摘 要：均質(zhì)壓燃（HCCI）是一種全新的燃燒模式，它是預(yù)混均質(zhì)可燃混合氣在壓縮行程中溫度升高達(dá)到自燃點(diǎn)后自燃的燃燒模式。作者主要闡述了均質(zhì)壓燃（HCCI）燃燒技術(shù)的概念與特點(diǎn)、當(dāng)前研究所面臨的難題和研究所取得的主要進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：均質(zhì)壓燃；低溫燃燒；燃料改質(zhì)

引言

當(dāng)前，全球汽車保有量不斷增加，然而能源日趨匱乏，排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)重，因此內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能減排技術(shù)不得不受到重視，研發(fā)節(jié)能、清潔和高效的內(nèi)燃機(jī)也具有更為重要的意義。但是，現(xiàn)有的汽油機(jī)和柴油機(jī)仍然不能同時(shí)符合我們?cè)诮?jīng)濟(jì)性與排放性方面的需求。均質(zhì)壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作為一種全新的燃燒技術(shù)，有別于現(xiàn)有汽油機(jī)的點(diǎn)燃式與現(xiàn)有柴油機(jī)的壓燃式，它兼具現(xiàn)有汽油機(jī)均質(zhì)燃燒與現(xiàn)有柴油機(jī)壓燃點(diǎn)燃的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和碳煙的排放。

1 HCCI燃燒技術(shù)的概念與特點(diǎn)

從內(nèi)燃機(jī)被發(fā)明以來(lái)，內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火方式有兩種類型：一種是柴油機(jī)的壓燃點(diǎn)燃方式；另一種是汽油機(jī)的點(diǎn)燃燃燒方式。因?yàn)椴裼蜋C(jī)的熱效率高，動(dòng)力性好，可靠性高，常常被用在動(dòng)力機(jī)械上，例如工程機(jī)械、載重貨車等。同時(shí)，汽油機(jī)憑借其構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、振動(dòng)噪聲小等優(yōu)點(diǎn)占領(lǐng)了大多數(shù)的乘用車市場(chǎng)，尤其是小轎車上多半配置的是汽油機(jī)。因?yàn)槿藗儗?duì)汽車的依賴性越來(lái)越高，全球汽車的保有量不斷增加，環(huán)境也日趨惡化，能源越來(lái)越緊張，迫使人們不斷地改進(jìn)柴油機(jī)與汽油機(jī)的性能，同時(shí)積極地尋找更為清潔環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。在對(duì)這些新型清潔環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料研究時(shí)，研發(fā)人員使用了一些汽油機(jī)和柴油機(jī)比較完善的技術(shù)。比如，嘗試在柴油機(jī)中使用燃點(diǎn)較高的醇類燃料；為了讓醇類燃料在汽油機(jī)中穩(wěn)定燃燒，把汽油機(jī)的壓縮比增加到11～13。其中最為大膽和最有創(chuàng)新性的研究是結(jié)合柴油機(jī)和汽油機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，最后建立一種嶄新的燃燒模式——均質(zhì)充量壓縮燃燒，即均質(zhì)壓燃（HCCI）。

是一種有里程碑意義的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)，混合氣形成方式與汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)相似，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程吸入氣缸的是預(yù)先混合好的均質(zhì)可燃混合氣，而均質(zhì)可燃混合氣在壓縮行程升溫達(dá)到燃料的著火點(diǎn)而自燃。從表面上來(lái)看，均質(zhì)壓燃（HCCI）與壓燃式和點(diǎn)燃式燃燒技術(shù)均有類似的地方，它好像是壓燃式和點(diǎn)燃式燃燒技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。但是，HCCI燃燒技術(shù)并不是壓燃式和點(diǎn)燃式燃燒技術(shù)相互結(jié)合的技術(shù)，而是一種與二者完全不同的燃燒技術(shù)。汽油機(jī)缸內(nèi)的可燃混合氣燃燒模式是點(diǎn)燃式即熱擴(kuò)散模式；而柴油機(jī)使用的是缸內(nèi)直接噴射方式，在壓縮行程末了柴油被直接噴射到氣缸內(nèi)與高溫空氣接觸，柴油被加熱到柴油的著火點(diǎn)而自燃即擴(kuò)散燃燒。在傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式燃燒模式中氣缸內(nèi)可燃混合氣分布不均勻，而在傳統(tǒng)的壓燃式燃燒模式中氣缸內(nèi)燃油質(zhì)量分布不均勻，因此才會(huì)存在熱擴(kuò)散或物質(zhì)擴(kuò)散。均質(zhì)壓燃燃燒模式的著火方式與傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式和壓燃式燃燒模式有著本質(zhì)上的不同，因?yàn)楦變?nèi)充量均勻，壓縮時(shí)熱量在整個(gè)氣缸內(nèi)均勻分布，氣缸內(nèi)各點(diǎn)同時(shí)著火燃燒。因此，從理論上來(lái)講，均質(zhì)壓燃模式既不存在熱擴(kuò)散也不存在物質(zhì)擴(kuò)散，而且HCCI燃燒還能夠?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒。HCCI燃燒和傳統(tǒng)燃燒的比較見(jiàn)圖1。

均質(zhì)壓燃具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）熱效率高。HCCI燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有較高的壓縮比，而且不用設(shè)置節(jié)氣門，從而能夠減小進(jìn)氣阻力；而且多點(diǎn)同時(shí)著火的燃燒模式讓整個(gè)燃燒過(guò)程不需要火焰?zhèn)鞑?，燃燒持續(xù)期很短，能夠看作是理想的等容燃燒過(guò)程；稀薄可燃混合氣低溫燃燒，還能夠大大減少氣缸壁的熱量損失。研究表明，均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率幾乎和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性明顯提高。

（2）NOx和碳煙的排放量較低。HCCI的燃燒特點(diǎn)是“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”。均質(zhì)壓燃意指氣缸內(nèi)混合氣混合均勻，氣缸內(nèi)不存在局部混合氣過(guò)濃或局部混合氣過(guò)稀的區(qū)域，如此氣缸內(nèi)就不存在高溫缺氧的區(qū)域，減少了碳煙的形成；“均質(zhì)壓燃、低溫燃燒”則完全避免了高溫富氧的產(chǎn)生，顯著減少了NOx的形成。

（3）燃料的靈活性高。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于燃料的靈活性高，它允許燃料的辛烷值在一個(gè)很寬的區(qū)域內(nèi)變動(dòng)。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)既可以用傳統(tǒng)的汽油和柴油作為燃料，又能夠采用較為清潔的甲醇、乙醇、天然氣和二甲醚等作為燃料。另外，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)還能夠通過(guò)對(duì)高辛烷值燃料和低辛烷值燃料的不同配比來(lái)調(diào)節(jié)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒起點(diǎn)和負(fù)荷范圍，從而改善燃燒質(zhì)量，甚至能夠?yàn)镠CCI發(fā)動(dòng)機(jī)制作專用的燃料。所以，在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上可再生的生物燃料可以發(fā)揮很大的潛能，這將會(huì)減輕內(nèi)燃機(jī)對(duì)石油等化石燃料的依賴，也將為緩解能源危機(jī)提供新的思路。

2 HCCI燃燒技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

HCCI燃燒方式熱效率高、NOx和碳煙的排放量較低、燃料的靈活性高，它已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)研究人員眼中的熱點(diǎn)項(xiàng)目，而且對(duì)HCCI的研究已經(jīng)涉及到了這一燃燒方式的多個(gè)層面。尤其是近幾年，因?yàn)槟茉丛絹?lái)越緊張，空氣污染越來(lái)越嚴(yán)重，HCCI燃燒方式引起了全球內(nèi)燃機(jī)研究人員的重視，國(guó)際社會(huì)在HCCI燃燒技術(shù)研究方面付出了大量的人力和財(cái)力，并且也獲得了較好的成果。然而HCCI燃燒方式離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，要實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒方式還面臨著居多挑戰(zhàn)。

2.1 燃燒相位控制困難

由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的著火始點(diǎn)受到進(jìn)氣溫度、燃料當(dāng)量比、壓縮比、燃料類型和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等綜合因素的影響，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的著火時(shí)刻控制方式無(wú)法在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)上直接實(shí)現(xiàn)，而且實(shí)際上HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程主要由化學(xué)動(dòng)力學(xué)影響，比較復(fù)雜，控制困難。

2.2 運(yùn)行范圍過(guò)窄

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷工況下能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，然而在非中低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，HCCI燃燒容易產(chǎn)生爆震，氮氧化物的排放量也會(huì)增大。在過(guò)低負(fù)荷時(shí)，因?yàn)榛旌蠚鉂舛容^低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)放熱速率較為緩慢，發(fā)動(dòng)機(jī)容易“失火”，同時(shí)冷啟動(dòng)困難，燃燒效率低。所以，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍過(guò)窄的問(wèn)題影響了其在汽車上實(shí)用性推廣。

2.3 冷起動(dòng)困難

在外界溫度低于-20℃時(shí)，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)溫度極低，而且氣缸內(nèi)缺乏溫度較高的廢氣，燃料在壓縮行程中不能達(dá)到自燃溫度，無(wú)法自燃，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)困難。

2.4 HC和CO的排放量大

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在中低負(fù)荷工況下能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，然而整個(gè)均質(zhì)壓燃過(guò)程采取的“均質(zhì)稀薄、低溫燃燒”，因此燃燒過(guò)程中形成的CO無(wú)法完全氧化，在氣缸壁附近的HC不能進(jìn)一步氧化，在低溫條件下三元催化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率很低，HC和CO也不能被催化。因此，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和碳煙的排放量較低，但是HC和CO的排放量卻增加。

3 控制HCCI的主要措施

HCCI在內(nèi)燃機(jī)上實(shí)際應(yīng)用必須具備以下兩個(gè)條件：第一個(gè)條件是內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)必須形成均質(zhì)可燃混合氣，第二個(gè)條件是有效控制HCCI的著火時(shí)刻和燃燒過(guò)程。世界各地的內(nèi)燃機(jī)研究人員對(duì)HCCI做了許多研究和實(shí)踐，在內(nèi)燃機(jī)HCCI燃燒技術(shù)方面取得了許多進(jìn)展。

3.1 進(jìn)氣加熱

研究表明，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣加熱，進(jìn)氣溫度升高，氣缸內(nèi)溫度也隨之升高，并且燃料溫度升高后蒸發(fā)性更好，均質(zhì)可燃混合氣更容易形成，所以能夠提高均質(zhì)壓燃的燃燒效率。

3.2 可變壓縮比

可變壓縮比是改變氣缸內(nèi)壓力和溫度的一種有效途徑。研究人員Haraldson設(shè)計(jì)了一種壓縮比可變的多缸機(jī)，并實(shí)施了均質(zhì)壓燃試驗(yàn)，試驗(yàn)表明可變壓縮比對(duì)均質(zhì)壓燃的控制能夠取到很明顯的作用。

3.3 可變氣門正時(shí)

Willand等研究人員采用排氣門提前關(guān)閉加上缸內(nèi)直噴技術(shù)來(lái)控制均質(zhì)壓燃。排氣門早關(guān)可以將燃燒之后的廢氣保留在缸內(nèi)，這些燃燒之后高溫高壓的廢氣能夠?qū)|(zhì)可燃混合氣加熱，因而均質(zhì)壓燃更能實(shí)現(xiàn)。研究人員的后續(xù)研究表明該方案是控制HCCI燃燒的有效方式之一。

3.4 進(jìn)氣增壓

內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域內(nèi)的多方試驗(yàn)表明內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣增壓是一種更為有效的均質(zhì)壓燃控制方式。內(nèi)燃機(jī)研究人員Christensen和Johansson就采用這一方式實(shí)施了均質(zhì)壓燃試驗(yàn)，試驗(yàn)指出這一方式雖然能夠讓氣缸內(nèi)的平均指示壓力升高和HC排放量的下降，但是平均指示壓力的升高還是受到了內(nèi)燃機(jī)壓縮比的限制。

3.5 二次噴射

Urushihara和Urata在實(shí)施均質(zhì)壓燃試驗(yàn)時(shí)使用了與傳統(tǒng)的噴油方式不一樣的噴油方式，即二次噴射。第一次噴射設(shè)定在氣門重疊期間，憑借氣缸內(nèi)還未排凈的高溫廢氣把燃料加熱使其自燃，隨后通過(guò)燃燒之后的熱量加熱混合氣，這即是導(dǎo)燃噴射，然后在壓縮行程起始階段實(shí)施第二次噴射。這一噴射策略實(shí)現(xiàn)了內(nèi)燃機(jī)的均質(zhì)壓燃燃燒，但同時(shí)也使得內(nèi)燃機(jī)油耗增加，排放惡化。

3.6 EGR

EGR（即廢氣再循環(huán)）能夠提高下一工作循環(huán)氣缸內(nèi)的溫度，有利于均質(zhì)壓燃燃燒的實(shí)現(xiàn)。EGR的運(yùn)用方式有許多種，在均質(zhì)壓燃試驗(yàn)中EGR的運(yùn)用方式有兩種：第一種方式是在進(jìn)氣行程之前排氣行程末了關(guān)閉排氣門，把一部分燃燒之后的廢氣關(guān)閉在氣缸內(nèi)；第二種方式是運(yùn)用進(jìn)氣管內(nèi)的真空把排氣管內(nèi)的廢氣重新吸回到氣缸內(nèi)，這一方式必須延遲關(guān)閉排氣門。

3.7 火花塞輔助點(diǎn)火

使用火花塞輔助點(diǎn)火引入部分火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，能夠有效避免HCCI燃燒在大負(fù)荷邊界發(fā)生爆震現(xiàn)象，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的輸出功率。另外，在均質(zhì)可燃混合氣自燃前采用火花塞輔助點(diǎn)火，能夠增強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定性，大大減少失火現(xiàn)象的產(chǎn)生。運(yùn)用火花塞輔助點(diǎn)火讓均質(zhì)可燃混合氣燃燒展現(xiàn)出兩階段放熱燃燒的燃燒方式，它儼然成了HCCI燃燒的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

3.8 燃料改質(zhì)

研究人員在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃料方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明燃料改質(zhì)是一種拓展HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的有效方式。燃料改質(zhì)可以給均質(zhì)可燃混合氣提供額外的大量活性基，讓氣缸內(nèi)均質(zhì)可燃混合氣的化學(xué)反應(yīng)路徑產(chǎn)生變化，精確控制著火時(shí)刻，所以有利于對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的拓展。此外，混合燃料的HCCI燃燒對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的拓展也可以起到一定的作用。還有雙模式運(yùn)行方案也是拓展HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍的研究熱點(diǎn)，一般在中低負(fù)荷工況時(shí)使用HCCI燃燒模式，有效運(yùn)用HCCI的燃燒優(yōu)勢(shì)，在大負(fù)荷與過(guò)低負(fù)荷工況時(shí)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式和壓燃式。但是，這種雙模式運(yùn)行方案的使用又會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)變得更復(fù)雜。

4 結(jié)論與展望

節(jié)能環(huán)保一直是推進(jìn)內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)研究進(jìn)程的動(dòng)力之一，均質(zhì)壓燃憑借其熱效率高、NOx和碳煙的排放量低而受到青睞，也將會(huì)成為全球內(nèi)燃機(jī)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是，在均質(zhì)壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的道路上還存在許多難題，例如：燃燒相位的控制困難，運(yùn)行范圍過(guò)窄，HC和CO的排放量大等。對(duì)于這些研究難題，研究人員已經(jīng)找出了一些切實(shí)可行的措施，并且不斷地向著實(shí)用化的方向努力著。

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作者簡(jiǎn)介：何細(xì)鵬（1978-），男，湖北黃岡人，碩士，武漢交通職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，教研室主任，研究方向：汽車維修技術(shù)。