均質壓燃（HCCI）燃燒技術的研究現狀與展望

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

關鍵詞：均質壓燃；低溫燃燒；燃料改質

引言

當前，全球汽車保有量不斷增加，然而能源日趨匱乏，排放法規越來越嚴重，因此內燃機的節能減排技術不得不受到重視，研發節能、清潔和高效的內燃機也具有更為重要的意義。但是，現有的汽油機和柴油機仍然不能同時符合我們在經濟性與排放性方面的需求。均質壓燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作為一種全新的燃燒技術，有別于現有汽油機的點燃式與現有柴油機的壓燃式，它兼具現有汽油機均質燃燒與現有柴油機壓燃點燃的優點，能夠提高發動機的動力性和經濟性，同時大大降低發動機NOx和碳煙的排放。

1 HCCI燃燒技術的概念與特點

從內燃機被發明以來，內燃機的點火方式有兩種類型：一種是柴油機的壓燃點燃方式；另一種是汽油機的點燃燃燒方式。因為柴油機的熱效率高，動力性好，可靠性高，常常被用在動力機械上，例如工程機械、載重貨車等。同時，汽油機憑借其構造簡單、體積小、重量輕、轉速高、振動噪聲小等優點占領了大多數的乘用車市場，尤其是小轎車上多半配置的是汽油機。因為人們對汽車的依賴性越來越高，全球汽車的保有量不斷增加，環境也日趨惡化，能源越來越緊張，迫使人們不斷地改進柴油機與汽油機的性能，同時積極地尋找更為清潔環保的發動機燃料。在對這些新型清潔環保的發動機燃料研究時，研發人員使用了一些汽油機和柴油機比較完善的技術。比如，嘗試在柴油機中使用燃點較高的醇類燃料；為了讓醇類燃料在汽油機中穩定燃燒，把汽油機的壓縮比增加到11～13。其中最為大膽和最有創新性的研究是結合柴油機和汽油機的優點，最后建立一種嶄新的燃燒模式——均質充量壓縮燃燒，即均質壓燃（HCCI）。

是一種有里程碑意義的內燃機燃燒技術，混合氣形成方式與汽油機缸內直噴技術相似，發動機在進氣行程吸入氣缸的是預先混合好的均質可燃混合氣，而均質可燃混合氣在壓縮行程升溫達到燃料的著火點而自燃。從表面上來看，均質壓燃（HCCI）與壓燃式和點燃式燃燒技術均有類似的地方，它好像是壓燃式和點燃式燃燒技術的結合產物。但是，HCCI燃燒技術并不是壓燃式和點燃式燃燒技術相互結合的技術，而是一種與二者完全不同的燃燒技術。汽油機缸內的可燃混合氣燃燒模式是點燃式即熱擴散模式；而柴油機使用的是缸內直接噴射方式，在壓縮行程末了柴油被直接噴射到氣缸內與高溫空氣接觸，柴油被加熱到柴油的著火點而自燃即擴散燃燒。在傳統的點燃式燃燒模式中氣缸內可燃混合氣分布不均勻，而在傳統的壓燃式燃燒模式中氣缸內燃油質量分布不均勻，因此才會存在熱擴散或物質擴散。均質壓燃燃燒模式的著火方式與傳統的點燃式和壓燃式燃燒模式有著本質上的不同，因為缸內充量均勻，壓縮時熱量在整個氣缸內均勻分布，氣缸內各點同時著火燃燒。因此，從理論上來講，均質壓燃模式既不存在熱擴散也不存在物質擴散，而且HCCI燃燒還能夠實現稀薄燃燒。HCCI燃燒和傳統燃燒的比較見圖1。

均質壓燃具備的技術優勢：

（1）熱效率高。HCCI燃燒發動機能夠有較高的壓縮比，而且不用設置節氣門，從而能夠減小進氣阻力；而且多點同時著火的燃燒模式讓整個燃燒過程不需要火焰傳播，燃燒持續期很短，能夠看作是理想的等容燃燒過程；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，均質壓燃發動機的熱效率幾乎和壓燃式發動機相當，動力性和經濟性明顯提高。

（2）NOx和碳煙的排放量較低。HCCI的燃燒特點是“均質壓燃、低溫燃燒”。均質壓燃意指氣缸內混合氣混合均勻，氣缸內不存在局部混合氣過濃或局部混合氣過稀的區域，如此氣缸內就不存在高溫缺氧的區域，減少了碳煙的形成；“均質壓燃、低溫燃燒”則完全避免了高溫富氧的產生，顯著減少了NOx的形成。

（3）燃料的靈活性高。HCCI發動機對于燃料的靈活性高，它允許燃料的辛烷值在一個很寬的區域內變動。HCCI發動機既可以用傳統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發動機還能夠通過對高辛烷值燃料和低辛烷值燃料的不同配比來調節HCCI發動機的燃燒起點和負荷范圍，從而改善燃燒質量，甚至能夠為HCCI發動機制作專用的燃料。所以，在HCCI發動機上可再生的生物燃料可以發揮很大的潛能，這將會減輕內燃機對石油等化石燃料的依賴，也將為緩解能源危機提供新的思路。

2 HCCI燃燒技術所面臨的挑戰

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，它已經成為內燃機研究人員眼中的熱點項目，而且對HCCI的研究已經涉及到了這一燃燒方式的多個層面。尤其是近幾年，因為能源越來越緊張，空氣污染越來越嚴重，HCCI燃燒方式引起了全球內燃機研究人員的重視，國際社會在HCCI燃燒技術研究方面付出了大量的人力和財力，并且也獲得了較好的成果。然而HCCI燃燒方式離實際應用還有一段距離，要實現HCCI燃燒方式還面臨著居多挑戰。

2.1 燃燒相位控制困難

由于HCCI發動機的著火始點受到進氣溫度、燃料當量比、壓縮比、燃料類型和發動機轉速等綜合因素的影響，傳統內燃機上的著火時刻控制方式無法在HCCI發動機上直接實現，而且實際上HCCI發動機的燃燒過程主要由化學動力學影響，比較復雜，控制困難。

2.2 運行范圍過窄

HCCI發動機在中低負荷工況下能夠平穩運轉，然而在非中低負荷狀態下運行，HCCI燃燒容易產生爆震，氮氧化物的排放量也會增大。在過低負荷時，因為混合氣濃度較低，發動機燃燒室內放熱速率較為緩慢，發動機容易“失火”，同時冷啟動困難，燃燒效率低。所以，HCCI發動機運行范圍過窄的問題影響了其在汽車上實用性推廣。

2.3 冷起動困難

在外界溫度低于-20℃時，HCCI發動機氣缸內溫度極低，而且氣缸內缺乏溫度較高的廢氣，燃料在壓縮行程中不能達到自燃溫度，無法自燃，導致發動機冷啟動困難。

2.4 HC和CO的排放量大

HCCI發動機在中低負荷工況下能夠平穩運轉，然而整個均質壓燃過程采取的“均質稀薄、低溫燃燒”，因此燃燒過程中形成的CO無法完全氧化，在氣缸壁附近的HC不能進一步氧化，在低溫條件下三元催化轉換器的轉化效率很低，HC和CO也不能被催化。因此，HCCI發動機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在內燃機上實際應用必須具備以下兩個條件：第一個條件是內燃機氣缸內必須形成均質可燃混合氣，第二個條件是有效控制HCCI的著火時刻和燃燒過程。世界各地的內燃機研究人員對HCCI做了許多研究和實踐，在內燃機HCCI燃燒技術方面取得了許多進展。

3.1 進氣加熱

研究表明，通過對進氣加熱，進氣溫度升高，氣缸內溫度也隨之升高，并且燃料溫度升高后蒸發性更好，均質可燃混合氣更容易形成，所以能夠提高均質壓燃的燃燒效率。

3.2 可變壓縮比

可變壓縮比是改變氣缸內壓力和溫度的一種有效途徑。研究人員Haraldson設計了一種壓縮比可變的多缸機，并實施了均質壓燃試驗，試驗表明可變壓縮比對均質壓燃的控制能夠取到很明顯的作用。

3.3 可變氣門正時

Willand等研究人員采用排氣門提前關閉加上缸內直噴技術來控制均質壓燃。排氣門早關可以將燃燒之后的廢氣保留在缸內，這些燃燒之后高溫高壓的廢氣能夠對均質可燃混合氣加熱，因而均質壓燃更能實現。研究人員的后續研究表明該方案是控制HCCI燃燒的有效方式之一。

3.4 進氣增壓

內燃機研究領域內的多方試驗表明內燃機進氣增壓是一種更為有效的均質壓燃控制方式。內燃機研究人員Christensen和Johansson就采用這一方式實施了均質壓燃試驗，試驗指出這一方式雖然能夠讓氣缸內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燃機壓縮比的限制。

3.5 二次噴射

Urushihara和Urata在實施均質壓燃試驗時使用了與傳統的噴油方式不一樣的噴油方式，即二次噴射。第一次噴射設定在氣門重疊期間，憑借氣缸內還未排凈的高溫廢氣把燃料加熱使其自燃，隨后通過燃燒之后的熱量加熱混合氣，這即是導燃噴射，然后在壓縮行程起始階段實施第二次噴射。這一噴射策略實現了內燃機的均質壓燃燃燒，但同時也使得內燃機油耗增加，排放惡化。

3.6 EGR

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

3.7 火花塞輔助點火

使用火花塞輔助點火引入部分火焰傳播過程，能夠有效避免HCCI燃燒在大負荷邊界發生爆震現象，使發動機獲得更大的輸出功率。另外，在均質可燃混合氣自燃前采用火花塞輔助點火，能夠增強燃燒的穩定性，大大減少失火現象的產生。運用火花塞輔助點火讓均質可燃混合氣燃燒展現出兩階段放熱燃燒的燃燒方式，它儼然成了HCCI燃燒的一個熱點方向。

3.8 燃料改質

研究人員在HCCI發動機燃料方面進行了大量的試驗，試驗表明燃料改質是一種拓展HCCI發動機運行范圍的有效方式。燃料改質可以給均質可燃混合氣提供額外的大量活性基，讓氣缸內均質可燃混合氣的化學反應路徑產生變化，精確控制著火時刻，所以有利于對HCCI發動機運行范圍的拓展。此外，混合燃料的HCCI燃燒對HCCI發動機運行范圍的拓展也可以起到一定的作用。還有雙模式運行方案也是拓展HCCI發動機運行范圍的研究熱點，一般在中低負荷工況時使用HCCI燃燒模式，有效運用HCCI的燃燒優勢，在大負荷與過低負荷工況時轉換到傳統的點燃式和壓燃式。但是，這種雙模式運行方案的使用又會使發動機變得更復雜。

4 結論與展望

節能環保一直是推進內燃機燃燒技術研究進程的動力之一，均質壓燃憑借其熱效率高、NOx和碳煙的排放量低而受到青睞，也將會成為全球內燃機研究領域的研究熱點。但是，在均質壓燃發動機實用化的道路上還存在許多難題，例如：燃燒相位的控制困難，運行范圍過窄，HC和CO的排放量大等。對于這些研究難題，研究人員已經找出了一些切實可行的措施，并且不斷地向著實用化的方向努力著。

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作者簡介：何細鵬（1978-），男，湖北黃岡人，碩士，武漢交通職業學院汽車工程學院，教研室主任，研究方向：汽車維修技術。