長期以來人們?cè)噲D突破采用壓縮點(diǎn)燃和火花點(diǎn)燃這兩種傳統(tǒng)燃燒概念的局限性，于是提出了一種全新的內(nèi)燃機(jī)燃燒概念：HCCI。

兩種傳統(tǒng)燃燒概念局限性分析

壓縮點(diǎn)燃式燃燒概念（用于柴油機(jī)）與火花點(diǎn)燃式燃燒概念（用于汽油機(jī)）相比，最大的特點(diǎn)在于所使用的燃油特性不同。由此造成兩者在以下各方面都有差別，如：燃油引燃方法、燃燒方式、混合氣空氣/燃油比、扭矩調(diào)節(jié)方式、泵氣損失、壓縮比、燃燒劇烈程度、燃油經(jīng)濟(jì)性、有害物質(zhì)排放和振動(dòng)、噪聲不同等等。

出于對(duì)汽車排放的有害物質(zhì)的毒害作用、二氧化碳的溫室效應(yīng)和氮氧化物形成酸雨的關(guān)注，人們對(duì)高效能、低污染的動(dòng)力源的需求與日俱增。空氣/燃油比精確控制、帶三效催化轉(zhuǎn)化器的汽油機(jī)（火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)）正在成為非常清潔的動(dòng)力源。但是，由于節(jié)氣損失、爆震和稀燃極限的緣故，這類發(fā)動(dòng)機(jī)在熱效率方面有很大的局限性。近年來許多研究者正在努力研究和開發(fā)沒有節(jié)氣損失的汽油機(jī)，試圖大幅度提高汽油機(jī)的熱效率，并且已經(jīng)取得了一些可喜的成果，非?？赡茉谶@方面出現(xiàn)重大的突破。但是目前推廣這些成果至少還涉及成本等一系列問題。另一種常見的動(dòng)力源是直噴式柴油機(jī)（壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)），這是一種效率很高的發(fā)動(dòng)機(jī)，其溫室氣體CO2和有害氣體HC、CO的排放都比汽油機(jī)低。但由于它的擴(kuò)散燃燒和燃燒產(chǎn)生的局部高溫這樣一些燃燒特點(diǎn)，很難遏制氮氧化物和炭煙（包括微粒物）的生成，并且還存在氮氧化物和微粒物排放控制目標(biāo)之間相互沖突的問題。為了避免擴(kuò)散燃燒和降低局部的燃燒溫度，必須促進(jìn)燃油和空氣的混合。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，許多研究者研究了預(yù)混合的壓縮點(diǎn)燃燃燒，即HCCI。

HCCI及其重要意義

HCCI是英文“Homogeneous Charge Compression Ignition”的縮寫，中文意思是“均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃”。單從名稱來看，似乎只是一種點(diǎn)燃方式。實(shí)際上，這是一種全新的內(nèi)燃機(jī)燃燒概念，既不同于柴油機(jī)（非均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)燃），又不同于汽油機(jī)（均質(zhì)充量火花點(diǎn)燃），是一種火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)概念的混合體。其特點(diǎn)是：

1． 采用均質(zhì)混合氣?？諝夂腿加驮?/SPAN>HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)中預(yù)混合，形成均質(zhì)的空氣/燃油混合氣，然后吸入氣缸進(jìn)行壓縮。也有燃油直接噴入氣缸、在氣缸內(nèi)與空氣進(jìn)行預(yù)混合的。

2． 采用壓縮點(diǎn)燃。在壓縮沖程中，混合氣溫度升高，達(dá)到自燃溫度而自燃；也就是說，不需要任何點(diǎn)火系統(tǒng)。

3． 采用比火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)高得多的壓縮比，且允許壓縮比在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)變動(dòng)。

4． 為了使均質(zhì)混合氣能夠通過壓縮而點(diǎn)燃，必要時(shí)需對(duì)吸入空氣進(jìn)行加熱。

5． 由于壓縮點(diǎn)燃的緣故，可以采用相當(dāng)稀薄的混合氣，因此可以按照變質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，直接通過調(diào)節(jié)噴油量來調(diào)節(jié)扭矩，不需要節(jié)氣門。

6． 既然均質(zhì)混合氣是自燃的，所以燃燒大體上是整個(gè)氣缸內(nèi)同時(shí)開始的?？梢圆捎眠^量空氣或者殘余廢氣達(dá)到高度稀釋的混合氣。

7． HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的燃油辛烷值允許在一個(gè)廣闊的范圍內(nèi)變動(dòng)?？梢圆捎闷?、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以采用多種燃料混合燃燒。還可以將對(duì)高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調(diào)整，用作在HCCI燃燒中控制燃燒起點(diǎn)和負(fù)荷范圍的方法。也有人試圖用柴油作為HCCI燃料，但效果遠(yuǎn)不及汽油。

將壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成HCCI的主要目的是減少氮氧化物和微粒物排放。將火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成HCCI的目的是減少部分負(fù)荷時(shí)的燃油消耗，就是減少泵氣損失。

美國環(huán)保署最近提出了一個(gè)將重型車輛的排放相對(duì)于目前水平降低95%的龐大計(jì)劃，建議排放限值為0.20g/bhp?hr的氮氧化物和0.01g/bhp?hr的微粒物。專家普遍認(rèn)為，為了達(dá)到如此之低的排放水平，必須將低排放的燃燒系統(tǒng)和先進(jìn)的尾氣后處理設(shè)備結(jié)合起來。但采用尾氣后處理設(shè)備并不意味著不再需要改善缸內(nèi)燃燒過程，恰恰相反，為了達(dá)到未來的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃燒過程的進(jìn)一步改善是至關(guān)重要的。HCCI正可以擔(dān)當(dāng)這一任務(wù)。

如果是柴油機(jī)改裝成HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，就要將高壓噴油設(shè)備改換成低壓的汽油噴射設(shè)備，噴油地點(diǎn)也要從缸內(nèi)噴射改成進(jìn)氣口噴射（也有缸內(nèi)直接噴射的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)）；如果是汽油機(jī)改裝成HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，就要提高壓縮比，并且保持節(jié)氣門敞開，可以將點(diǎn)火系統(tǒng)拆除。

HCCI的燃燒機(jī)理

HCCI燃燒的能量釋放過程是受多種化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素支配的，這些因素進(jìn)而又受流體靜力學(xué)和熱力學(xué)狀態(tài)歷程的影響。普遍認(rèn)為，燃燒的引發(fā)受化學(xué)動(dòng)力學(xué)的控制，因?yàn)楦變?nèi)的混合氣受到壓縮，溫度和壓力上升。溫度和壓力的時(shí)間歷程、壓縮沖程結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力、燃油的自燃特性和殘余廢氣量，連同O2的濃度、不同的燃油含量和燃燒產(chǎn)物，共同支配著燃燒開始的方式。因此，HCCI燃燒具有非常小的循環(huán)偏差，而且不存在火焰?zhèn)鞑ミ^程。

為了獲得HCCI燃燒，要考慮各種不同的參數(shù)。壓縮沖程結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力、燃油的自燃特性和殘余廢氣量都會(huì)影響HCCI的點(diǎn)燃過程。與火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程結(jié)束時(shí)的溫度必須更高一些，以便使得傳統(tǒng)的用于火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油也能夠自燃。

HCCI燃燒起點(diǎn)和燃燒速率的控制

燃燒起點(diǎn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和排放都有十分重要的影響。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過程是一種受化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的自燃過程，混合氣是預(yù)先在氣缸外面混合好的。所以，它既不能像壓縮點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)那樣通過噴油定時(shí)控制燃燒起點(diǎn)，又不能像火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)那樣通過點(diǎn)火定時(shí)控制燃燒起點(diǎn)。

HCCI的燃燒起點(diǎn)控制，也就是放熱起點(diǎn)（SOHR）受各種發(fā)動(dòng)機(jī)性能和工況條件，諸如空氣/燃油比、進(jìn)氣溫度、壓縮比、殘余廢氣量和冷卻液溫度的影響。如果采用EGR的話，還受EGR的影響。最常見報(bào)道的影響燃燒起點(diǎn)的參數(shù)是：可變的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和排氣再循環(huán)率。所以，SOHR的控制，是使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的難點(diǎn)之一。大量的研究工作都集中在這個(gè)問題上。

為了在控制燃燒起點(diǎn)的同時(shí)擴(kuò)展能夠?qū)崿F(xiàn)HCCI燃燒的工況范圍和改善瞬態(tài)響應(yīng)特性，已經(jīng)報(bào)道的方法有：可變壓縮比、可變氣門定時(shí)，甚至雙重燃油操作。例如，Lund工藝研究所和Saab公司合作，在Saab公司的1.6升5缸SVC可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)表明，在燃燒起點(diǎn)的控制方面，壓縮比和進(jìn)氣溫度之間存在一種抵沖關(guān)系：提高進(jìn)氣溫度可以使燃燒提前發(fā)生；提高壓縮比可以代替進(jìn)氣溫度的提高，起到相同的作用。所以，通過調(diào)節(jié)壓縮比，可以在不同的工況點(diǎn)達(dá)到同樣的燃燒起點(diǎn)。隨著壓縮比提高到17:1，還可以使熱效率提高，NOx排放下降。但提高壓縮比的缺點(diǎn)是，由于膨脹加快，反應(yīng)時(shí)間縮短，CO排放會(huì)增加。改變氣門定時(shí)，特別是改變排氣門定時(shí)，可以改變殘余廢氣量和氣缸溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃燒起點(diǎn)。所謂雙重燃油操作，就是通過改變所用的兩種燃油的比例來調(diào)節(jié)燃燒起點(diǎn)：例如調(diào)節(jié)易于自燃的正庚烷和抗自燃的異辛烷的比例，也就是調(diào)節(jié)辛烷值。又如采用天然氣作為主要燃料，同時(shí)利用氫加濃天然氣以控制燃燒定時(shí)?？傊l(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)明顯地朝著更加柔性的方向發(fā)展。

空氣/燃油比和EGR量對(duì)化學(xué)反應(yīng)來說都是非常重要的參數(shù)，因而對(duì)燃燒速率也有著非常重要的影響。對(duì)于燃燒室?guī)缀涡螤詈臀闪鞫仁欠駥?duì)HCCI燃燒過程有影響的問題，幾乎還沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然而，涉及HCCI燃燒的缸內(nèi)流動(dòng)和紊流度的仿真工作已經(jīng)有人做過了。在發(fā)生燃燒的曲軸轉(zhuǎn)角窗內(nèi)，較高的紊流度給出較低的燃燒速率。活塞頂部燃燒室的幾何形狀對(duì)燃燒速率和指示效率有明顯的影響。很清楚，放熱率間接地受到紊流度、溫度分布的改變和氣缸內(nèi)邊界層厚度的影響。

HCCI的優(yōu)缺點(diǎn)

從熱效率的觀點(diǎn)來看，HCCI燃燒看上去具備非常優(yōu)越的特點(diǎn)。一個(gè)特點(diǎn)是低的熱損耗。由于它的燃燒溫度低，對(duì)燃燒室壁的傳熱很低，且無煙的燃燒能夠減少輻射熱的傳遞。另一個(gè)特點(diǎn)是燃燒周期很短。因?yàn)槿紵^程主要是受化學(xué)反應(yīng)而不是受混合過程的支配，能夠使得燃燒周期比傳統(tǒng)的柴油機(jī)短。利用這些特點(diǎn)，有可能使得它的循環(huán)十分接近奧托循環(huán)。已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50%的指示熱效率，廢氣中未經(jīng)處理時(shí)只有幾個(gè)ppm的NOx排放。

但是，短的燃燒周期和迅速的放熱，有時(shí)候會(huì)使得類似“爆震”的燃燒噪聲增加。此外，HCCI燃燒需要高稀釋度的空氣/燃油混合氣以限制燃燒強(qiáng)度，這會(huì)使得功率密度變差；而且高稀釋度的混合氣帶來了低的排氣溫度，使得發(fā)動(dòng)機(jī)難以采用渦輪增壓。這些都使得HCCI可能達(dá)到的最大負(fù)荷比典型的火花點(diǎn)燃式和直噴式柴油機(jī)低得多。另外，低排氣溫度對(duì)催化轉(zhuǎn)化器來說也是一個(gè)問題，因?yàn)樾枰喈?dāng)高的溫度才能起動(dòng)氧化/還原反應(yīng)。

汽油直噴式HCCI

缸內(nèi)直接燃油噴射相對(duì)于進(jìn)氣口燃油噴射具有一系列優(yōu)點(diǎn)。首先，可以避免進(jìn)氣管的壁濕現(xiàn)象，這有利于改善對(duì)瞬態(tài)工況的處理和循環(huán)對(duì)循環(huán)的信息反饋。其次，可以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)充量的分層，在發(fā)動(dòng)機(jī)從高負(fù)荷向低負(fù)荷過渡的過程中為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而有效的燃燒提供有力的手段。此外，燃油保持在燃燒室的中間部位，可以減少落在從第一道活塞環(huán)槽到活塞頂部之間區(qū)域和熱邊界層內(nèi)的燃油，這對(duì)減少未燃碳?xì)浠衔锖?/SPAN>CO排放十分有利。有人利用一個(gè)轎車的汽油直噴噴油器成功地在一臺(tái)重型柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了汽油直接噴射的HCCI燃燒。

直接往氣缸內(nèi)噴射汽油比較容易生成均質(zhì)的混合氣，原因之一是汽油的高揮發(fā)性。研究者也曾經(jīng)試圖用柴油直接噴入氣缸以生成預(yù)混的稀薄混合氣進(jìn)行HCCI燃燒，但是，試驗(yàn)進(jìn)行了一段時(shí)間以后就發(fā)現(xiàn)相當(dāng)困難，因?yàn)椴裼偷姆悬c(diǎn)太高，柴油和空氣的混合過程非常難管理。從HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣生成的角度來看，汽油遠(yuǎn)比柴油優(yōu)越。

（轉(zhuǎn)載）