均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析

均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析xxx公司均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)分析摘要對被稱為第四種燃燒方式的HCCI燃燒方式進行了介紹，闡述了HCCI燃燒技術(shù)的優(yōu)缺點，對HCCI發(fā)動機進行了分類并對各個種類進行了簡要介紹，對HCCI的實現(xiàn)與控制方式進行了具體介紹。同時，指出了HCCI方式面臨的技術(shù)目標，展望了HCCI燃燒方式的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：HCCI技術(shù)；內(nèi)燃機；稀薄燃燒技術(shù)HCCI技術(shù)利用的是均質(zhì)混合氣，但它不同于常規(guī)汽油機的單點點火方式，它通過提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)、進氣加溫和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力，促使混合氣壓縮自燃，在缸內(nèi)形成多點火核，有效維持了著火燃燒的穩(wěn)定性，并減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。HCCI發(fā)動機的著火和燃燒過程，與傳統(tǒng)的火花點火式和壓燃式發(fā)動機有著本質(zhì)的區(qū)別。在HCCI過程中，化學動力學起著至關(guān)重要的作用。HCCI發(fā)動機的著火與燃燒過程涉及重烴(高分子碳氫化合物)燃料的兩階段氧化過程，即低溫氧化階段(600-800K)和高溫氧化階段((1000-11OOK)。均質(zhì)混合氣壓燃燃燒方式的出現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀薄點燃燃燒速度慢的缺點，是有別于傳統(tǒng)的汽油機均質(zhì)點燃預混燃燒、柴油機非均質(zhì)壓燃擴散燃燒和GDl發(fā)動機分層稀薄燃燒方式的第四種燃燒方式。HCCI發(fā)動機利用的是均質(zhì)混合氣，但它不同于常規(guī)汽油機的單點點火方式。它通過提高壓縮比，采用廢氣再循環(huán)、進氣加溫和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力，促使混合氣進行壓縮自燃，在氣缸內(nèi)形成多點火核，有效維持了著火燃燒的穩(wěn)定性，并縮短了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。它與柴油機燃燒方式的不同在于:柴油機在著火時刻燃油還沒有完全蒸發(fā)混合，進行的是擴散燃燒方式，燃燒速率主要受燃油蒸發(fā)以及與空氣混合速率的影響;而進行HCCI燃燒的混合氣在著火以前已經(jīng)均勻混合，進行的是預混燃燒模式。因此，HCCI發(fā)動機兼有傳統(tǒng)汽油機和柴油機的優(yōu)點。技術(shù)的優(yōu)缺點HCCI技術(shù)的優(yōu)點(1)HCCI燃燒的優(yōu)點在于它可以同時保持較高的動力性和燃油經(jīng)濟性。一方面，它采用均質(zhì)燃燒混合氣，保持了原汽油機升功率高的特點;另一方面，它取消了節(jié)流損失，設計的壓縮比高，采用多點同時著火的燃燒方式使得能量釋放率較高，接近理想的等容燃燒，熱效率較高，保持了柴油機部分負荷下燃油經(jīng)濟性好的特點。(2)HCCI燃燒方式可以同時降低NOx和PM0它通過設計較稀的混合氣空燃比或利用再循環(huán)的廢氣控制把燃燒溫度降低在1800K以下，并且由于它以均質(zhì)稀燃混合氣方式工作，有效地抑制了NOx的生成，幾乎做到了無煙燃燒，同時，通過廢氣再循環(huán)也降低HC和CO排放。(3)由于HCCI燃燒只與本身的物理化學性質(zhì)有關(guān)，它的著火和燃燒速率只受燃油氧化反應的化學反應動力學控制，受缸內(nèi)流場影響較小，同時均質(zhì)預混的混合氣組織也比較簡單，因此，在發(fā)動機上實施HCCI燃燒模式可以簡化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設計。HCCI技術(shù)的缺點(1)著火定時和燃燒相位的控制困難。與傳統(tǒng)火花點火汽油機和柴油機不同，HCCI燃燒過程中著火定時不受火花點火或噴油的直接控制，而是由空氣和燃料所組成的混合氣的自動點火的化學反應決定。在大范圍的轉(zhuǎn)速和負荷內(nèi)，尤其是在快速的瞬態(tài)工況下，HCCI發(fā)動機著火定時的控制成為HCCI發(fā)動機面臨的主要挑戰(zhàn)。目前控制著火定時的主要措施有:直接調(diào)節(jié)進氣溫度、改變EGR率調(diào)節(jié)缸內(nèi)混合氣的溫度和成分、可變壓縮比(VCR)控制混合氣在TDC時的溫度、可變氣門定時(VVT)改變缸內(nèi)的殘余廢氣量和有效壓縮比、燃油噴射定時(在直噴式系統(tǒng)中)以及使用燃油添加劑來改變混合氣的活性等。其中可變壓縮比和可變氣「]定時最有發(fā)展?jié)摿Γ窃诔杀竞涂尚行苑矫孢€需要進一步的研究。(2)工況運行范圍比較窄。HCCI發(fā)動機在中低負荷可以很好地運行。但是在高負荷時，混合氣加濃，燃燒速度過快，壓力升高率過大，燃燒非常劇烈，發(fā)生爆震現(xiàn)象，同時由于燃燒溫度升高NOX排放過高;在過低負荷時，燃燒效率過低，并且著火困難。因此HCCI燃燒被限定在一個有限的運行范圍內(nèi)。HCCI運行范圍除了需要向高負荷范圍拓展外，還需向低負荷范圍拓寬，提高低負荷時HCCI燃燒的穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟性和排放性能，其中包括低怠速和冷啟動工況。(3)高負荷時會使NOX的排放增加，低負荷時會出現(xiàn)失火和因溫度過低而使其工作變得不穩(wěn)定和產(chǎn)生較高的HC和CO。HCCI發(fā)動機中的HC和CO排放通常較高。特別是中低負荷時，由于HCCI燃燒溫度過低，靠近缸壁處的燃油無法燃燒，同時由于溫度過低缸內(nèi)的CO無法被完全氧化，故HC和CO排放大幅度增加。同時由于缸內(nèi)的混合氣均勻，在壓縮沖程時縫隙中進入了一部分燃油混合氣，這部分混合氣在膨脹沖程重新返回氣缸內(nèi)，增加了HC排放。(4)輸出功率的密度較低。(5)熱量的釋放速度較快導致較高的燃燒噪音，尤其是在高負荷時。(6)冷啟動困難。發(fā)動機的分類HCCI燃燒按供油方式分類(1)進氣道噴射:將燃料噴到進氣閥附近和空氣混合，然后在進氣過程中將混合氣吸人缸內(nèi)。這個方法利用進氣渦流來強化混合氣的形成過程，從而提高油氣混合工質(zhì)的均勻度。進氣道噴射柴油是提高混合氣均勻度的一個相對簡單的方法。(2)缸內(nèi)前期噴射:即在壓縮上止點前將燃料噴人缸內(nèi)，通常此種情況下發(fā)動機的噴油提前角遠大于傳統(tǒng)柴油機，使柴油與空氣在著火前充分混合。燃油噴射可使用普通柴油機噴嘴，也可通過專用的噴射閥實現(xiàn)。(3)缸內(nèi)后期噴射:將柴油在壓縮上止點附近或之后噴人缸內(nèi)，同時采用大量預冷的廢氣再循環(huán)(EGR)、加強渦流和降低壓縮比等措施來實現(xiàn)點火延遲。最終結(jié)果是著火恰好發(fā)生在燃油噴射結(jié)束之后。盡管缸內(nèi)后期噴射在缸內(nèi)形成的混合物均勻度不如前兩種形式，但NOX和碳煙排放仍然低于傳統(tǒng)柴油機。HCCI燃燒按油品分類HCCI燃品可分為汽油、柴油和代用燃料等3種。根據(jù)目前的研究統(tǒng)計來看，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的燃料汽油和柴油因其市場份額大，所帶來的能源和環(huán)境問題突出，研究工作最為廣泛深入。汽油HCCI主要是解決汽油機燃油經(jīng)濟性問題;柴油HCCI主要解決柴油機排放問題。目前，柴油HCCI發(fā)動機已有產(chǎn)品面市，如豐田UNIBUS和日產(chǎn)的MK等。HCCI發(fā)動機按工作模式分類一種是以提高經(jīng)濟性和排放性能為目標而采用高壓縮比高空燃比HCCI燃燒工作模式，另一種是為了適應車用變工況便于在大負荷時切換到火花點火(SI)燃燒模式而采用低壓縮比低空燃比HCCI燃燒模式。4．HCCI技術(shù)的實現(xiàn)和控制1.進氣溫度進氣溫度是影響HCCI燃燒最直接的參數(shù)。進氣溫度低，HCCI發(fā)動機易失火;進氣溫度升高，著火提前，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動機易發(fā)生爆震。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷變化時，著火時刻也隨之變化。控制進氣溫度可以使HCCI保持合理的燃燒相位，但因進氣系統(tǒng)的熱慣性，改變進氣溫度是緩慢的過程，尤其是車用瞬態(tài)工況下在發(fā)動機一個循環(huán)內(nèi)完成進氣溫度補償幾乎是不可能的。2.壓縮比提高壓縮比可以增加壓縮終點混合氣溫度，實現(xiàn)HCCI燃燒。高壓縮比可以降低對進氣溫度的需求，從而提高進氣密度，增加功率輸出。因此，HCCI發(fā)動機設計時盡可能提高壓縮比。但對于辛烷值較低的燃料，提高壓縮比易導致發(fā)動機在高負荷時產(chǎn)生爆震。為滿足車用發(fā)動機不同負荷的需求，發(fā)動機可采用變幾何壓縮比(VCR)技術(shù)。由于VCR技術(shù)尚未產(chǎn)業(yè)化，目前，HCCI發(fā)動機一般利用VVT改變進氣門關(guān)閉時刻來改變有效壓縮比，從而控制HCCI。熱EGR可提高充量溫度到HCCI著火溫度。除了熱影響外，還有化學作用。缸內(nèi)殘余廢氣保存了大量的H2O2、HO2、CCCI高負荷時的抗爆震能力。另有研究發(fā)現(xiàn)，EGR非均質(zhì)度也可降低HCCI燃燒速率，提高抗爆性。通過調(diào)整氣門相位可精確控制缸內(nèi)殘余廢氣量，從而影響HCCI著火始點和燃燒放熱率。4.燃油改質(zhì)通過向燃料中添加活性成分可以改善HCCI著火。試驗發(fā)現(xiàn)，引入微量的著火改進劑更易引發(fā)著火，使得HCCI著火提前，燃燒充分。而通過在線混合不同化學性質(zhì)的燃料可以控制HCCI著火時刻。通常采用高辛烷值燃料配合高十六烷值燃料，如天然氣配二甲醚、乙醇配正庚烷、異辛烷配正庚烷、甲醇配二甲醚、汽油配柴油及天然氣配柴油等。通過車載燃料改質(zhì)器，高辛烷值燃料在進入氣缸之前改質(zhì)，與空氣形成相對易著火的可燃混合氣，也可控制HCCI燃燒，如車載CNG改質(zhì)和車載甲醇改質(zhì)等。但燃油改質(zhì)需要兩套燃油供給和噴射系統(tǒng)或燃料改質(zhì)器，響應速度慢，難以適應車用瞬態(tài)工況。5.缸內(nèi)直噴缸內(nèi)直噴是控制發(fā)動機燃燒最有潛力的一種手段。缸內(nèi)直噴通過改變噴油時刻、噴油量以及多段噴射比例可以在缸內(nèi)形成不同性質(zhì)的可燃混合氣。“早噴”可獲得更多的時間用于燃油蒸發(fā)和空氣混合，形成均質(zhì)混合氣，如缸內(nèi)直噴汽油HCCI發(fā)動機、豐田UNIBUS柴油機;“晚噴”將噴油推遲到上止點后，如日產(chǎn)MK柴油機采用晚噴技術(shù)，同時采用高EGR率和高渦流比，延長著火滯燃期的同時提高混合率，使噴油完全在著火滯燃期內(nèi)完成，形成預混合氣。負閥重疊期內(nèi)的缸內(nèi)“預噴”實質(zhì)上是一種快速在線燃油改質(zhì)的方法。研究發(fā)現(xiàn)，通過負閥重疊獲取缸內(nèi)EGR，配合缸內(nèi)直噴技術(shù)在負閥重疊期將少量燃料噴入高溫廢氣，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料改質(zhì)，大幅度降低燃料自燃溫度，提高HCCI燃燒穩(wěn)定性。而且預噴燃料能夠?qū)CCI著火始點和燃燒速率起到很好的調(diào)節(jié)作用，使HCCI燃燒的精確控制成為可能。6.進氣增壓進氣增壓被認為是擴展HCCI工作范圍最有效的方法之一。早在1988年就有學者用試驗證實了進氣增壓的效果，他們使用17:1和19:1的壓縮比將進氣增壓到1到2bar，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增壓能顯著地提高發(fā)動機缸內(nèi)的平均指示壓力，但增壓的壓力要受到發(fā)動機和壓縮比的限制。在壓縮比為17:1,EGR率48，增壓1.0bar時，以天然氣為燃料，HCCI最高的平均指示壓力能達到16bar,HC的排放隨增壓壓力的提高而降低，但CO排放則非常依賴于混合氣的空燃比和進氣加熱?？茖W家在一個升變壓縮比的多缸HCCI發(fā)動機上對比了渦輪增壓和機械增壓，發(fā)現(xiàn)渦輪增壓比機械增壓產(chǎn)生較少的功率損失，而且渦輪增壓比不增壓的發(fā)動機有更好的效率。同時，另有學者也發(fā)現(xiàn)進氣增壓能擴展HCCI的負荷范圍，并能減少燃油消耗。發(fā)展目標和發(fā)展趨勢HCCI技術(shù)的目標HCCI技術(shù)的研發(fā)目標是在性能上超越壓燃式和點燃式發(fā)動機，并應用于貨車發(fā)動機。HCCI發(fā)動機同時擁有壓燃式和點燃式發(fā)動機的優(yōu)點，其排放控制系統(tǒng)不像壓燃機和點燃機使用稀有貴重金屬。HCCI技術(shù)擁有同時適合高負荷及低負荷發(fā)動機的可能性。低負荷HCCI發(fā)動機可以追趕上汽油機，并且有能力追趕并超越傳統(tǒng)式壓燃機的熱效率，并且沒有解決NOx及微粒排放系統(tǒng)及燃料提純等這些挑戰(zhàn)。對于高負荷發(fā)動機，研究表明，壓燃式HC-CI發(fā)動機是一個重要的選擇和規(guī)劃，因為傳統(tǒng)式壓燃機將很難達到未來的有害NOx和PM排放的標準。事實上，HCCI技術(shù)可以在任何型號的貨用發(fā)動機來使用，無論是小型摩托車還是大型的船用發(fā)動機。HCCI技術(shù)同樣適合于活塞發(fā)動機，用于貨用及傳動設備，例如發(fā)電和管道水泵輸送。HCCI發(fā)動機非常的適合連續(xù)的混合物發(fā)動機的產(chǎn)生，因為他能優(yōu)化其操作性，例如更多的現(xiàn)速，和更高的載重性，對比于現(xiàn)在廣泛使用的商業(yè)發(fā)動機。HCCI發(fā)動機在一系列混合發(fā)動機上的使用將深度提高它的能力，以至于開發(fā)并使用于高效率的發(fā)動機。HCCI技術(shù)發(fā)展趨勢(1)精確控制著火和拓寬運行范圍。HCCI技術(shù)的主要技術(shù)瓶頸就在于燃燒控制和工況運行范圍拓展，HCCI技術(shù)要能廣泛應用，必將再這兩個方面實現(xiàn)技術(shù)的重大突破。(2)快速可靠的燃燒模式切換。HCCI技術(shù)商業(yè)化仍需時日，但雙燃燒模式切實可行，即啟動和大負荷時用點燃或壓燃，怠速和部分負荷時用HCCI燃燒模式。這種雙燃燒模式發(fā)動機如果再結(jié)合EGR，則NOx"PM,UHC和CO排放很低。由于采用均質(zhì)燃燒混合氣，保持了原汽油機升功率高的特點;另一方面，它取消了節(jié)流損失，設計的壓縮比高，采用多點同時著火的燃燒方式使得能量釋放率較高，接近理想的等容燃燒，熱效率較高，保持了柴油機部分負荷下燃油經(jīng)濟性好的特點。(2)分缸閉環(huán)獨立控制。采用分缸閉環(huán)獨立控制保證多缸HCCI發(fā)動機各缸之間工作均勻性也是HCCI發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化必須采用的技術(shù)。6總結(jié)(1)HCCI是可實現(xiàn)高效低污染的內(nèi)燃機燃燒技術(shù)，如果HCCI燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商品化，將是內(nèi)燃機發(fā)展史上的一次革命；(2)HCCI燃燒的控制可以通過EGR、增壓、缸內(nèi)直噴等手段實現(xiàn)，通過多種技術(shù)的配合可以擴大HCCI的運行范圍，并逐步對其燃燒進行有效的控制。(3)HCCI技術(shù)的研發(fā)目標是在性能上超越壓燃式和點燃式發(fā)動機，并應用于貨車發(fā)動機。此目標的實現(xiàn)必須依賴于快速可靠的燃燒模式切換、精確控制著火和拓寬運行范圍、分缸閉環(huán)獨立控制等技術(shù)問題的解決。參考文獻[1]王志.均質(zhì)壓燃發(fā)動機研究開發(fā)新進展[J].車用發(fā)動機，2007(3)：1-7.[2]趙新順.HCCI技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].內(nèi)燃機工程,2004，25(4)：73-77.[3]王大興.均質(zhì)壓燃式(HCCI)燃燒的研究[J].內(nèi)燃機工程,2002，23(4)：77-81.[4]孫慶.汽油機均質(zhì)混合氣壓燃燃燒