均质压燃在内燃机燃烧技术中的应用进展与展望

均质压燃在内燃机燃烧技术中的应用进展与展望姓名：xxx学号：xxx联系电话：xxx导师：xx学院：xxx摘要：均质压燃式(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低柴油机的NOx和破烟排放,并提高柴油机的循环热效率。本文阐述了“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技术的背景、研究现状以及所取得的主要研究进展。关键词：均质压燃；低温燃烧；燃烧理论；燃料改质1概述燃烧技术是内燃机的核心技术，回顾内燃机过去30余年的发展历程可以清晰看到，满足日益严格的排放法规已成为内燃机燃烧技术进步的主要推动力。以美国重型商用柴油机为例，EPA2010年法规微粒限值（0.01g/hp·h）和NOx限值(0.2g/hp·h)都仅相当于1978年法规限值的1%(微粒：1.0g/hp·h；NOx：20g/hp·h）。在满足每一阶段越来越严格的排放法规中，内燃机高效清洁燃烧技术发挥着关键作用，燃烧技术的进步总是超出人们的预期。Richards[1]和Needham[1]分别于1988年和1989年先后在SAE发表论文认为要满足美国1994年排放法规必须采用微粒过滤器（DPF）。此后，人们认为后处理技术是满足1998年排放法规的重要手段。英国Perkins公司FredBrear1996年报告指出：DPF在2000年大规模使用该技术[2]。但是，事实上目前先进柴油机燃烧技术在满足欧IV-V法规（相当于EPA20042007法规）仍可以不采用DPF后处理器，这充分显示出燃烧技术在内燃机节能和降低有害排放方面的巨大潜力。因此，内燃机高效清洁燃烧技术的研究一直都是国际内燃机界研究的热点和前沿课题。20世纪90年代后期，尤其是21世纪以来，内燃机除了面临满足越来越严格的有害排放法规的挑战，还面临着CO2法规（燃油经济性）挑战，CO2法规逐步成为推动内燃机燃烧技术进步的又一主要因素，内燃机燃烧理论和燃烧新技术的研究进入了一个新的活跃时期。针对未来超低排放，甚至零排放的有害排放法规和CO2法规，人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PCCI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等。综观这些燃烧方式，其核心就是改变以传统柴油机为代表扩散燃烧方式和以传统汽油机为代表的火花点燃的火焰传播燃烧方式，采用预混合、压燃、低火焰温度的燃烧方式，实现内燃机高效清洁燃烧。国内学者将这一新型燃烧方式统称为“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧方式。2新一代内燃机燃烧技术——“均质压燃”“均质压燃、低温燃烧”是一种新型的的内燃机燃烧方式，这一概念是经历国内外学者数十年对内燃机的研究形成的。早在1979年Onishi等人为了提高二冲程汽油机热效率时，发现汽油机在部分工况下利用缸内大量的残余废气，不用点燃也可平稳运转，并称为活化热氛围燃烧过程。这一燃烧过程被广泛认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念。HCCI燃烧是一种全新的内燃机燃烧方式，并不同于传统的发动机燃烧，通常其燃料和空气先形成均质混合气再进入气缸，活塞上行压缩使得混合气升温而自发着火。HCCI的燃烧方式与传统的点燃式发动机和压燃式发动机都有一定的类似之处，表面上看基本上是两种燃烧模式的结合产物，然而HCCI燃烧模式并不是点燃式发动机与压燃式发动机的简单机械式结合。点燃式发动机燃烧时，主要靠热扩散来实现火焰从点火点到周边的传播，是有明显的火焰前锋面的；而压燃式发动机燃烧时，主要是依靠燃料在缸内的喷雾扩散，小的燃油颗粒与高温空气中的氧发生反应而燃烧，通常称为扩散燃烧。在这两种燃烧模式，充量在燃烧室内存在物理量上的不均衡，而发生热扩散或物质扩散，从而导致了NOx和碳烟的排放。在HCCI燃烧过程中，缸内充量高度均匀，在活塞上行过程中，各处充量温度同步提高，进而几乎同时达到自发着火的条件而同时发生着火反应。因此，理论上讲均质压燃发动机的气缸内既没有热扩散也不存在燃料扩散。并且，HCCI发动机的混合气浓度较低，是稀薄燃烧，因此燃烧温度也较低。三种燃烧模式的对比如图1所示。图1柴油机、汽油机与均值压燃发动机燃烧方式的对比3汽油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术研究进展汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合气，缺点是着火温度高，不易压燃。由于汽油机主要应用于轻型车，汽油机HCCI燃烧研究的重点是中小负荷工况的节能和排放问题。汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。这两种方案本质差别在于混合气的制备方式不同。前一种方案与目前广泛采用的气道喷射电控汽油机有较好的继承性，结构变化小，但在混合气浓度分层控制上受到较大的制约。缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度增大。这两种方案的燃烧理论基础和面临的科学问题基本是一致的，即在中小负荷工况下需要通过缸内的残余废气提高混合气的能量（进气加热与内部EGR），使汽油混合气可以压燃，或采用火花点火与压燃并存的复合燃烧方式；在向大负荷扩展过程中，可以采用外部废气来抑制燃烧反应，即采用内部残余废气与外部废气的复合废气再循环技术。因此，气门升程与气门相位的连续可变技术是拓展汽油机均质压燃的重要技术途径之一。在早期的研究中，混合气加热是提高混合能量的重要途径之一。美国福特公司提出OKP（OptimizedKineticProcess）燃烧系统，该系统在缸内直喷汽油机上采用冷却液和排气加热进气空气与气门定时改变（VVT）压缩比和残余废气相结合的方法，实现汽油机HCCI燃烧。通过该方法，HCCI工况范围得到了拓宽，平均指示压力可达0.55MPa，燃料利用率比原机提高了10%～30%，NOx排放比原机降低了98%～99%[3]。近年来，汽油机HCCI燃烧技术中主要通过残余废气控制方式提高混合气能量，实现混合气均质压燃。天津大学赵华教授的课题组研究开发了“进排气门联动控制”的均质压燃汽油机技术，该方案在气道喷射汽油机上，采用进排气门全可变（气门升程与相位）技术，控制缸内残余废气率与废气分层，实现均质压燃。2006年开发了原理性样机，样机HCCI的运行转速可以达到4500r/min，最大平均指示压力（IMEP）可以达到5200kPa，可以覆盖轿车主要的常用工况[4]。此后，课题组提出了基于废气驱动的高效低温燃烧汽油机（ExDrive）技术。其方案仍是采用进排气门全可变机构，并结合外部EGR和涡轮增压技术进一步扩展HCCI的运行工况范围。废气驱动的燃烧和负荷控制方案基本思路是：缸内残余废气同时起到了加热剂、稀释剂和容积填充剂3方面的作用，既提供了混合气燃烧所需要的能量，也控制了发动机负荷和燃烧速度。但是当发动机负荷增大以后，内部残余废气的热量增加会造成缸内出现燃烧速度过快而产生爆震等不正常的燃烧现象。为此，通过引入冷却的外部废气再循环技术路线，由外部废气逐渐代替内部废气来填充缸内容积，拓宽均质压燃燃烧运行范围，这样既可以提高发动机的负荷运转范围，又可以利用废气的稀释作用，降低汽油发动机的NOx排放。在发动机全负荷工况采用基于废气控制的汽油机复合燃烧技术，即以内部废气再循环策略实现可控自燃燃烧为核心，辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术的复合燃烧技术，同时以外部废气再循环作为调整缸内废气状态的控制手段，实现了汽油机低温高效燃烧。在燃烧控制策略中，采用爆震闭环燃烧控制技术。通过残余废气的分层，在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。例如，转速为1500r/min，平均指示压力为0.085MPa工况，可控自燃燃烧的节油率达到17.21%；在转速为2000r/min，平均有效压力为0.2MPa工况，节油率达到13.71%，NOx减少99%，NEDC驾驶循环的仿真节油效果为15.6%。排放指标除HC之外，NOx和CO均小于欧Ⅳ限值[5]。AVL公司应用汽油机缸内多次喷射技术，提出了“压缩和火花点燃（”CompressionandSparkIgnition，CSI）汽油机均质压燃燃烧系统，该系统是通过可变气门升程（VVL）和可变气门定时（VVT）控制残余废气，采用缸内灵活的燃油喷射控制，实现汽油多次喷油，在燃烧过程控制方面，实现各缸实时控制策略。除了常用变量外，如质量流量、空燃比、进气温度、冷却水温度等，工况控制还采集实时燃烧信息，发展了能够精确预测混合气成分等参数对燃烧影响的燃烧模型，实现混合气成分和温度瞬态闭环控制[6]。日本本田公司在解决汽油机HCCI工况范围向小负荷工况扩展问题方面也提出了一个新的技术途径。该系统的要点是：可变气门定时（VVT）、缸内直喷和发动机增压，通过在负气门重叠角期间喷油，发动机怠速750r/min时，最低负荷扩展至0.16MPa(压缩比11.5)，采用多孔喷嘴，最大负荷扩展到0.65MPa。该发动机HCCI工况范围基本满足了日本10-15运行工况范围[7]。清华大学王建昕教授课题组提出了基于缸内直喷混合气制备，以混合气浓度分层、火花辅助点火和燃料改质的综合控制HCCI燃烧的新方法，开发了相应的火花点火辅助分层压燃（ASSCI）燃烧系统。该系统通过缸内二次喷射实现分层压燃控制着火，通过火花辅助均质压燃（HCCI）临界状态下着火稳定以及燃料重整拓宽HCCI运行工况范围，提出了利用缸内直喷、可变配气以及节气门协同控制进行点燃（SI）与HCCI燃烧模式切换的控制策略[8]。为了进一步拓宽HCCI运行工况范围，他们提出了内外EGR与增压协调控制拓展HCCI负荷范围的思路。多缸HCCI样机测试结果表明，在HCCI运行工况样机比传统汽油机的燃油经济性改善15%以上，NOx降低90%以上[9]。4柴油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术研究进展由于柴油高粘度、低挥发性、低自燃温度的特性，改善燃油与空气的混合和抑制过快的燃烧反应速度是柴油机实现“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程的关键。因此，柴油机“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程控制的主要技术途径是喷油策略控制、EGR控制和温度历程控制。早期柴油机“均质压燃、低温燃烧”主要是通过缸内早喷方式实现。如日本新ACE研究院的“预混稀燃柴油机燃烧过程”（PRIDIC）[10]及随后提出的“多级喷射柴油机燃烧过程”（MULDIC）[11]，丰田公司“均匀Balky燃烧系统”（UNIBUS）[12]等。PREDIC系统采用侧置喷油器，通过增加喷孔数，减小喷孔直径（0.17减小到0.08）改进喷油来改善燃油分布，采用早喷（120°BTDC）方式实现均质压燃。通过调整燃烧系统结构参数，再循环和柴油中添加甲基叔丁基醚（MTBE）等措施使发动机HCCI运行工况范围扩展到原机的50%[13]。为了保证发动机在全负荷工况下运行，在PREDIC系统基础上，MULDIC系统两个侧面喷嘴中间安装一个第2次燃烧用的中间喷油器。在大负荷工况采用多次喷油技术，侧面喷油器早喷（PREDIC），中间喷油器晚喷，实现2级燃烧[14]。即首先PREDIC燃烧，PREDIC燃烧结束后缸内CO2浓度高，降低了氧的浓度，周围温度高而二次喷油燃烧温度低，降低了NOx排放。该燃烧方式大幅度降低了有害排放，日本柴油机13工况测试结果表明，其NOx排放仅为1g/kWh。丰田公司UNIBUS系统使用中空锥形喷雾，喷嘴前端设置了碰撞部，以缩短喷雾贯穿距，采用早喷和晚喷实现两次喷油，通过EGR控制着火时刻实现柴油机HCCI燃烧，该系统在发动机50%负荷和50%转速实现UNIBUS燃烧[15]。此后，日产公司MK（ModulatedKinetics）燃烧系统则是采用晚喷方式实现柴油机HCCI燃烧[16]。它通过在上止点后喷油，延长滞燃期，通过废气再循环，提高燃烧室内惰性物质的浓度，减少氧浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞后期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间。同时采用高涡流比提高混合速率，使MK发动机在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速