低溫燃燒技術(shù)綜述

李耀宗，繆雪龍，彭海勇

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

內(nèi)燃機經(jīng)過100 多年的發(fā)展，通過不斷的技術(shù)改進，早已相當完善。由于其熱效率高、功率范圍廣，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，內(nèi)燃機的保有量飛速增加，能源消耗和環(huán)境污染問題日益嚴重，節(jié)能減排成為當前不容忽視的問題。雖然傳統(tǒng)燃燒技術(shù)經(jīng)多年發(fā)展以及與后處理技術(shù)相結(jié)合，內(nèi)燃機排放相比之前已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，但是依然無法滿足日益嚴格的環(huán)保要求；同時，柴油機成本大幅增加，使用維護復(fù)雜性也急劇增長。為此內(nèi)燃機研究者探索發(fā)明了低溫燃燒技術(shù)，理論上能在不采用復(fù)雜后處理系統(tǒng)的前提下，大幅降低NOX和PM 排放，并保持較高的熱效率，能與替代燃料兼容的特點，使其成為內(nèi)燃機燃燒技術(shù)最好的發(fā)展方向之一。

1 傳統(tǒng)燃燒技術(shù)

在發(fā)動機燃燒技術(shù)中，壓縮著火（CI）燃燒和火花點火（SI）燃燒是最常見的2 種典型傳統(tǒng)燃燒方式。與CI 發(fā)動機（柴油機)相比，SI 發(fā)動機（汽油機）采用較低的壓縮比，是典型的預(yù)混合燃燒，因此它工作運轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，顆粒物（PM）排放比較低、氮氧化物（NOX）相近，但是其熱效率低，燃油經(jīng)濟性差。理論當量比燃燒時，采用三元催化器可以獲得很低的NOX、HC、CO 排放，滿足嚴格的排放法規(guī)要求。傳統(tǒng)的壓縮著火（CI）燃燒由于能夠采用較高的壓縮比，因此熱效率比較高，比油耗低[1]，但振動噪音大，PM 排放量更高[2]。研究證明這些污染物對人類健康和環(huán)境都有極大的危害[3-4]，例如長期接觸PM 會造成嚴重的腎臟損害和急性腎功能衰竭，甚至死亡[3]。

因此，傳統(tǒng)柴油機工作重點在于降低 NOX與PM 排放，而汽油機在于提高熱效率。由此可見，對于內(nèi)燃機來說，傳統(tǒng)燃燒方式很難同時滿足嚴格的節(jié)能和減排要求。

因為NOX-PM 的悖反（trade-off）性，如何同時降低柴油發(fā)動機排放的NOX和PM 是一個嚴重的挑戰(zhàn)[5]。為了解決這一問題，研究人員提出了多種解決方案，其中利用替代燃料、使用后處理系統(tǒng)和采用先進的燃燒策略是最主要的方法。近20 年來，柴油機尾氣后處理系統(tǒng)如柴油微粒過濾器（DPF）、柴油氧化催化劑（DOC）、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）等在車輛上已得到廣泛應(yīng)用[6-9]，這些后處理系統(tǒng)在單獨減少NOX或PM 方面都顯示出了巨大的潛力，但是由于成本、系統(tǒng)復(fù)雜性與可靠性以及操作方便性等因素，導(dǎo)致它們在道路運輸車輛上的應(yīng)用受到限制[10]。

有一些研究結(jié)果表明，受缸內(nèi)氣流和燃油噴霧特性的顯著影響，通過燃燒優(yōu)化可以控制柴油機燃燒室中NOX和PM 的形成[11]。這就將研究引向限制NOX和PM 排放的主動控制技術(shù)上。在不同的燃燒技術(shù)中，低溫燃燒(Low Temperature Combustion，LTC)技術(shù)由于在不采用復(fù)雜后處理情況下能夠同時大幅度降低NOX和PM，并且保持較高的熱效率，而受到了研究人員的關(guān)注。

2 低溫燃燒技術(shù)

目前，世界各國制定了越來越嚴格的排放法規(guī)來限制內(nèi)燃機的污染物排放，同時為了減緩溫室氣體效應(yīng)，需要控制CO2排放，因此在提高燃油經(jīng)濟性的同時還要保證內(nèi)燃機接近零排放。大量專家學(xué)者結(jié)合柴油機燃燒過程研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)柴油機燃燒過程中，缸內(nèi)局部當量比（Φ）和溫度（T）變化過程中必然會穿過滿足NOX和碳煙生成條件的區(qū)域，導(dǎo)致燃燒過程無法避免地產(chǎn)生NOX和碳煙排放[12]，因此各類低溫燃燒技術(shù)被提出，如均質(zhì)充量壓縮著火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）[9,13]、預(yù)混合充量壓縮著火（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI）[14-15]、反 應(yīng)可控壓縮著火（Reactivity Controlled Compression Ignition.RCCI）[16-17]，這些燃燒方式在柴油機缸內(nèi)局部的Φ-T 圖如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)和新型燃燒方式對比[12]Fig.1 Comparison of traditional and new combustion modes

由圖1 可知，HCCI 和RCCI 完美避開了碳煙生成條件的區(qū)域,在部分負荷能夠同時實現(xiàn)極低的NOX和碳煙排放。但是為了維持HCCI 系統(tǒng)穩(wěn)定地燃燒，需要將當量比控制在1 以下（稀薄混合氣），因此其最大輸出功率必然受到限制，HC 和CO 的排放通常比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更高。同時，因為柴油燃料本身的特性，有效均質(zhì)混合氣的制備也相當困難。相比于HCCI 燃燒，PCCI 的適用負荷明顯增加，但是它的HC 排放問題依然較為嚴重。RCCI 的適用范圍幾乎涵蓋傳統(tǒng)燃燒范圍的70%，但是與其它預(yù)混合燃燒一樣，RCCI 的HC、CO 排放也較高，而且由于排氣溫度要低，傳統(tǒng)的DOC 使用效率會受到影響。

雖然LTC 相比傳統(tǒng)燃燒方式有很多優(yōu)勢，但是由于與其相關(guān)的幾個挑戰(zhàn)，如點火定時和燃燒速率控制、有限的功率密度、冷啟動能力、準確的化學(xué)反應(yīng)機理和燃燒模型開發(fā)等，該技術(shù)目前尚未跨過商業(yè)化的門檻。雖然這一過程已經(jīng)有30 多年的歷史，但LTC 只能通過那些配備現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)的商用發(fā)動機實現(xiàn)。LTC 在大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用于汽車上之前，還需要解決這幾個技術(shù)挑戰(zhàn)后才可以與SI 和CI 發(fā)動機競爭。開發(fā)用于運輸部門的實際LTC 發(fā)動機時遇到的主要挑戰(zhàn)如圖2 所示。下面著重介紹3 種低溫燃燒技術(shù)。

圖2 LTC 的挑戰(zhàn)[5]Fig.2 The challenge of LTC

2.1 HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）技術(shù)

HCCI 技術(shù)作為最早的低溫燃燒技術(shù)之一，在其燃燒模式下，均勻的油氣混合氣被供應(yīng)到發(fā)動機的燃燒室，在壓縮行程結(jié)束時自動點火[7]。放熱反應(yīng)在燃燒室內(nèi)多點同時進行，因此不像傳統(tǒng)CI 發(fā)動機（柴油機）由擴散燃燒來決定燃燒進程，也不像SI 發(fā)動機（汽油機）,它沒有可見的火焰前鋒以及局部的高溫反應(yīng)區(qū)，這將完全不存在富燃料區(qū)，從而降低了煙塵的生成。又由于稀薄油氣混合物的預(yù)混階段燃燒占主導(dǎo)地位，因此顯著降低了缸內(nèi)溫度，從而降低了NOX的生成[5]。

GAN 等人研究了礦物柴油HCCI 燃燒技術(shù)的各個方面，包括控制和性能參數(shù)，強調(diào)燃料-空氣的混合、靈活的燃油噴射策略和廢氣再循環(huán)（EGR）是HCCI 燃燒模式的重要控制參數(shù)[18]。SINGH[19]和AGARWAL[20]等利用礦物柴油與生物柴油的混合物以及揮發(fā)性添加劑與礦物柴油的混合物進行了HCCI 燃燒模式研究，使用一個外部混合物制備設(shè)備——“燃料汽化器”（見圖3）均勻地混合燃料-空氣，研究發(fā)現(xiàn)HCCI 燃燒模式可以顯著降低NOX和PM 排放，但缺乏燃燒控制，特別是在發(fā)動機負荷較高的情況下，無法達到預(yù)期，這是HCCI 模式燃燒最具挑戰(zhàn)性的方面。雖然針對這一問題已經(jīng)進行了大量研究，但并未發(fā)現(xiàn)充足證據(jù)支持HCCI 燃燒模式在生產(chǎn)級內(nèi)燃機上的實際應(yīng)用[5]。

圖3 HCCI 實驗裝置原理圖[19]Fig.3 Schematic diagram of HCCI experimental device

HCCI 的關(guān)鍵技術(shù)在于混合氣含量及缸內(nèi)混合氣溫度的精確控制。由于其采用的是稀薄混合氣，內(nèi)燃機功率較低，因為使用的混合氣濃度較低，所以適合在中低負荷工況下運行，此時燃油消耗率較低；在高負荷工況下，HCCI 燃燒方式會極大增加供油量，使燃油消耗量急劇上升，同時會使燃燒溫度降低，不利于HC 及CO 的完全燃燒。

2.2 PCCI（Premixed Charge Compression Ignition）技術(shù)

采用HCCI 燃燒時，缺乏傳統(tǒng)燃燒策略中可用的快速響應(yīng)燃燒相位控制的變量，如燃料噴射定時和火花點火定時。為了能夠更好地控制燃燒相位，研究人員開發(fā)了預(yù)混充量壓縮著火（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI）技術(shù)，它是在EGR 存在的情況下，基于早期直接噴射燃料，以實現(xiàn)預(yù)混均勻的燃料-空氣混合物。這種燃料-空氣預(yù)混混合氣的點火可以通過先導(dǎo)噴射、缸內(nèi)的壓力和溫度等歷史數(shù)據(jù)來控制。與HCCI 燃燒模式相比，PCCI 燃燒模式燃燒控制更佳，發(fā)動機性能更優(yōu)越，但是NOX和 PM 排放相對較高[10]。

PCCI 燃燒模式在中等發(fā)動機負荷下具有良好的排放特性，但在較高的發(fā)動機負荷下，由于過高的壓力上升率（PRR）會導(dǎo)致嚴重的爆震，限制了其在生產(chǎn)級內(nèi)燃機上的適用性。一些研究者提出，降低壓縮比（CR）可以提高PCCI 燃燒模式的運行負荷范圍，與傳統(tǒng)的CI 燃燒模式相比，降低了NOX和煙塵排放；然而與高CR 下的PCCI 模式燃燒相比，導(dǎo)致了相對較低的制動熱效率（BTE）以及較高的HC 和CO 排放[21-23]。

PCCI 燃燒模式的工作范圍可以通過使用分級噴射策略來提高。在分級噴射策略中，主噴油和先導(dǎo)噴油同時被使用。采用分級噴射策略的PCCI 燃燒模式，在BTE 沒有顯著變化的情況下，NOX和PM 排放量相對較低[24]，因此許多研究人員利用不同的燃油噴射參數(shù)，如燃油噴射壓力（FIP）、燃油噴射時間等，探索了不同的燃油噴射參數(shù)的分級噴射策略，并得出改變?nèi)加蛧娚鋮?shù)能更好實現(xiàn)燃燒控制，但會導(dǎo)致BTE 和缸內(nèi)壓力略高[22-25]。

PARKS[26]等人進行了傳統(tǒng)CI 模式和PCCI 模式燃燒實驗，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)CI 模式燃燒相比，PCCI 模式燃燒排放的NOX和PM 相對較低。在另一項研究中，研究了燃料性能對PCCI 模式燃燒的影響，結(jié)果表明，在PCCI 燃燒模式中，使用二甲醚（DME）可以降低NOX排放[27]。BENAJES[28]等人還研究了在PCCI 模式下，以柴油/汽油混合物作為燃料的高速直噴（HSDI）柴油機的性能、排放和燃燒噪聲，發(fā)現(xiàn)增加測試燃料中汽油的比例會增加點火延遲時間，使燃料與空氣混合的時間變長，從而改善了燃燒。

盡管與傳統(tǒng)CI 燃燒方式相比，PCCI 燃燒方式排放的NOX和PM 相對較低，但它也存在一些局限性，如不可控燃燒和發(fā)動機高負荷時的爆震。

2.3 RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）技術(shù)

因為HCCI 和PCCI 燃燒模式的局限性，所以發(fā)展出了另一種LTC 技術(shù)，即反應(yīng)可控壓縮著火（RCCI）技術(shù)，該技術(shù)可以更有效地利用不同的替代燃料，如酒精、生物柴油等。RCCI 燃燒模式中，低反應(yīng)性燃料和高反應(yīng)性燃料（HRF）如gasolinediesel，E85 燃料(汽油85%乙醇+15%柴油)和alcohol-diesel 等的不同組合可以用來實現(xiàn)發(fā)動機燃燒室的反應(yīng)性分層[29-31]。

SPLITTER[32]等人和CURRAN[33]等人研究了燃料反應(yīng)性對RCCI 燃燒模式的影響，使用乙醇、汽油和E85 作為LRF，柴油作為HRF，并得出了具有更高反應(yīng)性梯度的燃料更有利于RCCI 燃燒模式的結(jié)論。此外，也有人研究進氣旋流、EGR、啟動噴射（start of injection，SoI）時間、FIP 等不同控制參數(shù)對進氣道噴射（port fuel injection，PFI）和缸內(nèi)直噴（direct injection，DI）的影響。HANSON[34]等人研究了SoI 定時對RCCI 模式燃燒的影響，并得出了提早礦物柴油的SoI 時間會導(dǎo)致更高的NOX排放的結(jié)論；WALKER[35]等人研究了FIP 對RCCI 模式燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)HRF 的FIP 對燃燒階段有顯著影響；DEMPSEY 和REITZ[36]分別以礦物柴油和甲醇燃料對HRF 和LRF 進行了RCCI 模式燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)RCCI 燃燒模式使用更高的甲醇預(yù)混比，會導(dǎo)致燃燒階段延遲，這是因為與汽油相比，甲醇的汽化潛熱和辛烷值相對較高。與所有預(yù)混壓縮點火（PCCI）策略一樣，雙燃料RCCI 燃燒對環(huán)境條件（如進氣溫度和壓力、汽缸壁溫度等）非常敏感。這給在實際引擎中實現(xiàn)這些策略帶來了挑戰(zhàn)，然而卻為使用2 種反應(yīng)性水平迥異的燃料提供了額外的靈活性，以應(yīng)對環(huán)境條件的變化和發(fā)動機的波動。JIA 和DENBRATT[37]使用定做的單缸試驗機（如圖4 所示）研究了較高發(fā)動機負荷（12 bar 平均有效壓力（BMEP））下RCCI燃燒模式的燃燒特性，使用柴油-甲醇燃料進行實驗，結(jié)論是與傳統(tǒng)CI 燃燒模式相比，它有超低的煙塵和NOX排放。

圖4 實驗裝置原理圖[39]Fig.4 Schematic diagram of experimental device

HAN[38]等人使用該單缸試驗機（如圖5 所示），采用正丁醇和礦物柴油作為試驗燃料，比較了PCCI、HCCI 和RCCI 的燃燒模式。與傳統(tǒng)CI 燃燒方式相比，RCCI 燃燒方式的NOX和煙塵排放明顯降低，同時與其他LTC 技術(shù)相比，RCCI 燃燒方式的效率更高，燃燒控制也更出色。但是HAN 等人的結(jié)果只是針對礦物柴油和丁醇這2 種試驗燃料的比較，不具有普遍性。

圖5 RCCI 實驗裝置原理圖[38]Fig.5 Schematic diagram of RCCI experimental device

AKHILENDRA[39]等人比較了傳統(tǒng)CI、PCCI和RCCI 三種不同燃燒方式的燃燒、性能和排放特性。在RCCI 模式燃燒中沒有NOX-BTE 的（Tradeoff）平衡是一個重要結(jié)果，顯示了RCCI 燃燒模式在所有發(fā)動機負荷下的適用性；發(fā)現(xiàn)RCCI 燃燒模式在替代燃料的利用上有顯著潛力，有改善發(fā)動機性能和排放的優(yōu)勢，因此可以作為一種可持續(xù)的運輸技術(shù)解決方案在現(xiàn)今生產(chǎn)級柴油機上實施。

RCCI 技術(shù)相比于傳統(tǒng)燃燒技術(shù)和其他低溫燃燒技術(shù)雖然有很多優(yōu)勢，比如RCCI 發(fā)動機在燃料使用靈活性方面，只要2 種燃料具有顯著不同的反應(yīng)活性，就可以在缸內(nèi)適當混合，在不同工況下獲得最佳的性能；RCCI 發(fā)動機可以在包括汽油、天然氣和柴油等寬范圍燃料下運行；此外通過添加不同比例的十六烷值改進劑也可以只使用單一燃料；RCCI 發(fā)動機也可以使用替代或可再生燃料，例如含水乙醇、甲醇和生物柴油[40]，但是在大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用于汽車之前，依然有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服，如燃燒相位、速率的控制，HC、CO 排放高，工作區(qū)間較窄等[41]，同時需要進行更多種的燃料試驗，驗證其對燃料的兼容性。

3 展望

綜上所述，發(fā)展了幾十年后，雖然LTC 技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進展，但LTC 發(fā)動機的大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用仍有很多困難，這是因為：（1）有限的操作范圍和更高的HC、CO 排放依然是LTC技術(shù)商業(yè)化面臨的主要障礙；（2）LTC 技術(shù)理論上能與替代燃料很好地兼容，盡管已有很多研究者使用多種燃料進行了實驗，但仍然不夠，還需更多實驗驗證其普適性；（3）采用低溫燃燒和傳統(tǒng)燃燒相結(jié)合的雙燃燒模式，這似乎是短期內(nèi)LTC 技術(shù)商業(yè)化的有效解決方案。同時低溫燃燒技術(shù)與替代燃料相結(jié)合將會是內(nèi)燃機的未來。

傳統(tǒng)燃燒技術(shù)雖然不能滿足當今人們對節(jié)約能源和環(huán)境保護的要求，但是經(jīng)過100 多年的發(fā)展，它已是相對成熟的技術(shù)，暫時無法被取代。