均质压燃(HCCI)技术分析

能源与环境课程论文2017.011均质压燃(HCCI)技术分析摘要对被称为第四种燃烧方式的HCCI燃烧方式进行了介绍，阐述了HCCI燃烧技术的优缺点，对HCCI发动机进行了分类并对各个种类进行了简要介绍，对HCCI的实现与控制方式进行了具体介绍。同时，指出了HCCI方式面临的技术目标，展望了HCCI燃烧方式的发展趋势。关键词：HCCI技术；内燃机；稀薄燃烧1.HCCI技术HCCI技术利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式，它通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加温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。HCCI发动机的着火和燃烧过程，与传统的火花点火式和压燃式发动机有着本质的区别。在HCCI过程中，化学动力学起着至关重要的作用。HCCI发动机的着火与燃烧过程涉及重烃(高分子碳氢化合物)燃料的两阶段氧化过程，即低温氧化阶段(600-800K)和高温氧化阶段((1000-11OOK)。均质混合气压燃燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，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GDl发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。HCCI发动机利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式。它通过提高压缩比，采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在气缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并缩短了火焰传播距离和燃烧持续期。它与柴油机燃烧方式的不同在于:柴油机在着火时刻燃油还没有完全蒸发混合，进行的是扩散燃烧方式，燃烧速率主要受燃油蒸发以及与空气混合速率的影响;而进行HCCI燃烧的混合气在着火以前已经均匀混合，进行的是预混燃烧模式。因此，HCCI发动机兼有传统汽油机和柴油机的优点。能源与环境课程论文2017.0122.HCCI技术的优缺点2.1HCCI技术的优点(1)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。(2)HCCI燃烧方式可以同时降低NOx和PM0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1800K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NOx的生成，几乎做到了无烟燃烧，同时，通过废气再循环也降低HC和CO排放。(3)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。2.2HCCI技术的缺点(1)着火定时和燃烧相位的控制困难。与传统火花点火汽油机和柴油机不同，HCCI燃烧过程中着火定时不受火花点火或喷油的直接控制，而是由空气和燃料所组成的混合气的自动点火的化学反应决定。在大范围的转速和负荷内，尤其是在快速的瞬态工况下，HCCI发动机着火定时的控制成为HCCI发动机面临的主要挑战。目前控制着火定时的主要措施有:直接调节进气温度、改变EGR率调节缸内混合气的温度和成分、可变压缩比(VCR)控制混合气在TDC时的温度、可变气门定时(VVT)改变缸内的残余废气量和有效压缩比、燃油喷射定时(在直喷式系统中)以及使用燃油添加剂来改变混合气的活性等。其中可变压缩比和可变气「]定时最有发展潜力，但是在成本和可行性方面还需要进一步的研究。(2)工况运行范围比较窄。HCCI发动机在中低负荷可以很好地运行。但是在高负荷时，混合气加浓，燃烧速度过快，压力升高率过大，燃烧非常剧烈，发生爆震现象，同时由于燃烧温度升高NOX排放过高;在过低负荷时，燃烧效率过低，能源与环境课程论文2017.013并且着火困难。因此HCCI燃烧被限定在一个有限的运行范围内。HCCI运行范围除了需要向高负荷范围拓展外，还需向低负荷范围拓宽，提高低负荷时HCCI燃烧的稳定性、燃油经济性和排放性能，其中包括低怠速和冷启动工况。(3)高负荷时会使NOX的排放增加，低负荷时会出现失火和因温度过低而使其工作变得不稳定和产生较高的HC和CO。HCCI发动机中的HC和CO排放通常较高。特别是中低负荷时，由于HCCI燃烧温度过低，靠近缸壁处的燃油无法燃烧，同时由于温度过低缸内的CO无法被完全氧化，故HC和CO排放大幅度增加。同时由于缸内的混合气均匀，在压缩冲程时缝隙中进入了一部分燃油混合气，这部分混合气在膨胀冲程重新返回气缸内，增加了HC排放。(4)输出功率的密度较低。(5)热量的释放速度较快导致较高的燃烧噪音，尤其是在高负荷时。(6)冷启动困难。3.HCCI发动机的分类3.1HCCI燃烧按供油方式分类(1)进气道喷射:将燃料喷到进气阀附近和空气混合，然后在进气过程中将混合气吸人缸内。这个方法利用进气涡流来强化混合气的形成过程，从而提高油气混合工质的均匀度。进气道喷射柴油是提高混合气均匀度的一个相对简单的方法。(2)缸内前期喷射:即在压缩上止点前将燃料喷人缸内，通常此种情况下发动机的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。燃油喷射可使用普通柴油机喷嘴，也可通过专用的喷射阀实现。(3)缸内后期喷射:将柴油在压缩上止点附近或之后喷人缸内，同时采用大量预冷的废气再循环(EGR)、加强涡流和降低压缩比等措施来实现点火延迟。最终结果是着火恰好发生在燃油喷射结束之后。尽管缸内后期喷射在缸内形成的混合物均匀度不如前两种形式，但NOX和碳烟排放仍然低于传统柴油机。3.2HCCI燃烧按油品分类HCCI燃品可分为汽油、柴油和代用燃料等3种。根据目前的研究统计来看，传统内燃机的燃料汽油和柴油因其市场份额大，所带来的能源和环境问题突出，研究工作最为广泛深入。汽油HCCI主要是解决能源与环境课程论文2017.014汽油机燃油经济性问题;柴油HCCI主要解决柴油机排放问题。目前，柴油HCCI发动机已有产品面市，如丰田UNIBUS和日产的MK等。3.3HCCI发动机按工作模式分类一种是以提高经济性和排放性能为目标而采用高压缩比高空燃比HCCI燃烧工作模式，另一种是为了适应车用变工况便于在大负荷时切换到火花点火(SI)燃烧模式而采用低压缩比低空燃比HCCI燃烧模式。4．HCCI技术的实现和控制1.进气温度进气温度是影响HCCI燃烧最直接的参数。进气温度低，HCCI发动机易失火;进气温度升高，着火提前，燃烧持续期缩短，发动机易发生爆震。当发动机转速和负荷变化时，着火时刻也随之变化。控制进气温度可以使HCCI保持合理的燃烧相位，但因进气系统的热惯性，改变进气温度是缓慢的过程，尤其是车用瞬态工况下在发动机一个循环内完成进气温度补偿几乎是不可能的。2.压缩比提高压缩比可以增加压缩终点混合气温度，实现HCCI燃烧。高压缩比可以降低对进气温度的需求，从而提高进气密度，增加功率输出。因此，HCCI发动机设计时尽可能提高压缩比。但对于辛烷值较低的燃料，提高压缩比易导致发动机在高负荷时产生爆震。为满足车用发动机不同负荷的需求，发动机可采用变几何压缩比(VCR)技术。由于VCR技术尚未产业化，目前，HCCI发动机一般利用VVT改变进气门关闭时刻来改变有效压缩比，从而控制HCCI。3.EGR热EGR可提高充量温度到HCCI着火温度。除了热影响外，还有化学作用。缸内残余废气保存了大量的𝐻2𝑂2、𝐻𝑂2、𝐶𝐻2等活性成分，使混合气着火提前;同时，残余废气中的惰性气体减缓化学反应速率，抑制快速燃烧，降低最高燃烧压力，提高了HCCI高负荷时的抗爆震能力。另有研究发现，EGR非均质度也可降低HCCI燃烧速率，提高抗爆性。通过调整气门相位可精确控制缸内残余废气量，从而影响HCCI着火始点和燃烧放热率。4.燃油改质通过向燃料中添加活性成分可以改善HCCI着火。试验发现，引入微量的着能源与环境课程论文2017.015火改进剂更易引发着火，使得HCCI着火提前，燃烧充分。而通过在线混合不同化学性质的燃料可以控制HCCI着火时刻。通常采用高辛烷值燃料配合高十六烷值燃料，如天然气配二甲醚、乙醇配正庚烷、异辛烷配正庚烷、甲醇配二甲醚、汽油配柴油及天然气配柴油等。通过车载燃料改质器，高辛烷值燃料在进入气缸之前改质，与空气形成相对易着火的可燃混合气，也可控制HCCI燃烧，如车载CNG改质和车载甲醇改质等。但燃油改质需要两套燃油供给和喷射系统或燃料改质器，响应速度慢，难以适应车用瞬态工况。5.缸内直喷缸内直喷是控制发动机燃烧最有潜力的一种手段。缸内直喷通过改变喷油时刻、喷油量以及多段喷射比例可以在缸内形成不同性质的可燃混合气。“早喷”可获得更多的时间用于燃油蒸发和空气混合，形成均质混合气，如缸内直喷汽油HCCI发动机、丰田UNIBUS柴油机;“晚喷”将喷油推迟到上止点后，如日产MK柴油机采用晚喷技术，同时采用高EGR率和高涡流比，延长着火滞燃期的同时提高混合率，使喷油完全在着火滞燃期内完成，形成预混合气。负阀重叠期内的缸内“预喷”实质上是一种快速在线燃油改质的方法。研究发现，通过负阀重叠获取缸内EGR，配合缸内直喷技术在负阀重叠期将少量燃料喷入高温废气，能够实现燃料改质，大幅度降低燃料自燃温度，提高HCCI燃烧稳定性。而且预喷燃料能够对HCCI着火始点和燃烧速率起到很好的调节作用，使HCCI燃烧的精确控制成为可能。6.进气增压进气增压被认为是扩展HCCI工作范围最有效的方法之一。早在1988年就有学者用试验证实了进气增压的效果，他们使用17:1和19:1的压缩比将进气增压到1到2bar，结果发现增压能显著地提高发动机缸内的平均指示压力，但增压的压力要受到发动机和压缩比的限制。在压缩比为17:1,EGR率48，增压1.0bar时，以天然气为燃料，HCCI最高的平均指示压力能达到16bar,HC的排放随增压压力的提高而降低，但CO排放则非常依赖于混合气的空燃比和进气加热。科学家在一个1.6升变压缩比的多缸HCCI发动机上对比了涡轮增压和机械增压，发现涡轮增压比机械增压产生较少的功率损失，而且涡轮增压比不增压的发动机有更好的效率。同时，另有学者也发现进气增压能扩展HCCI的负荷范围，并能能源与环境课程论文2017.016减少燃油消耗。5.HCCI发展目标和发展趋势5.1HCCI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NOx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HC-CI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NOx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。5.2HCCI技术发展趋势(1)精确控制着火和拓宽运行范围。HCCI技术的主要技术瓶颈就在于燃烧控制和工况运行范围拓展，HCCI技术要能广泛应用，必将再这两个方面实现技术的重大突破。(2)快速可靠的燃烧模式切换。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