均質壓燃與低溫燃燒的燃燒技術研究進展與展望

堯命發，劉海峰

（天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072）

燃燒技術是內燃機的核心技術，回顧內燃機過去30余年的發展歷程可以清晰看到，滿足日益嚴格的排放法規已成為內燃機燃燒技術進步的主要推動力。以美國重型商用柴油機為例，EPA 2010年法規微粒限值（0.01 g/hp·h）和NOx限值(0.2 g/hp·h)都僅相當于1978年法規限值的1%( 微粒：1.0 g/hp·h；NOx：20 g/hp·h）。在滿足每一階段越來越嚴格的排放法規中，內燃機高效清潔燃燒技術發揮著關鍵作用，燃燒技術的進步總是超出人們的預期。Richards[1]和Needham[2]分別于1988年和1989年先后在SAE發表論文認為要滿足美國1994年排放法規必須采用微粒過濾器（DPF）。此后，人們認為后處理技術是滿足1998年排放法規的重要手段。英國Perkins公司Fred Brear 1996年報告指出：DPF在2000年大規模使用該技術[3]。但是，事實上目前先進柴油機燃燒技術在滿足歐IV-V法規（相當于EPA 20042007法規）仍可以不采用DPF后處理器，這充分顯示出燃燒技術在內燃機節能和降低有害排放方面的巨大潛力。因此，內燃機高效清潔燃燒技術的研究一直都是國際內燃機界研究的熱點和前沿課題。

20世紀90年代后期，尤其是21世紀以來，內燃機除了面臨滿足越來越嚴格的有害排放法規的挑戰，還面臨著CO2法規（燃油經濟性）挑戰，CO2法規逐步成為推動內燃機燃燒技術進步的又一主要因素，內燃機燃燒理論和燃燒新技術的研究進入了一個新的活躍時期。針對未來超低排放，甚至零排放的有害排放法規和CO2法規，人們提出了不同的內燃機新型燃燒方式，如均質壓燃（HCCI）、預混合充量壓燃（PCCI）、低溫燃燒（LTC）、預混合分層壓燃（PSCCI）等。綜觀這些燃燒方式，其核心就是改變以傳統柴油機為代表擴散燃燒方式和以傳統汽油機為代表的火花點燃的火焰傳播燃燒方式，采用預混合、壓燃、低火焰溫度的燃燒方式，實現內燃機高效清潔燃燒。國內學者將這一新型燃燒方式統稱為“均質壓燃、低溫燃燒”新一代內燃機燃燒方式。

本文從4個方面介紹了以“均質壓燃、低溫燃燒”為代表的新一代內燃機燃燒理論與燃燒新技術，并對國內外10余年來的研究進展進行了回顧，在此基礎上，對未來內燃機高效清潔燃燒技術的發展進行了展望。

1 “均質壓燃、低溫燃燒”新一代內燃機燃燒理論概念的演化

“均質壓燃、低溫燃燒”是一種全新的內燃機燃燒方式，這一概念是經歷國內外學者數十年的研究形成的。早在1979年Onishi等人[4]為降低二沖程汽油機排放和燃油消耗率時，發現汽油機在部分工況下通過缸內大量的殘余廢氣，不用點燃也可平穩運轉，并稱為活化熱氛圍燃燒過程。這被廣泛認為是最早提出的具有均質壓燃特征的燃燒概念。同年，Noguchi 等人[5]對這種燃燒模式進行光譜研究表明在著火前檢測到較高碳氫燃料低溫反應中間產物，如CH2O、HO2和O；著火后才檢測到較多高溫反應中間自由基CH、H和OH。1983年，Najt與Foster[6]最先在四沖程發動機上研究這一燃燒現象，并對燃燒機理進行了研究，發現這一燃燒過程的自燃著火受低溫化學反應控制（＜1000 K），缸內混合氣的能量釋放則是由CO氧化占主導的高溫化學反應（＞1000 K）控制。1989年，Thring[7]研究發現均質壓燃運轉工況范圍局限于部分負荷，自燃著火時刻很難控制；并首次提出了“均質壓燃”，即HC CI (Homogeneous Charge Compression Ignition)這一描述此種燃燒過程的名詞。初期的研究發現，HCCI燃燒沒有火焰傳播，均質混合氣燃燒過程呈現多點同時著火的特征[8-9]， HCCI燃燒過程表現為典型的兩階段放熱：低溫放熱和高溫放熱。在低溫放熱與高溫放熱之間出現負溫度系數（NTC）區，在NTC區內化學反應速率隨缸內溫度增加而減小。

20世紀90年代后期，隨著各國排放法規日趨嚴格和石油供求矛盾日趨尖銳，研究人員發現傳統內燃機存在最低排放和最高熱效率兩個極限，為了突破這些極限，開始了新一代內燃機燃燒技術的探索研究，發現HCCI燃燒過程是一種全新的內燃機燃燒過程。它是通過燃料與空氣形成預混合氣被活塞壓縮、自然著火的燃燒過程。它結合了傳統壓燃式柴油機和火花點燃式汽油機的優點，可以實現與柴油機相當的高熱效率和汽油機的無碳煙排放，同時由于是稀混合氣燃燒，NOx排放也極低，因此HCCI被認為是最有潛力的高效清潔內燃機替代燃燒技術，從而受到越來越多的重視。“均質壓燃”燃燒理論也被認為是新一代內燃機燃燒理論的代表。研究發現這一燃燒方式的燃燒過程主要受化學反應動力學所控制，因此它的著火時刻和燃燒反應速度控制困難；其次，這一燃燒方式只能在較窄的工況范圍內運行，混合氣過稀或高辛烷值燃料在小負荷和怠速工況下容易“失火”，而在大負荷工況下則容易出現“爆震燃燒”（尤其是高十六烷值燃料），因此其運行工況范圍需要向大負荷和小負荷工況擴展[10]。此外，在這一燃燒方式中，廢氣再循環成為燃燒過程中最重要的燃燒控制手段，高辛烷值燃料需要通過殘余廢氣提高混合氣的溫度使其能夠壓燃著火，而高十六烷值燃料則需要采用外部冷卻廢氣稀釋降低燃燒反應速度，并且廢氣的稀釋可以降低燃燒火焰溫度，從而抑制NOx生成。

進入21世紀以來，包括我國在內的世界各國政府、工業界和學術界都高度重視均質壓燃燃燒理論的研究，對均質壓燃的燃燒機理及燃燒特性有了進一步深入的認識。研究發現，盡管化學動力學對HCCI燃燒起重要作用，但是混合過程對HCCI燃燒仍有重要的影響。混合時出現的微觀的燃料分布和溫度的不均勻性都對著火和燃燒過程有顯著影響。Sj?berg 等人[11]研究認為，實際發動機中都自然存在熱分層，使燃燒速率變慢。Dec等人[12]的研究結果進一步證明，HCCI的燃燒不是均勻的，即使是在缸外預混好的混合氣，也是帶有很強的擾動結構。這主要是由于在壓縮沖程的傳熱和湍流運動，產生了熱分層，而這些熱分層導致了HCCI燃燒的不均勻性。HCCI燃燒的發生是由溫度較高，較適宜著火的點向較冷的區域逐漸發展的，而這個發展過程，可以有效地降低壓力升高率。通過在氣團內擴大熱分層，可控制壓力升高率，從而使HCCI向大負荷工況擴展。Zhao Hua等人[13]在單缸光學發動機上采用片狀激光誘導熒光（PLIF）技術研究了再循環廢氣對新鮮充量的物理和化學作用，直接光學圖像和PLIF圖像顯示，通過排氣門早關得到的再循環殘余熱廢氣在缸內與可燃混合氣形成了明顯的分層。在再循環廢氣與可燃混合氣之間邊界區域中出現的較高溫度區，推動了自燃著火過程的進行。這些研究結果從不同側面揭示出：充量成分和溫度的不均勻性與著火燃燒過程之間存在著明顯的相關性，通過控制充量成分和溫度的不均勻性，有可能實現對著火燃燒過程的有效控制。實現內燃機高效低污染燃燒的重要途徑就是合理地利用充量成分的不均勻性和溫度不均勻性來控制著火燃燒過程。因此，在HCCI燃燒過程控制中，先進的混合氣控制策略比簡單的“均質混合氣”更為重要。混合氣全歷程熱分層、濃度和組份控制是實現內燃機高效清潔燃燒的關鍵。Dec等人[14-15]在研究中發現在降低壓力升高率，延長燃燒持續期方面，低溫燃燒對混合氣濃度分層比較敏感，缸內混合氣分層使HCCI運行工況范圍從537 kPa升高到590 kPa。Foster D. E.等人[16]在一臺CFR發動機上用進氣道噴射和缸內直噴兩種噴射方式的結合來對燃料分層的影響進行研究，結果表明燃料分層能拓寬HCCI燃燒的稀燃極限，使燃燒更加穩定。通過殘余廢氣不僅可實現組分分層，還可以實現熱分層，進而控制HCCI燃燒過程。P. G. Aleiferis等人[17]在高渦流比，低壓縮比發動機上，使用進氣加熱和缸內殘余廢氣結合噴霧控制實現混合氣濃度、組分和熱分層來控制HCCI燃燒。試驗結果表明：軸向分層與均質相比，可以降低最大爆發壓力，推遲著火時刻。軸向分層的著火是開始于排氣閥和次要進氣閥之間，更接近活塞中心的位置，而均質充量時，著火開始于進氣閥靠近缸壁的位置。在廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）率為40%的條件下，缸內混合氣溫度梯度增大，導致燃燒反應速度降低。Yao Mingfa等人[18]的研究結果也表明，適當的混合氣分層可以使HCCI在低負荷工況下燃燒更為穩定，分層可使HCCI向小負荷工況擴展，同時分層也可以降低高負荷工況下的最大壓力升高率，HCCI向大負荷工況擴展。實際上，近幾年在均質壓燃燃燒控制技術研究中，大多數研究者都是圍繞如何實現缸內混合氣濃度分層、組份分層和溫度分層等控制手段開展，但這些燃燒方式的共同特征是：大比例預混合、壓燃、低火焰燃燒溫度。因此，人們提出“均質壓燃、低溫燃燒”來描述新一代內燃機燃燒技術的特征。

2 汽油燃料“均質壓燃、低溫燃燒”燃燒技術研究進展

汽油機燃料揮發性好，易形成均質混合氣，缺點是著火溫度高，不易壓燃。由于汽油機主要應用于輕型車，汽油機HCCI燃燒研究的重點是中小負荷工況的節能和排放問題。

汽油機均質壓燃在實現的技術途徑上有兩種方案，一是基于傳統氣道噴射汽油機技術方案，另一種是基于缸內直噴的技術方案。這兩種方案本質差別在于混合氣的制備方式不同。前一種方案與目前廣泛采用的氣道噴射電控汽油機有較好的繼承性，結構變化小，但在混合氣濃度分層控制上受到較大的制約。缸內直噴方案在混合氣濃度分層控制上有較大的靈活性，通過缸內多次噴油技術實現混合濃度分層，但控制的難度增大。這兩種方案的燃燒理論基礎和面臨的科學問題基本是一致的，即在中小負荷工況下需要通過缸內的殘余廢氣提高混合氣的能量（進氣加熱與內部EGR），使汽油混合氣可以壓燃，或采用火花點火與壓燃并存的復合燃燒方式；在向大負荷擴展過程中，可以采用外部廢氣來抑制燃燒反應，即采用內部殘余廢氣與外部廢氣的復合廢氣再循環技術。因此，氣門升程與氣門相位的連續可變技術是拓展汽油機均質壓燃的重要技術途徑之一。

在早期的研究中，混合氣加熱是提高混合能量的重要途徑之一。美國福特公司提出OKP（Optimized Kinetic Process）燃燒系統，該系統在缸內直噴汽油機上采用冷卻液和排氣加熱進氣空氣與氣門定時改變（VVT）壓縮比和殘余廢氣相結合的方法，實現汽油機HCCI燃燒。通過該方法，HCCI工況范圍得到了拓寬，平均指示壓力可達0.55 MPa，燃料利用率比原機提高了10%～30%，NOx排放比原機降低了98%～99%[19]。

近年來，汽油機HCCI燃燒技術中主要通過殘余廢氣控制方式提高混合氣能量，實現混合氣均質壓燃。天津大學趙華教授的課題組研究開發了“進排氣門聯動控制”的均質壓燃汽油機技術，該方案在氣道噴射汽油機上，采用進排氣門全可變（氣門升程與相位）技術，控制缸內殘余廢氣率與廢氣分層，實現均質壓燃。2006年開發了原理性樣機，樣機HCCI的運行轉速可以達到4 500 r/min，最大平均指示壓力（IMEP）可以達到5 200 kPa，可以覆蓋轎車主要的常用工況[20]。此后，課題組提出了基于廢氣驅動的高效低溫燃燒汽油機（ExDrive）技術。其方案仍是采用進排氣門全可變機構，并結合外部EGR和渦輪增壓技術進一步擴展HCCI的運行工況范圍。廢氣驅動的燃燒和負荷控制方案基本思路是：缸內殘余廢氣同時起到了加熱劑、稀釋劑和容積填充劑3方面的作用，既提供了混合氣燃燒所需要的能量，也控制了發動機負荷和燃燒速度。但是當發動機負荷增大以后，內部殘余廢氣的熱量增加會造成缸內出現燃燒速度過快而產生爆震等不正常的燃燒現象。為此，通過引入冷卻的外部廢氣再循環技術路線，由外部廢氣逐漸代替內部廢氣來填充缸內容積，拓寬均質壓燃燃燒運行范圍，這樣既可以提高發動機的負荷運轉范圍，又可以利用廢氣的稀釋作用，降低汽油發動機的NOx排放。在發動機全負荷工況采用基于廢氣控制的汽油機復合燃燒技術，即以內部廢氣再循環策略實現可控自燃燃燒為核心，輔以氣門參數控制的火花點燃燃燒技術的復合燃燒技術，同時以外部廢氣再循環作為調整缸內廢氣狀態的控制手段，實現了汽油機低溫高效燃燒。在燃燒控制策略中，采用爆震閉環燃燒控制技術。通過殘余廢氣的分層，在小負荷和熱機怠速工況實現汽油機可控自燃燃燒。例如，轉速為1 500 r/min，平均指示壓力為0.085 MPa工況，可控自燃燃燒的節油率達到17.21%；在轉速為2 000 r/min，平均有效壓力為0.2 MPa工況，節油率達到13.71%，NOx減少99%，NEDC駕駛循環的仿真節油效果為15.6%。排放指標除HC之外，NOx和CO均小于歐Ⅳ限值[21]。

AVL公司應用汽油機缸內多次噴射技術，提出了“壓縮和火花點燃”（Compression and Spark Ignition，CSI）汽油機均質壓燃燃燒系統，該系統是通過可變氣門升程（VVL）和可變氣門定時（VVT）控制殘余廢氣，采用缸內靈活的燃油噴射控制，實現汽油多次噴油，在燃燒過程控制方面，實現各缸實時控制策略。除了常用變量外，如質量流量、空燃比、進氣溫度、冷卻水溫度等，工況控制還采集實時燃燒信息，發展了能夠精確預測混合氣成分等參數對燃燒影響的燃燒模型，實現混合氣成分和溫度瞬態閉環控制[22]。日本本田公司在解決汽油機HCCI工況范圍向小負荷工況擴展問題方面也提出了一個新的技術途徑。該系統的要點是：可變氣門定時（VVT）、缸內直噴和發動機增壓，通過在負氣門重疊角期間噴油，發動機怠速750 r/min時，最低負荷擴展至0.16 MPa(壓縮比11.5)，采用多孔噴嘴，最大負荷擴展到0.65 MPa。該發動機HCCI工況范圍基本滿足了日本10-15運行工況范圍[23]。清華大學王建昕教授課題組提出了基于缸內直噴混合氣制備，以混合氣濃度分層、火花輔助點火和燃料改質的綜合控制HCCI燃燒的新方法，開發了相應的火花點火輔助分層壓燃（ASSCI）燃燒系統。該系統通過缸內二次噴射實現分層壓燃控制著火，通過火花輔助均質壓燃（HCCI）臨界狀態下著火穩定以及燃料重整拓寬HCCI運行工況范圍，提出了利用缸內直噴、可變配氣以及節氣門協同控制進行點燃（SI）與HCCI燃燒模式切換的控制策略[24]。為了進一步拓寬HCCI運行工況范圍，他們提出了內外EGR與增壓協調控制拓展HCCI負荷范圍的思路。多缸HCCI樣機測試結果表明，在HCCI運行工況樣機比傳統汽油機的燃油經濟性改善15%以上，NOx降低90%以上[25]。

3 柴油燃料“均質壓燃、低溫燃燒”燃燒技術研究進展

由于柴油高粘度、低揮發性、低自燃溫度的特性，改善燃油與空氣的混合和抑制過快的燃燒反應速度是柴油機實現“均質壓燃、低溫燃燒”燃燒過程的關鍵。因此，柴油機“均質壓燃、低溫燃燒”燃燒過程控制的主要技術途徑是噴油策略控制、EGR控制和溫度歷程控制。

早期柴油機“均質壓燃、低溫燃燒”主要是通過缸內早噴方式實現。如日本新ACE研究院的“預混稀燃柴油機燃燒過程”（PRIDIC）[26]及隨后提出的“多級噴射柴油機燃燒過程”（MULDIC）[27]，豐田公司“均勻Balky燃燒系統”（UNIBUS）[28]等。PREDIC系統采用側置噴油器，通過增加噴孔數，減小噴孔直徑（0.17減小到0.08）改進噴油來改善燃油分布，采用早噴（120°BTDC）方式實現均質壓燃。通過調整燃燒系統結構參數，廢氣再循環和柴油中添加甲基叔丁基醚（MTBE）等措施使發動機HCCI運行工況范圍擴展到原機的50%[26]。為了保證發動機在全負荷工況下運行，在PREDIC系統基礎上，MULDIC系統兩個側面噴嘴中間安裝一個第2次燃燒用的中間噴油器。在大負荷工況采用多次噴油技術，側面噴油器早噴（PREDIC），中間噴油器晚噴，實現2級燃燒[27]。即首先PREDIC燃燒，PREDIC燃燒結束后缸內CO2濃度高，降低了氧的濃度，周圍溫度高而二次噴油燃燒溫度低，降低了NOx排放。該燃燒方式大幅度降低了有害排放，日本柴油機13工況測試結果表明，其NOx排放僅為1 g/kWh。豐田公司UNIBUS系統使用中空錐形噴霧，噴嘴前端設置了碰撞部，以縮短噴霧貫穿距，采用早噴和晚噴實現兩次噴油，通過EGR控制著火時刻實現柴油機HCCI燃燒，該系統在發動機50%負荷和50%轉速實現UNIBUS燃燒[28]。

此后，日產公司MK（Modulated Kinetics）燃燒系統則是采用晚噴方式實現柴油機HCCI燃燒[29]。它通過在上止點后噴油，延長滯燃期，通過廢氣再循環，提高燃燒室內惰性物質的濃度，減少氧濃度，降低燃燒溫度，使柴油噴霧自燃著火的滯后期延長，從而使噴入燃燒室的燃料獲得更多的混合時間。同時采用高渦流比提高混合速率，使MK發動機在中低負荷下實現了均質壓燃著火和可控燃燒速度的目標。進一步拓寬其工況范圍的途徑是通過提高噴油壓力，縮短噴油持續期，提高燃油與空氣的混合速率，并采用冷卻的EGR、降低發動機壓縮比延長滯燃期[30]。

近10年來，高EGR率稀釋的柴油機低溫燃燒作為柴油機新型燃燒技術得到了廣泛的研究，這一燃燒方式主要是通過大比例EGR率、噴油策略控制和高增壓壓力實現，并且可以通過上止點附近噴油來實現[31-34]。這也是對HCCI理論的發展，即從完全預混低溫燃燒過程變為大比例可控預混低溫燃燒過程（即混合速率控制的擴散燃燒過程在多數工況下仍會出現）。通過高噴油壓力改善燃油與空氣的混合，采用大比例EGR延長混合時間和降低燃燒溫度，從而有效避開z-T圖中的碳煙和NOx生成區域。為了保證輸出動力性，通常結合較高增壓壓力，如兩級增壓或復合增壓來保證足夠的新鮮空氣量，從而保證噴油量。但過低燃燒溫度會降低燃燒效率，導致HC和CO排放明顯增高，燃油經濟性惡化。因此其關鍵是在碳煙、NOx和燃燒效率三者之間折衷[35]。

基于缸內多次噴油的控制策略是改善燃油與空氣混合的重要途徑之一。天津大學蘇萬華教授[36-37]提出了利用多脈沖噴射實現預混壓燃燃燒與利用高混合率燃燒室實現稀擴散燃燒相結合的MULINBUMP復合燃燒過程。該燃燒技術的基本思路是：在柴油機低負荷工況下，通過多脈沖燃料噴射策略實現對均質壓燃燃燒過程的控制，獲得NOx和微粒的超低排放（＜10 ppm）；在中高負荷工況，采用均質壓燃燃燒與稀擴散燃燒相結合的策略，利用發明的高混合率燃燒室與超高壓噴射相結合，提高燃油與空氣的混合速率，實現快速混合。在柴油機運行的全工況范圍，應用“噴油模式”調制技術，實現了發動機不同工況下最佳噴油模式的目標，從而實現柴油機全工況范圍的高效清潔燃燒。

但是，上述燃燒系統只能在部分負荷工況下運行。最初的HCCI研究認為，HCCI主要應用于輕型柴油機上，只能覆蓋輕型車常用低轉速、部分負荷工況。但是國內外研究進展表明，不僅在輕型車上，在重型柴油機大負荷工況下也可以實現HCCI。據美國Caterpiller公司報道，通過采用高增壓比，提高燃油與空氣混合速率，廢氣再循環等控制策略，結合燃油改性在重型柴油機上HCCI運行工況最大拓寬到原機的80%（1.6 MPa）[38]。蘇萬華教授提出了基于燃燒過程全歷程z-T路徑控制的概念，通過在燃燒過程噴油策略（混合氣濃度分布）、廢氣再循環（混合氣組分、溫度）和壓縮初始溫度等參數控制實現燃燒過程全歷程的z-T路徑控制，避開有害排放生成區域，從而實現高效清潔燃燒[39]。在此基礎上，蘇萬華教授還提出了“高密度-低溫燃燒”燃燒技術，其核心思想是：通過高噴射壓力的多次噴油控制將燃油“均勻”地“播撒”在燃燒室空間，使混合氣盡量均勻。通過EGR來降低燃燒溫度，抑制NOx排放。為了彌補采用EGR后燃燒過程中氧濃度的不足，采用串聯布置的兩級渦輪增壓實現發動機高增壓比，增加進入的空氣量。但是，高增壓必然會帶來壓縮壓力和燃燒爆發壓力的增加，受發動機機械負荷和可靠性限制，缸內最大爆發壓力必須控制在一個合理范圍，提出通過進氣門晚關技術降低進氣關閉時缸內的初始壓力和溫度，從而有效地降低了缸內最大爆發壓力，也使柴油機實現了可變的熱力循環過程[40]。上述這些技術既有混合率促進技術，也有抑制化學反應率技術，在智能化的電控單元協同控制下，實現了柴油機燃燒路徑的可調可控，從而實現高效清潔燃燒。采用這一燃燒技術，柴油機最高指示熱效率可以達到53%，原始微粒和NOx排放可以達到歐VI限值的要求[41]。

上述研究結果改變了傳統的柴油機排放控制技術的觀念，通過燃燒過程控制實現超低排放甚至是零排放仍有很大潛力。

4 “均質壓燃、低溫燃燒”燃料特性研究進展

燃料燃燒化學反應動力學過程對HCCI燃燒過程控制起著主導作用，因此相對于傳統的柴油機與汽油機燃燒，燃料的理化特性對HCCI燃燒過程的影響和運行工況范圍有更大的影響。瑞典Lund大學Johansson等人[42]對基礎燃料、汽油、柴油、醇類燃料和天然氣對HCCI燃燒與排放和影響進行研究，結果表明HCCI能夠適用于多種燃料，傳統的燃料辛烷值不能表征HCCI的抗爆性。另一方面，燃料特性在控制HCCI著火過程及拓展運行工況范圍上具有較大潛力。研究表明，降低汽油燃料的辛烷值和柴油燃料的十六烷值更有利于提高HCCI的工況范圍，辛烷值為60左右的燃料在HCCI運行的工況范圍最大[43]。在汽油中摻入部分醇類燃料可以顯著擴展HCCI工況范圍[44]，而醇類燃料的HCCI工況范圍比汽油大[45]。所以針對HCCI發動機特點，開發適合HCCI運轉的燃料。如采用敏感性較大的汽油燃料結合適當的發動機運轉條件控制（即缸內溫度和壓力控制），對運行工況范圍的拓展具有更大的潛在優勢[46]。

實際上，HCCI運行的理想燃料應該是在小負荷工況燃用高十六烷值燃料，而在大負荷工況適合燃用高辛烷值燃料，每一個工況有一個熱效率最高的辛烷值，但單一燃料很難在更大范圍拓寬其高效清潔燃燒運行工況范圍。因此，動態控制HCCI發動機不同工況下所需的燃料特性，可有效控制著火時刻和燃燒反應速度，拓寬運行工況范圍并提高熱效率[47]。實現這一控制策略較實際的方式則是采用雙燃料噴射過程，且兩種燃料的辛烷值差距較大，即高辛烷值與高十六烷值燃料相結合，通過調整不同燃料噴射比例從而調節不同工況所需的燃料特性。例如通過氣道噴射二甲醚和甲醇雙燃料方式，可在較寬廣的轉速和負荷范圍內實現均質壓燃，而且發動機負荷運轉范圍得到較大拓寬(平均有效壓力接近0.8 MPa)[48]。近年來，采用雙燃料方式實現HCCI燃燒過程控制得到了國內外研究者的高度重視。呂興才等人采用氣道噴射正庚烷和異辛烷實現實時的燃料設計的方法實現HCCI燃燒控制及擴展運行工況范圍[49]。美國Wisconsin大學Reitz教授提出一種RCCI燃燒方式，即采用汽油、柴油雙燃料方式，其中汽油燃料采用氣道噴射，柴油采用高壓共軌燃油系統缸內直噴，通過控制汽油/柴油比例、缸內柴油噴油策略控制、外部EGR率控制和進氣門關閉時刻控制實現混合燃料的燃燒過程控制，從而實現高效清潔燃燒。研究表明，該燃燒方式結合進氣增壓后最大平均有效壓力可以達到1.3 MPa，原始碳煙和NOx排放可以滿足歐VI法規的要求，熱效率最高達到了53%[50]。作者認為該燃燒模式的特征是大比例預合氣燃燒方式，因此將其稱為高比例預混合燃燒（HPCC）。作者在一臺單缸柴油機（壓縮比16.0）上，對轉速為1 500 r/min，平均指標壓力為0.9 MPa運行工況研究結果表明，EGR率大于40%，汽油比例大于80%，采用缸內直噴柴油機單次噴射，最低指示油耗小于180 g/kWh，碳煙和NOx原始排放有滿足歐VI法規要求的潛力[51]。

在柴油機低溫燃燒中，國內外研究者也發現，提高燃料的揮發性，降低燃料的十六烷值更有利于降低碳煙和NOx排放，并提高發動機的熱效率。瑞典Lund大學研究者在柴油機中噴入汽油燃料，發現在上止點前附近噴入汽油燃料，通過EGR控制實現低溫燃燒，其碳煙和NOx排放遠比柴油燃料低溫燃燒時低，并且高效清潔低溫燃燒區域最大負荷范圍比柴油更高，而且燃用汽油燃料可節能8.3%～16.6%。他們將這一燃燒方式定義為PPC（Partial Premixed Combustion）燃燒方式。但這種燃燒方式的缸內最大爆發壓力、最大壓力升高率較高，發動機工作粗暴[52]。此外，如前所述，在小負荷工況下由于汽油燃料不易壓燃而需要采取其它的措施，如缸內殘余廢氣加熱，避免小負荷工況“失火”是這一燃燒方式需要解決的另一個難題。實際上，在低溫燃燒中NOx排放主要由EGR率（燃燒溫度）決定，提高空燃比并不能有效降低碳煙排放，其主要受缸內的混合情況決定，加速燃油與空氣混合，延長滯燃期可以有效地降低碳煙排放。汽油燃料之所以能夠獲得比柴油燃料更低的碳煙排放，主要是由于汽油揮發性好（改善了燃油與空氣的混合）、十六烷值低（延長了滯燃期）。因此，國內外研究者提出了寬餾份燃料的概念，即揮發性好、辛烷值碳氫組份與易壓燃的碳氫組份混合，它既可以改善燃油與空氣的混合，也可以降低燃料的十六烷值，延長滯燃期，并且寬餾份燃料的十六烷值比汽油高，研究表明這種混合燃料在保證低NOx排放的同時可以明顯降低碳煙排放[53-54]。此外，國內外研究也嘗試采用柴油與含氧生物質燃料組成的混合燃料來降低低溫燃燒有害排放[55]。

5 總結與展望

HCCI開辟了內燃機燃燒學研究新領域，極大地推動了內燃機燃燒理論研究的發展。通過HCCI研究，人們對以HCCI為代表的新一代內燃機燃燒理論有了進一步深入的認識。在基礎理論層面，人們發現其理論本質是多組分均質混合氣湍流混合與化學動力學耦合作用的有限反應速率的化學動力學理論[39]；在燃燒技術層面，提出了基于“燃燒路徑控制”的高效清潔燃燒新技術[39]；開辟了適應新一代內燃機燃燒技術的燃料特性研究。人們也改變了HCCI出現之初“均勻性”的概念認識，而將其概括為“均質壓燃、低溫燃燒”的燃燒特性，即“均質”混合氣，基于燃燒路徑控制的可控預混自燃，低溫快速放熱過程。所謂的“均勻”混合氣，是在保證NOx和碳煙排放不惡化的條件下，適當采用混合氣濃度分層、溫度分層和成分分層來控制著火和燃燒反應速度；燃燒路徑控制是燃燒反應全歷程的混合氣濃度和溫度控制，避開有害排放生成區域；而低溫快速燃燒過程則是基于“均質”大比例預混自燃特點而獲得的燃燒特征。大比例預混自燃決定了其燃燒過程必定是快速放熱的過程，這就使燃燒更接近理想定容燃燒過程，保證更高的熱效率。為構建“均質”預混合氣而采用大比例EGR及增壓空氣的稀釋，使這種燃燒的燃燒溫度比傳統的燃燒方式低，抑制了NOx和碳煙排放，同時較低的燃燒溫度也有利于降低火焰及壁面輻射損失從而提高熱效率，實現高效清潔燃燒的目標。

近年來，節能（降低CO2排放）已成為推動內燃機燃燒技術進步的另一重要因素，同時隨著石化燃料資源緊張，內燃機燃料向多元化方向發展。內燃機燃燒技術發展將以“均質壓燃、低溫燃燒”燃燒技術為基礎，向“超高燃燒壓力、廢氣稀釋、低散熱低溫燃燒和可變熱力循環”方向發展。實際上，一方面，目前“均質壓燃、低溫燃燒”高效清潔燃燒工況范圍仍有限，大負荷擴展仍是高效清潔燃燒技術需要解決的技術難題，這主要受限于目前的缸內燃燒壓力，提高發動機能夠承受的最大燃燒壓力可以將高效清潔燃燒向大負荷工況擴展。熱力學基礎理論也表明，理想定容燃燒過程能夠實現最高的熱效率，但也會導致高的爆發壓力。高燃燒壓力引起缸內溫度的提高，從而使NOx排放升高并增加發動機傳熱損失，通過廢氣稀釋可以降低燃燒溫度，從而降低NOx排放并減少傳熱損失。另一方面，在滿足日益嚴格的排放法規中，為了避免過高的燃燒壓力和控制NOx生成，燃燒相位推遲，燃燒反應速率降低，缸內燃燒放熱規律偏離了最優的放熱規律（相位推遲，持續期延長），從而導致熱效率的降低。因此，提高發動機熱效率一方面從熱力學第一定律出發，需要提高燃燒壓力、減少傳熱損失和減少廢氣帶走的熱能（可變熱力循環實現充分膨脹）；另一方面，需要充分利用燃料的燃燒特性和與之相適應的邊界條件控制，實現最優的放熱規律（相位控制和持續期控制），即對燃燒過程的“精細化”控制。燃燒過程的“精細化”控制包括對燃燒路徑控制、燃燒相位控制、燃燒反應速率控制以及可變熱力循環控制等。在實現高效清潔燃燒這一目標的過程中，多燃料的適應性也是一個重要因素，不僅需要提出評價燃料燃燒品質的依據，并據此提出大規模應用替代燃料或對石化燃料與替代燃料進行混合燃料設計，并適合于內燃機高效清潔燃燒的燃料特性；同時，利用燃料的燃燒特性也是實現理想燃燒放熱規律的重要手段，包括構建新的混合燃料或采用雙燃料的燃燒方式，適應內燃機寬廣工況范圍高效清潔燃燒的需求。

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