淺析氫燃料HCCI發動機

王文彬

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

前言

隨著化石能源的減少，環境污染日益嚴重，傳統的汽油、柴油發動機已不能滿足可持續發展要求，急需尋找一種新型替代燃料和更加合理的燃燒模式。氫氣作為一種無碳能源，可以很大程度上減少有害尾氣的排放，是一種理想的新型替代能源。HCCI可有效降低PM、NOx等有害尾氣的排放。把氫燃料與HCCI相結合，不僅可以減少環境污染問題而且還能有效緩解能源危機。

1 HCCI

HCCI最主要的燃燒特征是：a.均值，b.低溫，c.壓燃。HCCI采用稀薄混合氣燃燒，中小負荷燃燒時速度快，接近等容燃燒，由于HCCI燃燒溫度較低，傳熱損失較少，因此HCCI能夠獲得較高的熱效率，節省燃料，提高發動機的經濟性。

HCCI可有效降低氮氧化物排放。NO生成有兩個因素，高溫和氮氧在高溫中滯留的時間。HCCI發動機本身的燃燒溫度相對傳統發動機較低，相對于燃料燃燒的化學反應，NO生成的化學反應速度相對較慢，只有少量的 NO是在火焰當中生成，其余大部分是在火焰過后的高溫已燃氣體中形成，在HCCI中氮氧在高溫環境當中停滯的時間不足，導致NO的生成量大幅度減少。所以與傳統的汽油柴油機相比HCCI發動機在部分負荷工況下NO排放可降低95%-98%。HCCI最大的缺陷就是由于使用較強的EGR，使得HC、CO的排放較高。

2 氫燃料HCCI發動機

氫燃料 HCCI就是用氫氣來替代傳統的燃料達到均值低溫壓燃的燃燒效果，純氫燃料相對于傳統燃料有著天然的優勢，氫氣里面不含碳元素，也就是說在燃燒過程中不會產生PM、HC、CO等含C污染氣體。把氫作為單一燃料應用到常規發動機上基本上只有NO一種污染物。而HCCI可有效降低NO排放，把氫氣與HCCI相結合起到了1+1＞2的效果，有效的降低污染物排放，甚至不產生任何有害氣體。

3 氫燃料HCCI發動機實現方式

目前，把氫氣作為燃料應用到HCCI發動機有兩種方式，一種是氫氣和低燃點燃料摻燒，另外一種是使用純氫氣作為燃料。

3.1 摻燒

氫氣和低燃點燃料摻燒就是在壓縮過程中由低燃點燃料引燃氫氣，而且這一方式在國內的研究較多。根據NO的生成機理可知，HCCI對改善氫發動機NO排放是可行的。因為氫氣的燃燒速度要高于一般燃料的燃燒速度，通過摻氫燃燒可以提高整體的燃燒速度，縮短主放熱階段，減少氮氧在高溫中滯留的時間，從而降低氫燃料HCCI發動機NO排放水平。

3.2 純氫

由于HCCI使用低溫壓縮著火的方式，對燃料的自然溫度有一定的要求，自然溫度不能太高，否則對發動機的結構和制造要求太高以至于很難實現。氫氣的自然溫度是 547℃，而傳統壓燃式發動機使用的柴油的自然溫度約 250℃，遠低于氫氣的自然溫度。把HCCI與氫燃料相結合一般采用兩種方法：

（1）提高壓縮終了混合氣溫度

一般提高壓縮比終了混合氣溫度的措施有：提高壓縮比，進氣道空氣加熱，廢氣再循環（EGR）等。較高的壓縮比可以得到較高壓縮溫度，進氣道空氣加熱提高進氣溫度，EGR提高缸內混合氣溫度。通常是多種措施相結合使用，提高提高壓縮終了混合氣溫度。

（2）火花塞點火輔助

火花塞點火輔助類似于傳統的汽油機，保留了火花塞點火能夠使得 HCCI過程有了更多的控制，火花塞能夠引燃氫氣，這樣就能避免失火現象的出現，而且火花塞還能夠控制著火時刻，大負荷和冷啟動情況下能夠使用傳統的火花塞點燃模式工作，使氫氣的燃燒在各個工況下有所保障。

4 氫燃料HCCI燃燒缺陷及處理

HCCI通過控制缸內混合氣溫度，濃度以及成分來間接實現對著火以及燃燒過程的控制，相比汽油柴油機HCCI發動機缺乏一種直接有效的強制性控制性手段對其燃燒過程進行控制，如果發動機運行工況發生變化，HCCI發動機只能依靠改變內部溫度、濃度來補償，這樣的話HCCI的瞬態響應就會先天比傳統發動機弱。而氫燃料HCCI也存在同樣的問題，不過它可以通過火花塞點火輔助解決瞬態響應慢的問題。

氫燃料 HCCI存在的另外一個問題是純氫燃燒速率過快導致爆震現象。氫燃料HCCI形成爆震的主要原因是氫氣的燃燒速度過快，為解決這個問題，可以通過添加抑制劑，在一定程度上抑制氫氣過快的燃燒速度，降低火焰傳播速度，從而改善爆震現象。

5 結語

氫燃料HCCI發動機作為一種新型高效低污染發動機，對于汽車尾氣污染問題，氫燃料HCCI發動機為我們提供了一個很好的選擇，如果能夠大范圍的推廣使用，可以很大程度上緩解大氣污染問題。

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