HCCI技术与发展前景.doc

研究生课程（论文类）试卷2014/2015 学年 第 1 学期课程名称： 课程代码： 论文题目： HCCI技术与发展前景 学生姓名： 专业学号： 车辆工程 学院： 机械学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：任课教师签字： 日期： 年 月 日HCCI技术与发展前景单晓峰摘要：对HCCI技术的原理进行了介绍，分析了当前主要的混合气形成方式，并分析了其工作的优缺点，介绍了HCCI国内外发展现状，指出来制约其发展的主要原因，并对其前景进行了展望。关键词：内燃机；HCCI; 均质混合压燃Technology and Development Prospect of HCCIShan XiaofengAbstract: The principle of HCCI technology are introduced, analyzed the current situation of mixed gas main form, and analyzes the advantages and disadvantages of its work, introduces the development status of HCCI at home and abroad, referring to the main causes of restricting its development, and the prospect is discussed.Key words: Internal combustion engine; HCCI; homogeneous charge compression ignition 1 HCCI概述和原理HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的意思是“均质充量压燃”，它是一种以Otto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70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。进入上世纪90 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，特别是欧VI标准的出现，对内燃机的NO x和PM的排放提出了更高的要求，所以随着发动机控制技术的发展，HCCI 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、欧洲和日本的一些研究机构和企业都大力开展这一领域研究工作，HCCI 被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。HCCI燃烧方式结合了柴油机压燃和汽油机均质混合气点火燃烧的特点，基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高热效率；与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低(低于2000K)，NO x 排放很低，几乎没有PM排放。传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区易产生NO x ，内部高温缺氧区易产生PM。而HCCI通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加热和增压等手段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，有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关1。燃烧表现出独特的二阶段放热，第一阶段放热和主放热阶段。第一阶段放热与低温动力学反应有关，此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热和主放热之间有一个时间延迟，延迟时间主要由这些反应的negative temperature coefficient regime (NTCR ，负温度系数现象，即温度升高，反应变慢) 决定的。用光学诊断的方法来研究HCCI 的燃烧过程发现第二阶段燃烧是多点同时进行的，一旦着火，混合气迅速燃烧，没有可视火焰传播，一般认为HCCI的完全燃烧仅由化学动力学控制，没有一般燃烧中的流动，局部仍存在不均匀物质，从而有局部波动现象，所以尽管没有前端火焰，HCCI的放热率并不是由化学反应速率来控制的，有人提出破碎湍流漩涡对HCCI燃烧放热率有重要影响，这一问题现在仍然有争执。HCCI燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，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4种燃烧方式。2 燃油均质预混合气形成方式均质混合气的形成是实现对HCCI燃烧控制的第一步。国际上采用的燃油均质预混合气方式包括：进气道缸外预混、缸内早喷和晚喷2。2.1 缸外预混HCCI即在进气冲程把燃油喷入进气道，与空气混合形成预混合气。采用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提高混合气均匀度的一个相对简单的方法。但要求较高的进气温度来促进燃油的蒸发，需要安装加热装置和进气道燃油喷射系统，并且不利于燃油机冷启动。早期的研究中多采用这种方法制备混合气，最早进行研究的美国西南研究院曾采用这种方式引入混合气，燃料在进气道喷出后与空气混合形成均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸内压缩、着火。此种方法对于汽油等易挥发燃料来说，形成均匀混合气体较容易，但柴油由于挥发性较差以及壁面撞击，采用此法将导致较高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。2.2 缸内早喷HCCI该方式是目前普遍采用的燃油HCCI预混合气形成方式。即在压缩冲程的早期，燃油被喷入气缸，随活塞上行逐步与空气混合，直至发生自燃着火。由于柴油等燃料密度大，而压缩冲程早期缸内空气密度较小，高密度的柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大，因而燃油撞壁现象严重，这会降低燃油的雾化与混合程度，进而导致排放增加、油耗上升等问题。为了改善燃料的雾化与混合，对于柴油机来说，其HCCI喷油提前角远大于传统柴油机，使柴油与空气在着火前充分混合。另外，改进喷油器设计、改变燃烧室形状、适当组织缸内气流等方法均能在一定程度上改善柴油的雾化与混合。缸内燃油早喷成功应用于产品的典型代表是日本丰田公司的UNIBUS燃烧系统。与缸外预混燃油HCCI相比，早喷HCCI具有以下2个优点。其一，压缩冲程气缸内的温度和压力高于进气门开启时进气道内的温度和压力，有助于燃油的雾化和混合。压缩冲程早期喷油，降低了对进气温度的要求，减少了混合气爆燃的倾向。其二，采用压缩冲程早期喷油方案，可以只需要一套供油系统满足HCCI和传统直喷两种方式。2.3 缸内晚喷HCCI在接近上止点或在上止点之后，把燃油喷入气缸，同时采用大量预冷的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现点火延迟，使燃油着火恰好发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷射和缸内早喷均匀，但NO x 和PM排放仍然低于传统内燃机。缸内晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK(Modulated Kinetics)系统。MK系统通过推迟喷油(上止点后3)，大EGR率（使氧浓度降到15%16%）延长滞燃期，使喷油完全在滞燃期内完成，形成预混合气。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了，并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NO x 可降低90%以上，烟度低于1个Bosch单位。采用MK系统的发动机在1998年被投入批量生产进入日本市场。3 HCCI发动机的优点HCCI 燃烧的优点在于它可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。一方面，它采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机升功率高的特点；另一方面，它取消了节流损失，设计的压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近理想的等容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特点。如1996 年丰田汽车公司研究的HCCI汽油机，压缩比提高到17. 4 ，空燃比设计值为3344 。研究表明，它的缸内平均指示压力与GDI 汽油机和柴油机相当 ，其燃油消耗率水平甚至超过直喷柴油机水平( 180 200gP (kWh) ) ，并且随着进气温度的提高，HCCI的燃烧稀燃界限可拓宽至空燃比为80 以上。 HCCI 燃烧方式可以同时降低NO x 和PM。它通过设计较稀的混合气空燃比或利用再循环的废气控制把燃烧温度降低在l800K 以下，并且由于它以均质稀燃混合气方式工作，有效地抑制了NO x 的生成，几乎做到了无烟燃烧。如1998 年Magnus 等3做的异辛烷(代替汽油) 、乙醇和天然气3 种燃料在自然吸气、进气增压下的HCCI燃烧模式的研究表明，HCCI 燃烧的指示效率可以超过50 % ，NO x 在部分负荷条件下均达到了较低的水平( 降低90 %98 %) ，甚至要低于进气道喷射汽油机三元催化器转化后的水平，试验也发现HC 和CO 排放有所升高，但这两种排放可以通过氧化催化剂解决。也可以通过废气再循环降低HC 和CO 排放。由于HCCI燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的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，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。4 HCCI发动机的缺点在燃烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，气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。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4，所以必须提高混合气的空燃比（高于传统的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。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。5 国内HCCI的研究现状国内对发动机HCCI的研究较少，多以综述性的论文发表，没有实质性研究成果。天津大学和上海交通大学的实验研究代表了国内HCCI的最高水平5。2004年，天津大学内燃机国家重点实验室提出了基于多脉冲喷射和BUMP燃烧室的复合燃烧系统（MULINBUMP），其属于缸内早喷柴油来实现HCCI的实验研究。其中多脉冲喷射定时、多脉冲喷射次数、各脉冲宽度和脉冲间隔均可独立、灵活调节，通过调整这些参数，可以控制预混合的形成过程，包括防止燃料在缸壁的粘附，控制混合气的温度和浓度分层，进而控制自燃着火速率、燃烧相位、放热率。主喷射定时通常选择在3、6、8和10ATDC。主喷射燃料在BUMP燃烧室高混合率作用下，形成“稀扩散燃烧”。MULINBUMP系统是在多脉冲喷射下形成的预混燃烧与BUMP燃烧室内的稀扩散燃烧的结合。前者能够大幅度降低NO x 和PM排放，后者可以把前者产生的大量的HC和CO触发进一步燃烧，降低了发动机HC和CO排放，同时燃烧效率大大提高。这种发动机HCCI复合燃烧技术，可显著扩展发动机负荷范围，目前复合燃烧IMEP可达0.93MPa。随后，又在前期BUMP燃烧室研究的基础上提出了一种能大幅提高燃烧后期混合率的导流沿形燃烧室。该燃烧室的导流、突变结构形成的二次射流在缸内诱导出一对旋向相反的涡团，消除壁面浓区，中后期燃烧得以强化，碳烟（Soot）的氧化过程增强，相比原始燃烧室，PM的排放下降了55%。6 国外HCCI的研究现状1979 年，Onishi 等6人在二行程发动机上进行HCCI的研究，发现低负荷工况下，在1000rPmin 到4000rPmin 的转速范围内HCCI都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。Lida在1994 年的实验表明，在二行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的二行程发动机， IPF 公司也开发了应用HCCI概念的二行程发动机，在这两款发动机中， HCCI 被用来改进部分负荷的稳定性和燃油经济性，减少HC排放。美国西南研究院也很早就开展柴油机“预混稀燃”的研究，利用类似于汽油机进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中；为了使柴油和空气加速混合，采用电加热进气管并采用ECR ；预混的稀混合气经压缩后多点着火，消除了扩散燃烧，稀混合气降低火焰温度，可使NO x 排放比普通柴油机减少98 %之多，由于气缸内不存在局部混合气过浓区，可使PM 的排放减少27 % ，指示热效率有所改善。7 HCCI发动机商业化面临的挑战及发展前景展望目前，在商业车上实现HCCI及其衍生技术面临着诸多困难和挑战，其主要表现在以下几个方面：7.1 着火时刻的控制问题目前缺乏直接有效的手段控制HCCI燃烧速率和着火时刻，燃烧相位控制只能通过间接的方法进行。HCCI燃烧的着火时刻主要受到混合气本身化学反应动力学的影响，受负荷、转速的影响较小，因此不能通过常规的负荷、转速等反馈信号来加以控制，只能通过试验手段间接测量，获取经验。目前还没有单独的切实可行的方法控制HCCI燃烧始点，又由于燃油火焰前的氧化反应机理还未完全清楚，数值模拟方法进行HCCI燃烧始点控制的研究工作只是定性的与试验取得了一致，还无法实际应用于指导HCCI燃烧始点的控制。7.2 运行工况的拓展问题由于HCCI燃烧反应较快，一般采用较大的空燃比或较高的EGR率来减缓燃烧速率，以防爆震的发生，但同时使得发动机缸内的平均指示压力难以达到较高的水平，这就使HCCI发动机在小负荷工况时混合气浓度过稀，发动机易“失火”；而大负荷工况时发动机放热速率过快，发动机工作粗暴，可操作范围不宽。在高负荷实现HCCI是国际上尚未解决的技术难点。7.3 HC和CO排放的控制问题HCCI在中小负荷工况燃烧时缸内温度过低(2000K)，燃烧效率低，导致高的HC和CO排放。输出功率的密度较低。热量的释放速度较快导致较高的燃烧噪声。7.4 冷启动困难。美国GM公司在2007年9月推出了汽油HCCI示范车，油耗较常规汽油机降低15%到20%，在部分负荷下，NO x 排放可以达到10ppm以下水平。由于技术条件的限制，HCCI发动机暂时还没有商业化产品面世。8 HCCI 技术的目标HCCI技术的研发目标是在性能上超越压燃式和点燃式发动机，并应用于货车发动机。HCCI发动机同时拥有压燃式和点燃式发动机的优点，其排放控制系统不像压燃机和点燃机使用稀有贵重金属。HCCI技术拥有同时适合高负荷及低负荷发动机的可能性。低负荷HCCI发动机可以追赶上汽油机，并且有能力追赶并超越传统式压燃机的热效率，并且没有解决NO x 及微粒排放系统及燃料提纯等这些挑战。对于高负荷发动机，研究表明，压燃式HCCI发动机是一个重要的选择和规划，因为传统式压燃机将很难达到未来的有害NO x 和PM 排放的标准。事实上，HCCI技术可以在任何型号的货用发动机来使用，无论是小型摩托车还是大型的船用发动机。HCCI技术同样适合于活塞发动机，用于货用及传动设备，例如发电和管道水泵输送。HCCI发动机非常的适合连续的混合物发动机的产生，因为他能优化其操作性，例如更多的现速和更高的载重性，对比于现在广泛使用的商业发动机。HCCI发动机在一系列混合发动机上的使用将深度提高它的能力，以至于开发并使用于高效率的发动机。9 结论HCCI技术商业化仍需时日，但双燃烧模式切实可行，即启动和大负荷时用点燃或压燃，怠速和部分负荷时用HCCI燃烧模式。这种双燃烧模式发动机如果再结合EGR ，则NO x 、PM、UHC 和CO 排放很低。由于采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机升功率高的特点;另一方面，它取消了节流损失，设计的压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近理想的等容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特点。