柴油機(jī)HCCI燃燒特點(diǎn)及影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)充量壓縮著火HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃燒是一種全新的燃燒方式。它能有效降低傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗和排放問(wèn)題，特別是能同時(shí)降低柴油機(jī)NOx和顆粒物（PM）的排放，并進(jìn)一步增加熱效率，因而被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步。

一、HCCI燃燒方式概述

HCCI是均勻的可燃混合氣在氣缸內(nèi)被壓縮直至自行著火燃燒的方式。隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，氣缸內(nèi)的溫度和壓力不斷升高，已混合均勻或基本混合均勻的可燃混合氣多點(diǎn)同時(shí)達(dá)到自燃條件，使燃燒在多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生，而且沒(méi)有明顯的火焰前鋒，燃燒反應(yīng)迅速，燃燒溫度低且分布較均勻，因而，只生成極少的NOx和微粒（PM），在低負(fù)荷時(shí)具有很高的熱效率。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1．超低的NOx和PM排放。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況下的NOx排放相對(duì)柴油直噴機(jī)（DI）可降低95％～98％。

2．燃燒熱效率高。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率甚至超過(guò)了直噴式柴油機(jī)。

3．HCCI燃燒過(guò)程主要受燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制。

4．HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍較窄

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒受到失火（混合氣過(guò)?。┖捅迹ɑ旌蠚膺^(guò)濃）的限制，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍變窄。對(duì)于高十六烷值燃料，由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒非常迅速，在高負(fù)荷工況下（混合氣濃度大）易發(fā)生爆震；對(duì)于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃燒為稀薄燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況下容易失火。

5．HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO排放偏高。這主要是由于HCCI燃燒通常采用較稀的混合氣和較強(qiáng)的EGR，因缸內(nèi)溫度較低造成的。

二、柴油機(jī)HCCI燃燒的特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)HCCI燃燒要面臨兩方面的困難：一是柴油粘度大，揮發(fā)性差，難以形成均質(zhì)混合氣；二是柴油作為高十六烷值燃料，容易發(fā)生低溫自燃反應(yīng)，均質(zhì)混合氣的燃燒速度控制困難，易造成粗暴燃燒。

柴油HCCI燃燒是在多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生，沒(méi)有明顯的火焰前鋒，燃燒反應(yīng)迅速，燃燒溫度低且分布較均勻，只生成極少的NOx和PM，在低負(fù)荷時(shí)具有很高的熱效率。而傳統(tǒng)柴油機(jī)采用高壓噴射形成非均勻的混合氣擴(kuò)散燃燒，混合氣和溫度分布都極不均勻，在擴(kuò)散火焰外殼的高溫區(qū)產(chǎn)生NOx，內(nèi)部高溫缺氧產(chǎn)生PM。

柴油HCCI的燃燒放熱表現(xiàn)出特別的兩個(gè)階段，如圖1所示。第一階段（放熱曲線上較小的峰值）與低溫化學(xué)動(dòng)力學(xué)有關(guān)（冷焰或藍(lán)焰）；第二階段（放熱曲線上較大的峰值）是主燃燒期；第一階段是第二階段的焰前反應(yīng)，焰前反應(yīng)放出的熱量加熱了余下的充量，同時(shí)余下的充量繼續(xù)被壓縮，經(jīng)歷短時(shí)間的延遲后，余下的充量達(dá)到著火條件，幾乎同時(shí)著火，使放熱率迅速升高，表現(xiàn)在放熱曲線上出現(xiàn)大的峰值。

因此，HCCI燃燒速度較快，燃燒始點(diǎn)和放熱率對(duì)壓縮過(guò)程中充量的溫度、壓力等很敏感，控制起來(lái)很困難。如果HCCI燃燒控制得較好，則可在拓寬的大空燃比范圍內(nèi)進(jìn)行高效穩(wěn)定的燃燒，循環(huán)波動(dòng)壓力小，工作柔和。

HCCI燃燒的著火時(shí)刻主要受化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，受負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的影響小，不能通過(guò)常規(guī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)來(lái)加以控制。一般采用較大的空燃比或較高的EGR率來(lái)減緩燃燒速度，以防爆震的發(fā)生，但同時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的平均指示壓力難以達(dá)到較高的水平，這就使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)容易受到失火、爆震、功率等限制，可操作范圍不寬。目前的技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)全工況的HCCI燃燒過(guò)程，從實(shí)用化角度出發(fā)，必然要雙模式運(yùn)行方案，即中低負(fù)荷，采用HCCI燃燒過(guò)程；在高負(fù)荷，仍采用傳統(tǒng)的燃燒方式，能夠獲得最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能。

三、柴油機(jī)HCCI燃燒的影響因素

（一）影響柴油機(jī)HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式

均質(zhì)混合氣的形成是實(shí)現(xiàn)對(duì)HCCI燃燒控制的第一步。國(guó)際上采用的柴油均質(zhì)預(yù)混合氣方式包括：進(jìn)氣道缸外預(yù)混、缸內(nèi)早噴射和晚噴。

1．缸外預(yù)混HCCI

即在進(jìn)氣沖程把柴油噴入進(jìn)氣管，與空氣混合形成預(yù)混合氣。采用進(jìn)氣道噴射，利用進(jìn)氣渦流來(lái)強(qiáng)化混合氣的形成，是提高混合氣均勻度的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。但要求較高的進(jìn)氣溫度來(lái)促進(jìn)柴油的蒸發(fā)，需要安裝加熱裝置和進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)，并且不利于柴油機(jī)冷啟動(dòng)。早期的研究中多采用這種方法制備混合氣，最早進(jìn)行研究的美國(guó)西南研究院曾采用這種方式引入混合氣，燃料在進(jìn)氣道噴出后與空氣混合形成均勻的混合氣，進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)混合氣進(jìn)入缸內(nèi)壓縮、著火。柴油由于揮發(fā)性較差以及壁面撞擊，采用此法將導(dǎo)致較高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。

2．缸內(nèi)早噴HCCI

該方式是目前普遍采用的柴油HCCI預(yù)混合氣形成方式。即在壓縮沖程的早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。由于柴油密度大，而壓縮沖程早期缸內(nèi)空氣密度較小，高密度的柴油噴入低密度的環(huán)境中貫穿度較大，因而燃油撞壁現(xiàn)象嚴(yán)重，這會(huì)降低燃油的霧化與混合程度，進(jìn)而導(dǎo)致排放增加、油耗上升等問(wèn)題。

為了改善燃料的霧化與混合，柴油機(jī)HCCI噴油提前角遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)柴油機(jī)，使柴油與空氣在著火前充分混合。另外，改進(jìn)噴油器設(shè)計(jì)、改變?nèi)紵倚螤睢⑦m當(dāng)組織缸內(nèi)氣流等方法均能在一定程度上改善柴油的霧化與混合。缸內(nèi)柴油早噴成功應(yīng)用于產(chǎn)品的典型代表是日本豐田公司的UNIBUS燃燒系統(tǒng)。與缸外預(yù)混柴油HCCI相比，早噴柴油HCCI具有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

壓縮沖程氣缸內(nèi)的溫度和壓力高于進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)的溫度和壓力，有助于柴油的霧化和混合。壓縮沖程早期噴油，降低了對(duì)進(jìn)氣溫度的要求，減少了混合氣爆燃的傾向。

采用壓縮沖程早期噴油方案，可以只需要一套供油系統(tǒng)滿足HCCI和傳統(tǒng)直噴柴油兩種方式。

3．缸內(nèi)晚噴HCCI

在接近上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)之后，把柴油噴入氣缸，同時(shí)采用大量預(yù)冷的EGR、加強(qiáng)渦流和降低壓縮比等措施實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲，使柴油著火恰好發(fā)生在噴射結(jié)束之后。盡管缸內(nèi)晚噴形成的油氣均勻度不如進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)早噴均勻，但NOx和PM排放仍然低于傳統(tǒng)柴油機(jī)。柴油機(jī)缸內(nèi)晚噴HCCI燃燒的典型代表是日本Nissan公司的MK系統(tǒng)。MK系統(tǒng)通過(guò)推遲噴油，大EGR率（使氧濃度降到15％～16％）延長(zhǎng)滯燃期，使噴油完全在滯燃期內(nèi)完成。為了提高混合率，MK發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比提高了12，并優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)加快油氣混合。在MK燃燒的負(fù)荷范圍內(nèi)，NOx可降低90％以上，煙度低于1個(gè)Bosch單位。

（二）進(jìn)氣溫度的影響

HCCI燃燒的著火時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣溫度十分敏感，隨著進(jìn)氣溫度的提高，將出現(xiàn)著火提前的現(xiàn)象，因此，控制缸內(nèi)溫度將是控制HCCI燃燒著火時(shí)刻的一個(gè)關(guān)鍵因素。一般通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度控制HCCI燃燒以及著火始點(diǎn)。

在進(jìn)氣管加裝進(jìn)氣加熱裝置、引入廢氣再循環(huán)（EGR）可以提高進(jìn)氣溫度，Najt和Foster及后來(lái)的Thring對(duì)四沖程柴油機(jī)做的HCCI研究就是通過(guò)廢氣再循環(huán)后的電加熱裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣加熱的。試驗(yàn)研究了空氣流速和進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，隨著進(jìn)氣溫度或空氣流速的增加，燃燒效率增加，HC和CO排放降低；在低溫、低流速區(qū)，各缸壓力相對(duì)變化較小，在某一特定的溫度條件下，各缸的著火時(shí)刻相差很大，溫度很低時(shí)，甚至出現(xiàn)一缸著火而另一缸熄火現(xiàn)象；考慮到怠速工況的HC和CO排放，可以采用低流速和高進(jìn)氣溫度的措施來(lái)提高燃燒效率；對(duì)于大負(fù)荷工況，平均有效壓力隨進(jìn)氣溫度降低而增加，而為了提高效率增大功率輸出，必須對(duì)各缸進(jìn)行反饋控制以優(yōu)化各缸燃燒相位；在進(jìn)氣歧管噴水可降低混合氣的溫度，從而降低壓縮沖程缸內(nèi)的溫度，推遲著火時(shí)刻，并且能夠降低燃燒速度和峰值壓力，增大HCCI在大負(fù)荷時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍；進(jìn)氣加熱裝置所需的電壓較高，并且裝置本身體積很大，只適合于在試驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)研究；噴水會(huì)導(dǎo)致HC和CO排放的增加，對(duì)NOx的控制作用卻很小，阻礙了這種方法的應(yīng)用。

（三）負(fù)荷的影響

1．低負(fù)荷工況

HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷工況時(shí)，循環(huán)供油量小，混合氣濃度稀，而反應(yīng)物濃度是影響燃燒反應(yīng)的一個(gè)重要因素，加之此時(shí)缸內(nèi)溫度較低，使HCCI燃燒的著火時(shí)刻顯著推遲，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象。在出現(xiàn)失火循環(huán)后，后繼循環(huán)爆發(fā)壓力往往突然升高，這是由于失火循環(huán)殘余的部分燃油在缸內(nèi)，導(dǎo)致下一循環(huán)油量增加，引起爆發(fā)壓力突升。

2．高負(fù)荷工況

HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在高負(fù)荷時(shí)，循環(huán)供油量大，此時(shí)缸內(nèi)溫度高，混合氣濃度大，使燃燒反應(yīng)的速度加快，從而容易引起著火過(guò)于提前的現(xiàn)象。過(guò)快的燃燒速度將造成壓力升高率迅速增大，并出現(xiàn)燃燒壓力振蕩現(xiàn)象。燃燒粗暴時(shí)，相關(guān)的噪聲、振動(dòng)和沖擊負(fù)荷增大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件損壞，同時(shí)NOx的排放也急劇升高，限制了HCCI燃燒的負(fù)荷擴(kuò)展。

（四）EGR的影響

廢氣再循環(huán)（EGR）能提高進(jìn)氣溫度，改變混合氣的著火特性，從而影響著火時(shí)刻。引入廢氣再循環(huán)的目的還在于它稀釋了混合氣的濃度，能有效減緩燃燒速度，降低燃燒噪聲，為大負(fù)荷區(qū)HCCI燃燒控制提供了一種有效手段。同時(shí)，廢氣再循環(huán)能夠回收一部分廢氣的能量。當(dāng)EGR率小于30％時(shí)，氧濃度的下降并不足以影響燃燒，此時(shí)廢氣再循環(huán)對(duì)控制著火始點(diǎn)的作用很小。Christensen等的研究結(jié)果表明，廢氣再循環(huán)推遲了著火時(shí)刻，提高了指示效率，降低了未燃HC的排放量，同時(shí)，排氣溫度增加，可以利用氧化催化裝置來(lái)氧化未燃HC。與汽油機(jī)HCCI燃燒相比，柴油機(jī)HCCI燃燒更容易實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)柴油機(jī)上，因其壓縮比較高，將空燃比和EGR率控制在一定的范圍內(nèi)，接近室溫即可成功實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的HCCI燃燒。柴油機(jī)HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍受敲缸、失火及較低的平均有效壓力值的限制，但比汽油機(jī)HCCI燃燒達(dá)到敲缸時(shí)的空燃比大。低溫反應(yīng)的自燃時(shí)刻受EGR率的控制，而主放熱階段的開(kāi)始時(shí)刻則受空燃比影響較大。

（五）氣門正時(shí)的影響

改變配氣正時(shí)可以改變缸內(nèi)殘余廢氣量和缸內(nèi)溫度，增大氣門負(fù)重疊期（提前關(guān)閉排氣閥，延遲開(kāi)啟進(jìn)氣閥），使缸內(nèi)殘余廢氣量增大，殘余廢氣再壓縮的溫度增加。殘余廢氣的高溫有利于燃料的蒸發(fā)，形成均質(zhì)混合氣，同時(shí)較高的缸內(nèi)溫度又會(huì)使HCCI燃燒的著火時(shí)刻提前，從而容易造成大功率狀態(tài)下工作粗暴，并引起最大輸出功率下降。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，內(nèi)部EGR（可變氣門正時(shí)）的溫度效應(yīng)大于其對(duì)混合氣的稀釋，對(duì)于柴油機(jī)這種容易發(fā)生低溫自燃的燃料，負(fù)氣門重疊期增大易造成大負(fù)荷著火過(guò)于提前，限制了最大輸出功率。

在小負(fù)荷工況范圍內(nèi)，較大的負(fù)氣門重疊期有利于HCCI燃燒的穩(wěn)定性；在大負(fù)荷工況范圍內(nèi)，較大的負(fù)氣門重疊期不利于HCCI燃燒的穩(wěn)定性。

（六）壓縮比的影響

壓縮比是另一個(gè)影響燃燒相位較大的因素，改變壓縮比可以改變混合氣的密度和壓力，從而對(duì)其自燃溫度產(chǎn)生影響。改變壓縮比的主要方法是調(diào)整燃燒室容積、工作容積和改變配氣相位。在利用可變壓縮比控制HCCI方面，Lund技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮比對(duì)燃燒效率的影響很大，壓縮比增加則熱效率增加，而燃燒效率減小，導(dǎo)致熱效率增加量的減少，研究還發(fā)現(xiàn)，高壓縮比可替代進(jìn)氣預(yù)熱。當(dāng)壓縮比高達(dá)17∶1時(shí)，絕對(duì)有效效率上升，NOx排放下降，但是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間縮短，CO排放增加。該試驗(yàn)HCCI的可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍分別為1000～5000r/min，負(fù)荷范圍處于怠速和0.44MPa平均有效壓力之間。隨著壓縮比提高，穩(wěn)定HCCI燃燒所需的熱EGR率降低，因此用冷EGR配合高壓縮比可以控制燃燒速度，從而擴(kuò)大HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。

四、結(jié)束語(yǔ)

柴油機(jī)HCCI燃燒具有超低的NOx和PM排放，具有很高的能量轉(zhuǎn)換率，這對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，不但保留了原有的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，還大大降低了排放，使其性能更加完美，這無(wú)疑具有很大的發(fā)展前景。不過(guò)，柴油機(jī)HCCI燃燒的HC和CO排放偏高，有待進(jìn)一步降低。另外，影響柴油HCCI燃燒的因素多，使得難以控制，必然要采用雙模式運(yùn)行方案。即中、低負(fù)荷時(shí)，采用HCCI燃燒方式；高負(fù)荷時(shí)，使用傳統(tǒng)模式。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，柴油機(jī)HCCI燃燒的控制將更加完善，真正達(dá)到實(shí)用化的目的。

（轉(zhuǎn)載）