柴油機HCCI燃燒特點及影響因素

[摘 要]本文簡要介紹了發動機均質充量壓縮著火(HCCI)燃燒的概念和特點，并進一步著重分析了柴油機HCCI燃燒的特點，以及影響柴油機HCCI燃燒的一些重要因素，如混合氣形成方式、進氣溫度、負荷、廢氣再循環(EGR)、氣f3，~-時及壓縮比等因素。

[關鍵詞]柴油機 均質壓燃 影響因素

發動阢咆貢范匱樂寤oAHCCI(homogeneouscharge compression ignition)燃燒是一種全新的燃燒方式。它能有效降低傳統內燃機的燃油消耗和排放問題，特別是能同時降低柴油機NOx和顆粒物(PM)的排放。并進一步增加熱效率，因而被認為是發動機燃燒技術的一個重大進步。

隨著排放法規的日益嚴格和發動機技術的進步，HCCI燃燒技術在節約能源和降低排放方面的潛力引起了世界各國的高度重視。美國、歐洲和日本的一些研究機構和企業都在大力開展這一領域的研究工作，并成為目前發動機領域的一個研發熱點。 1，HCCl燃燒方式概述 HCCI是均勻的可燃混合氣在氣缸內被壓縮直至白行著火燃燒的方式。隨著壓縮過程的進行，氣缸內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同時達到自燃條件，使燃燒在多點同時發生，而且沒有明顯的火焰前鋒，燃燒反應迅速，燃燒溫度低且分布較均勻，因而，只生成極少的NOx和微粒(PM)，在低負荷時具有很高的熱效率。HCCI發動機主要具有以下幾個特點。

1，1超低的NOx和PM排放。HCCI發動機在部分工況下的NOx排放相對柴油直噴機(DH)可降低95％一98％。

1，2燃燒熱效率高。HCCI發動機的熱效率甚至超過了直噴式柴油機。

13 HCCI燃燒過程主要受燃燒化學動力學控制。

!。4 HCCI發動機運行范圍較窄

HCCI發動機燃燒受到失火(混合氣過稀)和爆燃(混合氣過濃)的限制，使發動機運行范圍變窄。對于高十六烷值燃料，由于HCCI發動機燃燒非常迅速，在高負荷工況下(混合氣濃度大)易發生爆震；對于高辛烷值的燃料，由于HCCI燃燒為稀薄燃燒，發動機在小負荷工況下容易失火。

!，5 HCCI發動機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的EGR，因缸內溫度較低造成的。

2，柴油機HCCI燃燒的特點

實現柴油機HCCI燃燒要面，臨兩方面的困難：一是柴油粘度大，揮發性差。難以形成均質混合氣；二是柴油作為高十六烷值燃料，容易發生低溫自燃反應，均質混合氣的燃燒速度控制困難，易造成粗暴燃燒。

柴油HCCI燃燒是在多點同時發生，沒有明顯的火焰前鋒，燃燒反應迅速，燃燒溫度低且分布較均勻，只生成極少的NOx和PM，在低負荷時具有很高的熱效率。而傳統柴油機采用高壓噴射形成非均勻的混合氣擴散燃燒，混合氣和溫度分布都極不均勻，在擴散火焰外殼的7咖臣鏟生NOx，內部高溫缺氧戶生P比 3，柴油機HOCl燃燒的影響因素 3，!影響柴油機HCCI燃燒的3種混合氣的形成方式

均質混合氣的形成是實現對HCCI燃燒控制的第一步，國際上采用的柴油均質預混合氣方式包括：進氣道缸外預混、缸內早噴射和晚噴。

31，1缸外預混HCCI

即在進氣沖程把柴油噴人進氣管，與空氣混合形成預混合氣。采用進氣道噴射，利用進氣渦流來強化混合氣的形成，是提高混合氣均勻度的一個相對簡單的方法。 3，1，2缸內早噴HCCI 該方式是目前普遍采用的柴油HCCI預混合氣形成方式。即在壓縮沖程的早期，柴油被噴人氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合。直至發生自燃著火。為了改善燃料的霧化與混合，柴油機HCCI噴油提前角遠大于傳統柴油機，使柴油與空氣在著火前充分混合。 3，1，3缸內晚噴HCCI 在接近上止點或在上止點之后，把柴油噴人氣缸，同時采用大量預冷的EGR、加強渦流和降低壓縮比等措施實現點火延遲，使柴油著火恰好發生在噴射結束之后。盡管缸內晚噴形成的油氣均勻度不如進氣道噴射和缸內早噴均勻，但NOx和PM排放仍然低于傳統柴油機。

3，2進氣溫度的影響

HCCI燃燒的著火時刻對進氣溫度十分敏感，隨著進氣溫度的提高，將出現著火提前的現象，因此，控制缸內溫度將是控制HCCI燃燒著火時刻的一個關健因素。一般通過調節進氣溫度控制HCCI燃燒以及著火始點。

在進氣管加裝進氣加熱裝置、引入廢氣再循環(EGR)可以提高進氣溫度，Najt和Foster及后來的Thring對四沖程柴油機做的HCCI研究就是通過廢氣再循環后的電加熱裝置實現對混合氣加熱的。 3，3負荷的影響 3，3，1低負荷工況 HCCI柴油機運行在低負荷工況時，循環供油量小，混合氣濃度稀，而反應物濃度是影響燃燒反應的一個重要因素，加之此時缸內溫度較低，使HCCI燃燒的著火時刻顯著推遲，甚至出現失火現象。在出現失火循環后，后繼循環爆發壓力往往突然升高，這是由于失火循環殘余的部分燃油在缸內，導致下一循環油量增加，引起爆發壓力突升。

3，3，2高負荷工況

HCCI柴油機運行在高負荷時，循環供油量大，此時缸內溫度高，混合氣濃度大，使燃燒反應的速度加快，從而容易引起著火過于提前的現象，過快的燃燒速度將造成壓力升高率迅速增大，并出現燃燒壓力振蕩現象。燃燒粗暴時，相關的噪聲、振動和沖擊負荷增大，容易造成發動機零部件損壞，同時NOx的排放也急劇升高，限制了HCCI燃燒的負荷擴展。 3，4EGR的影響 廢氣再循環(EGR)能提高進氣溫度，改變混合氣的著火特性，從而影響著火時刻。引入廢氣再循環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。為大負荷區HCCI燃燒控制提供了一種有效手段。同時，廢氣再循環能夠回收一部分廢氣的能量。當EGR率小于30％時，氧濃度的下降并不足以影響燃燒，此時廢氣再循環對控制著火始點的作用很小。Christensen等的研究結果表明，廢氣再循環推遲了著火時刻，提高了指示效率，降低了未燃HC的排放量，同時，排氣溫度增加，可以利用氧化催化裝置來氧化未燃HC，與汽油機HCCI燃燒相比。柴油機HCCI燃燒更容易實現，在傳統柴油機上，因其壓縮比較高，將空燃比和EGR率控制在一定的范圍內，接近室溫即可成功實現柴油機的HCCI燃燒。柴油機HCCI運轉工況范圍受敲缸、失火及較低的平均有效壓力值的限制，但比汽油機HCCI燃燒達到敲缸時的空燃比大。低溫反應的自燃時刻受EGR率的控制，而主放熱階段的開始時刻則受空燃比影響較大。

3，5氣門正時的影響

改變配氣正時可以改變缸內殘余廢氣量和缸內溫度，增大氣門負重疊期(提前關閉排氣閥，延遲開啟進氣閥)，使缸內殘余廢氣量增大，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，形成均質混合氣，同時較高的缸內溫度又會使HCCI燃燒的著火時刻提前，從而容易造成大功率狀態下工作粗暴，井引起最大輸出功率下降。

3，6壓縮比的影響

壓縮比是另一個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，從而對其自然溫度產生影響。改變壓縮比的主要方法是調整燃燒室容積、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技術學院試驗結果表明，壓縮比對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，導致熱效率增加量的減少，研究還發現，高壓縮比可替代進氣預熱。

四、結束語

柴油機HCCI燃燒具有超低的NOx和PM排放，具有很高的能量轉換率，這對傳統柴油機來說，不但保留了原有的節能優勢，還大大降低了排放，使其性能更加完美，這無疑具有很大的發展前景。不過，柴油機HCCI燃燒的HC和CO排放偏高，有待進一步降低。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行方案。即中、低負荷時，采用HCCI燃燒方式；高負荷時，使用傳統模式。隨著發動機技術的進步，柴油機HCCI燃燒的控制將5劻皖善，真正達到滇用化的目的。