均质压燃HCCI技术分析.doc

均质压燃(HCCI)技术分析摘要对被称为第四种燃烧方式的HCCI燃烧方式进行了介绍，阐述了HCCI燃烧技术的优缺陷，对HCCI发动机进行了分类并对各个种类进行了简要介绍，对HCCI的实现与控制方式进行了具体介绍。同时，指出了HCCI方式面临的技术目的，展望了HCCI燃烧方式的发展趋势。关键词：HCCI技术；内燃机；稀薄燃烧1.HCCI技术HCCI技术运用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式，它通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气压缩自燃，在缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧连续期。HCCI发动机的着火和燃烧过程，与传统的火花点火式和压燃式发动机有着本质的区别。在HCCI过程中，化学动力学起着至关重要的作用。HCCI发动机的着火与燃烧过程涉及重烃(高分子碳氢化合物)燃料的两阶段氧化过程，即低温氧化阶段(600-800K)和高温氧化阶段((1000-11OOK)。均质混合气压燃燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺陷，是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDl发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。HCCI发动机运用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式。它通过提高压缩比，采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气进行压缩自燃，在气缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并缩短了火焰传播距离和燃烧连续期。它与柴油机燃烧方式的不同在于:柴油机在着火时刻燃油还没有完全蒸发混合，进行的是扩散燃烧方式，燃烧速率重要受燃油蒸发以及与空气混合速率的影响;而进行HCCI燃烧的混合气在着火以前已经均匀混合，进行的是预混燃烧模式。因此，HCCI发动机兼有传统汽油机和柴油机的优点。2.HCCI技术的优缺陷2.1HCCI技术的优点(1)HCCI燃烧的优点在于它可以同时保持较高的动力性和燃油经济性。一方面，它采用均质燃烧混合气，保持了原汽油机升功率高的特点;另一方面，它取消了节流损失，设计的压缩比高，采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近抱负的等容燃烧，热效率较高，保持了柴油机部分负荷下燃油经济性好的特点。(2)HCCI燃烧方式可以同时减少NOx和PM0它通过设计较稀的混合气空燃比或运用再循环的废气控制把燃烧温度减少在1800K以下，并且由于它以均质稀燃混合气方式工作，有效地克制了NOx的生成，几乎做到了无烟燃烧，同时，通过废气再循环也减少HC和CO排放。(3)由于HCCI燃烧只与自身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反映的化学反映动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简朴，因此，在发动机上实行HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。2.2HCCI技术的缺陷(1)着火定期和燃烧相位的控制困难。与传统火花点火汽油机和柴油机不同，HCCI燃烧过程中着火定期不受火花点火或喷油的直接控制，而是由空气和燃料所组成的混合气的自动点火的化学反映决定。在大范围的转速和负荷内，特别是在快速的瞬态工况下，HCCI发动机着火定期的控制成为HCCI发动机面临的重要挑战。目前控制着火定期的重要措施有:直接调节进气温度、改变EGR率调节缸内混合气的温度和成分、可变压缩比(VCR)控制混合气在TDC时的温度、可变气门定期(VVT)改变缸内的残余废气量和有效压缩比、燃油喷射定期(在直喷式系统中)以及使用燃油添加剂来改变混合气的活性等。其中可变压缩比和可变气「]定期最有发展潜力，但是在成本和可行性方面还需要进一步的研究。(2)工况运营范围比较窄。HCCI发动机在中低负荷可以很好地运营。但是在高负荷时，混合气加浓，燃烧速度过快，压力升高率过大，燃烧非常剧烈，发生爆震现象，同时由于燃烧温度升高NOX排放过高;在过低负荷时，燃烧效率过低，并且着火困难。因此HCCI燃烧被限定在一个有限的运营范围内。HCCI运营范围除了需要向高负荷范围拓展外，还需向低负荷范围拓宽，提高低负荷时HCCI燃烧的稳定性、燃油经济性和排放性能，其中涉及低怠速和冷启动工况。(3)高负荷时会使NOX的排放增长，低负荷时会出现失火和因温度过低而使其工作变得不稳定和产生较高的HC和CO。HCCI发动机中的HC和CO排放通常较高。特别是中低负荷时，由于HCCI燃烧温度过低，靠近缸壁处的燃油无法燃烧，同时由于温度过低缸内的CO无法被完全氧化，故HC和CO排放大幅度增长。同时由于缸内的混合气均匀，在压缩冲程时缝隙中进入了一部分燃油混合气，这部分混合气在膨胀冲程重新返回气缸内，增长了HC排放。(4)输出功率的密度较低。(5)热量的释放速度较快导致较高的燃烧噪音，特别是在