RCCI發動機及相關基礎研究

王昆，廖世勇，袁春，張勇

(重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

RCCI發動機及相關基礎研究

王昆，廖世勇，袁春，張勇

(重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

活性氛圍分層壓燃(RCCI)是面向壓縮點火發動機的一種燃燒新技術，在能夠維持壓縮點火發動機高熱效率的前提下實現氮氧化物(NOx)與炭煙顆粒(PM)排放同時降低。回顧了RCCI燃燒理論的提出和發展歷程，分析了發動機應用現狀，提出了當前RCCI燃燒基礎研究中亟需解決的關鍵問題。

活性氛圍分層壓燃(RCCI)；低溫燃燒

壓縮點火發動機因其低轉數域的高扭矩輸出特性和寬廣的功率范圍，以及良好的燃油經濟性和高可靠性，在工程機械、運輸、艦船以及發電裝備等方面有著非常廣泛的應用。但壓縮點火發動機中氮氧化物(NOx)和炭煙(PM)排放存在嚴重的折中(Trade-off)關系，同時降低這兩種排放物異常困難[1]。而PM和NOx都是形成當前最嚴重的大氣污染型氣候——霧霾的重要誘因。因此，開發面向壓縮點火發動機的高效、清潔燃燒技術，不僅是滿足社會發展對高效動力需求的重要舉措，更是適應越來越嚴格的排放法規要求、建設環境友好型社會的必然。

活性氛圍壓縮燃燒(Reactivity Charge Compression Ignition，RCCI)[2]是繼均質充量壓縮著火燃燒(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)[3]、預混合壓縮燃燒(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)[4]等低溫燃燒(Low Temperature Combustion,LTC)技術后，面向壓縮點火發動機新興的技術。已有的試驗表明，RCCI發動機能較好地克服HCCI，PCCI等燃燒技術的燃燒控制難、負荷適應性差等問題，并能較好地規避傳統柴油機NOx與PM排放的折中關系難題，極具應用前景。

1 RCCI的提出

燃燒是燃料化學能轉化為機械能的最基本途徑，而發動機燃燒是化石燃料能量利用最普遍、最有效的方式。隨著化石能源短缺以及環境污染問題的嚴重,國內外發動機工作者都致力于研究發動機高效潔凈燃燒技術，以解決能源和環境問題。壓縮點火發動機作為重要動力源，更是獲得大量的關注。

柴油機電控高壓共軌噴射燃燒[5]是壓縮點火發動機燃燒技術的最新進展。該技術采用200 MPa左右的超高壓噴霧技術，使得柴油霧化質量顯著提高，能大幅降低發動機燃燒過程中PM的生成。但其仍未突破傳統柴油機擴散燃燒的固有瓶頸，在燃燒過程中，缸內仍充盈著滿足NOx和PM生成條件的局部當量比和溫度區域，無法同時實現超低NOx和PM排放。

低溫預混合燃燒是同時降低PM與NOx生成的重要技術途徑[6]。HCCI，PCCI等技術是目前低溫預混合燃燒理論最典型的應用。HCCI的混合氣制備一般采用燃油早噴方式，形成類似于火花點火發動機的均質稀薄混合燃氣， 同時采用廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)、進氣加溫和增壓等手段來提高缸內混合氣的溫度和壓力，使氣缸內的稀薄預混合氣可以實現多點同時著火。HCCI近似均質的混合燃氣燃燒，避免了燃油過濃區域的存在，因而能夠抑制PM的生成，同時由于采用多點壓縮著火，避免了預混火焰的傳播，發動機缸內燃燒沒有明顯的火焰鋒面，并且由于采用稀薄燃燒，燃燒溫度得以降低，使得NOx的生成也大幅減少。

PCCI是部分預混壓燃和燃料缸內直噴擴散燃燒相結合的復合燃燒方式。該技術一般通過燃油部分預混來減少燃燒中擴散部分的比例。具體實現是通過將部分燃油在壓縮行程直噴，或者采用調整進氣門關閉時刻和提前噴油時刻，輔以EGR等手段，在燃氣壓縮著火前形成較為均質的預混燃氣，剩余燃油直噴入缸內，發動機同樣基于壓縮實現多點燃燒。

最近發展起來的柴油機LTC 技術[6]是基于高壓共軌噴射技術的一種燃燒方式。其主要通過高EGR率或可變壓縮比、可變進排氣門正時等方法來延長燃油著火滯燃期，降低缸內平均溫度，實現低溫預混燃燒，達到同時減少NOx和PM生成的目的。

HCCI，PCCI 以及LTC發動機都能避開NOx與PM生成的高發區，可以將NOx和PM排放同時降到極低的水平，但也存在顯著的缺點： HCCI和PCCI發動機的工作范圍很窄，僅限于中小負荷，因此在動力性上受到限制； HCCI與PCCI著火過程主要受制于化學動力學，其燃燒相位和燃燒速率難以直接控制，此外還存在HC 和CO 排放增大、冷起動困難等問題；LTC，PCCI發動機如果不使用EGR技術，會造成預混燃燒過于劇烈，發動機NOx排放和燃燒噪聲會大幅增加；特別地，基于高壓噴射的LTC發動機一般需要高EGR，以防止LTC發動機工作粗暴，但過高的EGR率會限制發動機的高負荷運行。

面向壓縮點火發動機的低溫燃燒技術還有許多應用方式，比如 MK (Modulated Kinetics)燃燒、UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System)燃燒、多段噴霧燃燒(Multiple Stage Diesel Combustion，MULDIC)、均質充量噴霧復合燃燒(Homogeneous Charge Diesel Combustion，HCDC)、多脈沖噴射HCCI 燃燒等[6]。這些燃燒技術與HCCI和PCCI一樣，都是基于預混燃燒和稀釋燃燒發展起來的燃燒技術，因而都屬于LTC技術范疇。同樣地，這些燃燒技術在發展過程中也都遇到發動機燃燒控制困難、負荷適應特性較差、CO和HC排放較高、燃燒效率降低等問題，仍需要予以持續研究。

燃氣混合是影響壓縮著火發生及整個燃燒進程的關鍵。因發動機缸內氣流運動的強瞬變特性，理想的預混燃氣制備一直是HCCI，PCCI，LTC等發動機的燃燒調控的難點。Reitz教授等[2]提出了RCCI燃燒概念：通過采用進氣道噴射和缸內直噴兩套獨立的噴油系統(見圖1)，就能較好地克服目前低溫預混發動機預混燃氣制備的難題，為燃燒精準調控創造條件。

圖1 RCCI發動機燃燒

RCCI發動機進氣道噴射一般是將汽油、甲醇、乙醇等高辛烷值、低沸點、易揮發的燃料噴入氣道，這部分燃料將在著火前在缸內形成均勻混合氣；缸內直噴則是仍沿用傳統柴油機供油方式，將柴油等高十六烷值燃料噴入缸內與缸內的均勻混合氣混合。通過調控預混與直噴燃用比例，RCCI燃燒可以調控擴散燃燒和預混燃燒強度，降低燃燒最高溫度，同時，通過預混燃燒強化燃料射流與空氣的混合，從而能達到同時降低NOx和PM排放的目的[2,7]。

從燃燒機理上看，RCCI仍屬于低溫預混燃燒范疇。RCCI的燃氣混合機制與PCCI較為相似，但RCCI發動機中引入了高反應活性燃料作為預混燃料，而且雙燃油噴射系統能靈活調整預混燃料的比例，這些措施可以解決目前低溫預混和燃燒模式中燃燒相位可控性及負荷適應性差等問題。已有試驗研究發現，RCCI發動機在不作相關后處理的情況下能達到EPA2010排放標準，同時發動機的熱效率可大幅度提高，發動機負荷能拓展到中高負荷[8-9]。

2 RCCI發動機應用研究

RCCI技術是HCCI,PCCI以及LTC等低溫預混燃燒技術的發展。最早系統地研究RCCI在發動機上應用的是美國Wisconsin發動機研究中心(Engine Research Center，ERC)Reitz團隊。他們基于單缸和多缸發動機研究了不同燃料組合(包括汽油-柴油、乙醇-柴油以及汽油-汽油等)的RCCI燃燒適應性。研究發現,通過噴射策略控制實現發動機缸內的燃油分層和反應活性分區，能在發動機中實現活性氛圍燃燒，達到低于0.05 g/(kW·h)和0.01 g/(kW·h)的NOx與PM排放要求[2]。伊朗科學技術大學(Iran University of Science and Technology)Kakaee等[10]測試了天然氣作為預混燃料的柴油發動機RCCI燃燒性能，結果發現，表征燃氣能量密度的Wobbe數和發動機轉速對發動機性能和排放有特別重要的影響，高能量密度燃氣能帶來高的發動機缸內峰值壓力、峰值溫度和NOx排放。西班牙瓦倫西亞理工大學(Universitat Politècnica de València)Benajes等[11]研究了低活性混合燃料E10-95，E10-98，E20-95和E85與高活性的diesel-B7直噴下的RCCI發動機燃燒特性，研究發現，低活性燃料預混有助于實現近零PM排放，而高活性燃料預混在低EGR條件下NOx排放增加。新加坡國立大學Li等[12]研究了活性燃油分層對汽油-生物柴油RCCI發動機的影響，發現預噴汽油比例增高會使得燃燒更接近均質燃燒，有助于降低PM的生成。Lim和Reitz[13]率先將GDI應用于RCCI發動機進行相關試驗研究，他們將異辛烷直接噴入缸內，將正庚烷通過共軌噴射系統噴入，結果發現發動機UHC和CO排放降低，燃燒效率得到了改善。

近年來，國內學者對RCCI發動機的研究日益增多。天津大學Yao等[14-15]重點研究了甲醇-柴油在壓縮點火發動機上RCCI的燃燒情況。他們采用進氣管噴醇、缸內直噴柴油的方式，在柴油機上實現了甲醇的較大比例替代，并且獲得了較低的NOx和PM排放。發現進氣溫度對甲醇-柴油RCCI的燃燒排放有重要的影響，進氣溫度增加會抑制NO2，THC，CO，甲醛以及甲醇排放，但會增加NO，NOx和PM生成。清華大學Liu等[16]開展了氣體燃料RCCI發動機燃燒特性的數值研究，研究了H2摻混入DME-CH4后發動機RCCI燃燒情況，計算分析了H2添加后對發動機常規排放NOx，CO，HC及非常規排放CH4的影響。研究發現，CO和CH4排放在預混燃燒階段生成，隨著H2添加，NO生成會顯著增加。大連理工大學Li等[17]利用多維模擬方法，研究了預混燃料比率、發動機EGR率、進氣終了溫度(壓力)以及噴油時刻等參數對發動機RCCI燃燒控制的影響，也發現進氣終了溫度和EGR率是影響發動機性能的關鍵因素。

3 RCCI燃燒理論研究進展

傳統壓縮點火發動機發生的是典型的擴散燃燒(Diffusion Combustion)，部分預混(Partially Premixed)是實現擴散火焰低PM和低NOx生成的重要手段。部分預混燃燒技術便于氣體燃料應用，通過氣體燃料射流中摻混部分空氣(氧化劑)實現擴散火焰內的部分預混，通過反應區內的燃油-空氣混合氣分層，能達到改善火焰結構，同時降低火焰中PM和NOx生成的目的[18]。RCCI是部分預混燃燒基于液體燃料的應用拓展。該燃燒方式的實現是將液體(或氣體)燃油(或燃油與空氣的混合氣)噴入預先混合好的均質燃氣氛圍，然后著火燃燒，這種燃燒方式也被稱為預混活性氛圍擴散燃燒。

部分預混火焰具有高效清潔燃燒效能的根本原因是預混氛圍的存在[19]。對沖火焰是研究預混擴散燃燒的一大利器。預混火焰和擴散火焰在燃燒時火焰形態簡單，而部分預混火焰會呈現不同的形態，比如對沖火焰會有經典的兩反應區結構，即預混反應區(Premixed Reaction Zone)和非預混反應區(None-premixed Reaction Zone)(見圖2)。部分預混燃燒火焰所呈現出來的復雜反應區結構，正是預混氛圍與擴散射流在燃燒條件下相互作用的結果。

圖2 基于氣體燃料的部分預混對沖火焰

已有研究指出，火焰內的分層和反應分區對火焰燃燒過程有重要的影響，而火焰條件(當量比、溫度、拉伸率等)對上述分區的影響又呈現不同的響應[20]。預混活性氛圍擴散火焰，盡管從基本原理上仍同屬于部分預混火焰，但預混燃氣形成與引入方式的不同，會直接造成火焰結構上的變化。圖3示出了預混活性氛圍對沖火焰模型,圖中“？”表示預混活性氛圍對沖火焰反應區位置未知。對比圖2和圖3可以發現，傳統部分預混火焰的預混燃氣一般在燃料側，使得火焰分區中預混區也靠近燃料側，非預混反應區靠近空氣側(見圖2)；而預混活性氛圍擴散火焰的預混燃氣一般與燃料射流分離(見圖3)，從常識上判斷火焰的預混反應區應靠近預混氛圍側，而擴散反應區的位置應靠近射流燃料側；傳統部分預混火焰的預混燃氣在燃料側，故而絕大多數情況下，預混燃氣為濃混合氣，而預混活性氛圍擴散火焰在實際應用中多為稀混合氣。活性氛圍擴散火焰相對于傳統部分預混火焰，呈現出來的反應區相對位置調整及預混反應區濃度的改變，已經顛覆我們對傳統部分預混火焰的物性分層和反應分區的認識。

圖3 預混活性氛圍對沖火焰模型

一直以來基于氣體燃料的部分預混對沖火焰都是燃燒基礎研究領域的熱點，具體研究涵蓋了火焰特征剖析的方方面面，包括部分預混火焰的熄火、火焰拉伸、火焰提升(Lifting)及浮起長度(Lift-off Length)的測試和分析等[18,21]。近年來，隨著替代燃料應用的興起，研究更是拓展到大分子燃油的反應機理，還有相當一部分的研究是探索多環芳香烴(PAHs)與Soot的生成[22-23]。

相關文獻顯示，美國陸軍實驗室(Army Research Laboratory，ARL)的McNesby等[24]是開展RCCI火焰基礎研究的先驅。他們通過將乙醇添加在空氣側，建立了乙烯射流在乙醇-空氣氛圍下的對沖火焰，測試發現，當乙醇添加在空氣側，能使擴散火焰中產生預混反應區，預混反應區的存在能加速活性基OH的產生，從而最終導致火焰中Soot生成大幅度地降低(相比乙醇添加在燃料側的混合燃料擴散燃燒)。韓國國立釜慶大學Park等[20]利用H2-air與CH4-air的對吹，建立了兩種燃料的活性氛圍擴散燃燒，發現當量比對火焰結構和放熱規律有明顯的影響。美國伊利諾伊大學Aggarwal和Puri[25]發現，部分預混燃氣(包括燃料預混氧氣或氧氣預混少量燃料)在微重力條件下，也能產生活性氛圍燃燒。天津大學姚春德等[26]基于定容燃燒彈試驗，研究了柴油噴霧在甲烷和甲醇預混活性氛圍下的著火燃燒特性，研究指出，降低環境溫度和增加預混燃料的濃度均能延長柴油著火滯燃期，增加燃燒放熱率峰值，且較低的環境溫度和高的預混氣濃度有利于減少炭煙的生成。

4 RCCI基礎理論亟需解決的關鍵問題

RCCI發動機及基礎燃燒研究已經表明，預混當量比、氛圍溫度、預混燃油比例等參數對RCCI燃燒效能有重要的影響。但總體而言，關于“活性氛圍擴散燃燒”的基礎研究還是偏少，主要原因是RCCI燃燒概念提出的時間短，RCCI在發動機上的探索還處于初期，同時也由于這種燃燒方式的應用仍較多局限在與內燃機類似的瞬態燃燒系統，還未獲得燃燒領域更多的關注，使得關鍵參數對RCCI燃燒的影響機理還未建立。

為推進RCCI燃燒應用發展，相關基礎研究亟需獲得重視，特別是針對RCCI發動機燃燒調控中的基礎問題，應盡快展開研究。

1) 活性氛圍下火焰著火機理

預混活性氛圍混合氣的燃燒過程主要受燃氣化學反應動力學控制，其著火燃燒具有明顯的兩階段點火特征，分別受燃氣的低溫和高溫化學反應進程的影響，其中燃氣在預混活性氛圍的低溫反應行為是影響火核形成的關鍵[27]。目前，針對單質燃料體系低溫反應行為的研究較多，而預混活性擴散燃燒大多基于雙燃料甚至多燃料體系，因此亟需廣泛開展多燃料體系下的燃料低溫反應行為研究。此外， EGR技術幾乎是RCCI技術的標配，因此，還應特別關注稀釋氣體對預混燃氣著火燃燒的影響研究。

2) 活性氛圍下預混火焰及擴散火焰的相互影響機制

活性氛圍擴散火焰的形態結構相比傳統部分預混火焰有了顯著的變化，目前，人們對這種燃燒方式的了解不多。對于活性氛圍擴散火焰，有些信息是發動機試驗無法獲知的，如調整預混燃油比例、改變預混氛圍溫度以及稀釋率變化時，火焰形態的相應變化就無法獲知，對于更為細致的反應區內反應細節和反應區之間的交互作用關系更無從得知。

目前，還鮮有工作涉及預混活性氛圍擴散火焰結構測試和分析，使得我們對RCCI燃燒機理尚未完全了解。因此，需要研究建立穩定的具有雙燃燒反應區的活性氛圍擴散火焰的方法，探尋預混活性氛圍參數對火焰分區結構的影響關系，明晰火焰反應分區之間相互作用關系，建立和完善RCCI高效潔凈燃燒機理。

3) 活性氛圍對火焰中NOx及PM生成的影響

RCCI發動機測試已經揭示了活性氛圍壓縮燃燒在有害生成抑制方面的優勢，但還鮮有研究從燃燒機理角度剖析活性氛圍對潔凈燃燒的作用途徑。因此，需要開展關于火焰雙反應區內NOx，PM等的生成規律和反應路徑研究，總結各有害生成路線圖，從機理上獲得預混氛圍對NOx，PM等有害生成的影響機制；并計算更寬泛預混氛圍條件下的擴散火焰有害生成指標數據，總結獲取有害生成隨氛圍條件的變化規律，發掘通過氛圍調控抑制有害生成共同的方法。

4) 非常規燃料的活性氛圍擴散燃燒基礎特性研究

解決能源與環境問題最終還要依靠可再生替代能源的推廣應用。隨著石油資源的逐步枯竭，燃用生物燃料、合成燃料是必然趨勢。開展非常規燃料及其混合物射流在活性氛圍下的著火特性及燃燒機理研究，意在強調活性氛圍擴散燃燒研究應未雨綢繆地推廣到更寬泛的燃料范圍，為非常規燃料的規模性替代燃用提供理論基礎。

5 結束語

RCCI是繼HCCI,PCCI,LTC等低溫預混燃燒技術之后，應用于壓縮點火發動機最有發展潛力的技術之一。這種燃燒模式展示出來了前所未有的清潔高效燃燒潛力，值得深入研究。綜合目前RCCI發動機應用研究可以發現，活性燃料比例、預混氛圍溫度、EGR率等是RCCI發動機燃燒調控的關鍵。但由于對RCCI燃燒機理認識的不足，使得RCCI調控仍基于經驗總結。因此，亟需開展活性氛圍擴散燃燒基礎理論研究，探尋活性氛圍下火焰著火機理，發掘活性氛圍下預混火焰及擴散火焰的相互影響機制，剖析活性氛圍對火焰中NOx及PM生成的影響，并將活性氛圍擴散燃燒基礎研究拓展到非常規燃料體系，為系統推進RCCI技術發展提供完備的理論支撐。

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RCCIEngineandRelevantFundamentalStudies

WANG Kun，LIAO Shiyong，YUAN Chun，ZHANG Yong

(Vehicle Engineering Institute,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Reactivity charge compression ignition(RCCI)is a new combustion technique for compression ignition engine, which can keep the high thermal efficiency and realize the simultaneous reduction of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) emissions.The origination and development history of RCCI theory was first reviewed, the application status was analyzed, and some key problems that needed to be urgently solved were summarized.

reactivity charge compression ignition (RCCI);low temperature combustion

姜曉博]

2017-07-10；

2017-10-11

國家自然科學基金項目(NSFC51776028)

王昆(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機替代燃料的燃燒基礎研究；18695063739@163.com。

廖世勇(1973—)，男，教授，博士，主要研究方向燃料燃燒化學反應動力學；shyliao@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.001

TK42.2

A

1001-2222(2017)06-0001-06