此，国内外研究者提出了宽馏份燃料的概念，即挥发性好、辛烷值碳氢组份与易压燃的碳氢组份混合，它既可以改善燃油与空气的混合，也可以降低燃料的十六烷值，延长滞燃期，并且宽馏份燃料的十六烷值比汽油高，研究表明这种混合燃料在保证低 NOx排放的同时可以明显降低碳烟排放39-40。此外，国内外研究尝试采用柴油与含氧生物质燃料组成的混合燃料来降低低温燃烧有害物质的排放41。6 HCCI发动机具有的优点（1）热效率高。 由于燃料类型和混合气初始状态的不同，HCCI发动机可以选择较高的压缩比；进气过程无节流装置，节流损失小；燃烧过程中缸内均匀充量几乎同时发生着火，燃烧时间短，接近理想的定容燃烧；混合气浓度较稀，燃烧温度较低可以避免不必要的气缸壁面热损失。这些特点都有利于提高热效率。所以，HCCI发动机的热效率较高，可以接近甚至超过传统压燃式发动机。（2）NOx和碳烟排放低。 HCCI发动机是在进气门以前形成均匀的混合气，利用活塞上行压缩来实现缸内混合气同步升温，并且同时自发快速着火。在保持高热效率的同时，在时间和空间上共同降低排放。由于混合气浓度较稀且均匀度较高，避免了浓混合气区域的形成，从而减少了碳烟颗粒物的生成；又因为均质压燃燃烧温度较低，燃烧持续期短，所以不利于NOx的生成。理想的HCCI燃烧循环几乎没有NOx和碳烟排放。（3）燃料来源广。 HCCI发动机可以用传统的内燃机燃料 （汽油和柴油），同时也可以燃用绝大部分内燃机代用燃料，如天然气、甲醇、乙醇、DME及多种燃料组合等。HCCI发动机表现出对燃料的高度兼容性，理论上均质压燃发动机可以使用只要能在着火前蒸发并与空气混合的燃料。这有利于将来降低车用燃料的炼制费用，并使车辆的使用更具便捷性。7 “均质压燃”燃烧技术的技术难题 HCCI燃烧方式在提高发动机热效率、降低有害排放方面有着显著的优势，但其燃烧方式也决定了它要面临一些技术困难。（1）燃烧相位的精确控制。 传统的发动机不论是点火式的还是压燃式的都有直接控制着火时刻的能力，汽油机通过火花点火控制燃烧，柴油机则由喷油时刻实现控制。从宏观上讲均质压燃发动机缸内混合气的燃烧相位主要受进气温度、压缩比、燃料种类及发动机转速的影响，而从本质上讲HCCI燃烧过程是受化学反应动力学控制的。缸内均匀混合气的燃烧过程与混合气在缸内的发展历程直接相关，缸内混合气的化学反应对缸内条件极为敏感，这使得目前很难对HCCI燃烧过程直接采取控制措施。（2）运行范围拓展。 由于HCCI属于自动发火燃烧过程，并无直接控制着火相位的方法，当发动机的压缩比等参数确定后，理想的着火时刻便对应着特定的进气温度和混合气浓度，所以HCCI发动机运行范围较窄，通常只是在特定的工况下稳定运转。后来通过调节参数比如进气温度、压缩比以及引入内外部EGR等，对运行范围的拓展起到了一定的作用，但拓展幅度有限，难以实现负荷、速度变化的多方位调节，仍不能满足车辆使用需求。（3）HCCI循环波动控制。 HCCI燃烧相位缺乏直接的控制手段，进气门关闭后很难进行控制，并且混合气的自动发火燃烧对缸内边界条件的变化极为敏感。缸内热负荷的极其的微小变化将直接影响下一循环的燃烧状况，这使HCCI发动机很容易出现不稳定运转的现象，陷入波动状态无法继续稳定工作。（4）HC和CO排放的降低。 HCCI发动机燃烧温度较低的特点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燃烧反应温度较低，使得燃烧室壁面冷却作用凸显，导致燃烧火焰中产生的活性自由基又重新复合，燃烧链反应中断，造成HC排放增加。另外，发动机小负荷运转时当汽缸内温度低于1 500 K时，使得CO不能被氧化为CO2从而增加了CO排放量。（5）均质混合气制备及冷启动。 均匀充量的制备存在一定的技术困难。混合气的均匀程度直接影响自发燃烧时刻、燃烧放热率及有害物排放。但在极短的循环周期内形成完全均匀的混合气技术困难较大，特别是有些燃料的挥发性较差。当前，对那些挥发性较差的燃料一般采用缸内直喷的策略实现HCCI燃烧，这势必要造成混合气均匀程度的下降。均质压燃发动机在冷却状态下直接正常运转有一定的困难。冷启动困难其实是HCCI发动机较早遇到困难。HCCI燃烧受化学动力学控制，其正常燃烧需要稳定的缸内边界条件。HCCI发动机正常稳定运转时，上循环气缸热负荷对次循环工质有一定的加热作用使得混合气正常燃烧。而在冷却状态下，则没有这部分能量，使得启动困难。在实验室，一般通过加热机体、增加进气温度或通过其它动力源拖动HCCI发动机使其达到正常工作状态从而实现HCCI发动机的冷启动。8 均质压燃的研究现状 为了有效控制HCCI发动机燃烧过程，最初，变进气温度、变压缩比、变配气相位等方法被应用于HCCI发动机。大量的HCCI燃烧研究之后，诸多学者发现HCCI燃烧过程受控于缸内的化学反应动力学，便有学者转向燃料性质改变及EGR等方面的研究。但是，燃料性质和EGR等对HCCI燃烧过程的影响比较有限，不能实现对HCCI燃烧过程的控制。近年来，以直接改变混合气化学反应路径及速率为目的燃料改质的方法被认为是极具潜力的HCCI发动机燃烧相位控制策略。在国外HCCI的研究较早，其概念最早由Oni-shi等人在日本提出，之后HCCI燃烧便在世界范围内得到了广泛的关注。近年，国外许多知名研究机构从事了燃料改质等方面的研究。威斯康辛大学的Tanet Aroonsrisopon等人，通过改变HCCI发动机原有的进排气相位，使其产生负气门重叠角(NegativeValve Overlap，NVO)使气缸在进气阶段与排气阶段之间产生一个短暂的封闭过程，期间喷入适量燃油使其实现燃料改质。他们通过数值模拟方法和台架试验的研究手段同时发现该方法使着火时刻提前，并认为主要原因是：一是化学反应，负气门重叠角期间喷射的燃料会与残余废气发生改质反应，生成氢气等中间产物；二是热力作用，发生改质反应产生的热能可以促进混合气发生自燃。为缓解节能减排的压力，中国政府和内燃机界也很重视新型高效率、低污染的内燃机研究。王迎、郑朝蕾等人，采用零维详细的化学动力学模型分别数值模拟了加入H2O2、CH2O两种添加剂的甲醇HCCI燃烧，结果发现H2O2、CH2O在缸内可以分解产生OH活性基，使甲醇着火时刻提前，并能通过影响着火时刻来改变平均指示压力的大小。刘青妍、乔信起等人，模拟了甲醇重整对HCCI燃烧的影响，结果表明中间自由基OH、H、O、HO2和H2O2在甲醇重整气的燃烧反应中起要作用。它们参与的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等基元反应决定着H2的消耗快慢、CO的氧化，从而可以影响燃烧时刻和燃烧速率。钟绍华等人，研究了在天然气中掺用少量氢气的HCCI发动机燃烧特性和天然气燃料重整实现在线产氢的可行性。利用再循环的排气进行燃料重整产生富氢重整气是扩展HCCI运行范围和降低NOx排放的切实可行的方法。国内的研究也表明，基于化学动力学方法对HCCI的燃烧过程的控制是非常有效的。9 结语 节能是推动发动机燃烧技术进步的主要动力，均质压燃以其高热效率，低氮氧排放和低颗粒物（PM） 排放已经得到了关注。HCCI燃烧以预混合燃烧和低温反应为特征，能够同时降低NOx和碳烟排放,并且具有很高的循环热效率。HCCI燃烧工作范围的扩大可以通过冷却EGR和降低压缩比等手段实现,但是这些措施往往会影响HCCI发动机的功率输出。HCCI燃烧会成为今后发动机发展的主攻方向，也会成为世界各国发动机及燃烧领域交流的热点。然而，在成功运行均质压燃发动机的道路上还有很多障碍，比如：控制燃烧相位，扩大运行范围，很高的未燃碳氢和高一氧化碳排放。在现在的研究过程中，科研人员已经发现了一些切实可行的HCCI燃烧相位控制方法，并正向着实用化的方向做着不懈的努力。参考文献1BREAR F，GRAHAM M. 柴油发动机排气后处理技术 Z. 北京：第 2 届北京内燃机技术及制造展览会资料，1996.2BREAR F，GRAHAM M. 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