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内燃机燃烧技术探讨


内燃机燃烧技术探讨
摘要 均质压燃(HCCI)是一种新的燃烧方式,它是预混混合气在压缩过程中温度升高达 到自燃温度以后发生的燃烧现象。本文阐述了“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技 术的背景、研究现状以及所取得的主要研究进展。 关键词:均质压燃 低温燃烧 燃烧理论

Study on Combustion Technology of Intern

al Combustion Engine

Abstract HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) is a new kind of combustion mode, which is the auto-ignition of pre-mixtures when their temperature is high enough to self-ignition by compression. This paper focuses on the background, the technical route and the key scientific advances and achievements of new combustion technology on the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Key words: homogeneous charge compression ignition, low temperature combustion, combustion theory

1 前言
内燃机消耗了我国60%的石油, 是我国石油最主要的消费源。 随着我国经济的快速发展, 石油的总需求越来越大。 我国从1993年以来原油主要依赖进口, 2009年我国石油对外依存度 首度超过 50% , 2011 年 7 月国家工信部公布了 1 ~ 7 月的数据,我国石油对外依存度达到 55.3% ,首度超过美国的53.5%。国际能源署(IEA)预测:中国对原油需求的现状如果没 有改变,2030年石油进口依存度或将超过80%[1]。 由于内燃机至今仍然是热效率最高、 单位体积和单位重量功率最大的原动机, 所以它仍 然是应用最为广泛的动力机械。因此,在可预见的未来,汽车等动力机械装置的主要原动机 依旧以内燃机为主。然而现在汽车工业迅速成长,汽车保有量迅速增加,能源短缺和环境污 染的问题也日益凸显。 因此要实现内燃机的高效率和低排放, 从而促进汽车工业的可持续发 展,改善燃烧过程成为最直接最有效的途径。

2 内燃机高效率低排放的意义
内燃机是大气环境特别是城市大气环境的主要污染源。近年来上海市区机动车排放的 CO,HC和NOX分担率分别为86%,90%和56%,北京在非采暖期,机动车排放的CO,HC和 NOX分担率分别为60%,86.8%和54.7%。在太阳光照射下HC和NOX会引起光化学反应,形 成光化学烟雾,刺激眼睛和喉咙,阻碍植物生长。城市大气中PM2.5的主要来源是内燃机排 出的微粒物,会被人吸入,微粒中的多环芳烃等是致癌物质,危害人类的健康。国家环保局 提供的数据表明,全世界20个大气质量最差的城市中,中国占了其中10个[2]。 因此,内燃机的高效率和低排放,对于节约石油资源,缓解能源压力,确保国家能源安 全及保护环境有重大意义,是我国国民经济和社会发展的重大需求。

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3 新一代内燃机燃烧技术“均质压燃”
“均质压燃、低温燃烧”是一种新型的内燃机燃烧方式,这一概念是经历国内外学者数 十年对内燃机的研究形成的。早在1979年Onishi等人为了提高二冲程汽油机热效率时,发现 汽油机在部分工况下利用缸内大量的残余废气, 不用点燃也可平稳运转, 并称为活化热氛围 燃烧过程。这一燃烧过程被广泛认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念[3]。 HCCI燃烧是一种全新的内燃机燃烧方式,并不同于传统的发动机燃烧,通常其燃料和 空气先形成均质混合气再进入气缸,活塞上行压缩使得混合气升温而自发着火。HCCI的燃 烧方式与传统的点燃式发动机和压燃式发动机都有一定的类似之处, 表面上看基本上是两种 燃烧模式的结合产物,然而HCCI燃烧模式并不是点燃式发动机与压燃式发动机的简单机械 式结合。点燃式发动机燃烧时,主要靠热扩散来实现火焰从点火点到周边的传播,是有明显 的火焰前锋面的;而压燃式发动机燃烧时,主要是依靠燃料在缸内的喷雾扩散,小的燃油颗 粒与高温空气中的氧发生反应而燃烧,通常称为扩散燃烧。在这两种燃烧模式,充量在燃烧 室内存在物理量上的不均衡,而发生热扩散或物质扩散,从而导致了NOX和碳烟的排放。在 HCCI燃烧过程中,缸内充量高度均匀,在活塞上行过程中,各处充量温度同步提高,进而 几乎同时达到自发着火的条件而同时发生着火反应。 因此, 理论上讲均质压燃发动机的气缸 内既没有热扩散也不存在燃料扩散。并且,HCCI发动机的混合气浓度较低,是稀薄燃烧, 因此燃烧温度也较低。 HCCI 发动机的进气方式与燃烧方式与传统内燃机对比决定了它具有以下优点[4]: (1) 热效率高。 由于燃料类型和混合气初始状态的不同,HCCI发动机可以选择较高的压缩比;进气过 程无节流装置,节流损失小;燃烧过程中缸内均匀充量几乎同时发生着火,燃烧时间短,接 近理想的定容燃烧;混合气浓度较稀,燃烧温度较低可以避免不必要的气缸壁面热损失。这 些特点都有利于提高热效率。所以,HCCI发动机的热效率较高,可以接近甚至超过传统压 燃式发动机。 (2) NOx 和碳烟排放低。 HCCI发动机是在进气门以前形成均匀的混合气,利用活塞上行压缩来实现缸内混 合气同步升温,并且同时自发快速着火。在保持高热效率的同时,在时间和空间上共同降低 排放。由于混合气浓度较稀且均匀度较高,避免了浓混合气区域的形成,从而减少了碳烟颗 粒物的生成;又因为均质压燃燃烧温度较低,燃烧持续期短,所以不利于NOx的生成。理想 的HCCI 燃烧循环几乎没有NOx 和碳烟排放。 (3) 燃料来源广。 HCCI 发动机可以用传统的内燃机燃料(汽油和柴油),同时也可以燃用绝大部分 内燃机代用燃料,如天然气、甲醇、乙醇、DME 及多种燃料组合等。HCCI发动机表现出 对燃料的高度兼容性, 理论上均质压燃发动机可以使用只要能在着火前蒸发并与空气混合的 燃料。这有利于将来降低车用燃料的炼制费用,并使车辆的使用更具便捷性。

4 对于“均质压燃”燃烧技术的研究
HCCI燃烧方式在提高发动机热效率、降低有害排放方面有着显著的优势,但其燃 烧方式也决定了它要面临一些技术困难[5]。 (1) 燃烧相位的精确控制。 传统的发动机不论是点火式的还是压燃式的都有直接控制着火时刻的能力, 汽油机通过火花 点火控制燃烧, 柴油机则由喷油时刻实现控制。 从宏观上讲均质压燃发动机缸内混合气的燃 烧相位主要受进气温度、压缩比、燃料种类及发动机转速的影响,而从本质上讲HCCI 燃烧
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过程是受化学反应动力学控制的。 缸内均匀混合气的燃烧过程与混合气在缸内的发展历程直 接相关,缸内混合气的化学反应对缸内条件极为敏感,这使得目前很难对HCCI燃烧过程直 接采取控制措施。 (2) 运行范围拓展。 由于HCCI属于自动发火燃烧过程,并无直接控制着火相位的方法,当发动机的压缩比 等参数确定后,理想的着火时刻便对应着特定的进气温度和混合气浓度,所以HCCI发动机 运行范围较窄,通常只是在特定的工况下稳定运转。后来通过调节参数比如进气温度、压缩 比以及引入内外部EGR等,对运行范围的拓展起到了一定的作用,但拓展幅度有限,难以实 现负荷、速度变化的多方位调节,仍不能满足车辆使用需求。 (3) HCCI循环波动控制。 HCCI燃烧相位缺乏直接的控制手段,进气门关闭后很难进行控制,并且混合气的 自动发火燃烧对缸内边界条件的变化极为敏感。 缸内热负荷的极其的微小变化将直接影响下 一循环的燃烧状况,这使HCCI发动机很容易出现不稳定运转的现象,陷入波动状态无法继 续稳定工作。 (4) HC和CO排放的降低。 HCCI发动机燃烧温度较低的特点使得它可以大幅度降低NOx 排放,但另一方面也 造成HC 和CO排放的增加。研究表明HCCI燃烧反应温度较低,使得燃烧室壁面冷却作用凸 显,导致燃烧火焰中产生的活性自由基又重新复合,燃烧链反应中断,造成HC排放增加。 另外,发动机小负荷运转时当汽缸内温度低于1500K时,使得CO不能被氧化为CO2从而增加 了CO排放量。 (5) 均质混合气制备及冷启动。 均匀充量的制备存在一定的技术困难。 混合气的均匀程度直接影响自发燃烧时刻、 燃烧 放热率及有害物排放。 但在极短的循环周期内形成完全均匀的混合气技术困难较大, 特别是 有些燃料的挥发性较差。 当前, 对那些挥发性较差的燃料一般采用缸内直喷的策略实现HCCI 燃烧,这势必要造成混合气均匀程度的下降。 均质压燃发动机在冷却状态下直接正常运转有一定的困难。冷启动困难其实是HCCI发 动机较早遇到困难[6]。HCCI燃烧受化学动力学控制,其正常燃烧需要稳定的缸内边界条件。 HCCI发动机正常稳定运转时,上循环气缸热负荷对次循环工质有一定的加热作用使得混合 气正常燃烧。而在冷却状态下,则没有这部分能量,使得启动困难。在实验室,一般通过加 热机体、增加进气温度或通过其它动力源拖动HCCI发动机使其达到正常工作状态从而实现 HCCI发动机的冷启动。 柴油机代用燃料的研究与开发早期集中在醇类和植物油;但由于存在诸如十六烷值低、 使用成本高等问题而影响了其应用的推广。 在代用燃料中, 目前仅天然气被较成功地应用于 柴油机; 较成熟的技术为柴油引燃的柴油、 天然气双燃料发动机和点火塞点燃的天然气单燃 [7] 料发动机 。

5 均质压燃的研究现状
为了有效控制HCCI发动机燃烧过程,最初,变进气温度、变压缩比、变配气相位等方 法被应用于HCCI发动机。大量的HCCI燃烧研究之后,诸多学者发现HCCI燃烧过程受控于 缸内的化学反应动力学,便有学者转向燃料性质改变及EGR等方面的研究。但是,燃料性质 和EGR等对HCCI燃烧过程的影响比较有限,不能实现对HCCI燃烧过程的控制。近年来,以 直接改变混合气化学反应路径及速率为目的燃料改质的方法被认为是极具潜力的HCCI发动 机燃烧相位控制策略[8]。 近年,国外许多知名研究机构通过改变HCCI发动机原有的进排气相位,使其产生负气
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门重叠角(Negative Valve Overlap,NVO)使气缸在进气阶段与排气阶段之间产生一个短暂的 封闭过程, 期间喷入适量燃油使其实现燃料改质。 他们通过数值模拟方法和台架试验的研究 手段同时发现该方法使着火时刻提前,并认为主要原因是:一是化学反应,负气门重叠角期 间喷射的燃料会与残余废气发生改质反应,生成氢气等中间产物;二是热力作用,发生改质 反应产生的热能可以促进混合气发生自燃[9]。 节能是推动发动机燃烧技术进步的主要动力, 均质压燃以其高热效率, 低氮氧排放和低 颗粒物(PM) 排放已经得到了关注。HCCI燃烧会成为今后发动机发展的主攻方向,也会 成为世界各国发动机及燃烧领域交流的热点。 然而, 在成功运行均质压燃发动机的道路上还 有很多障碍,比如:控制燃烧相位,扩大运行范围,很高的未燃碳氢和高一氧化碳排放。在 现在的研究过程中,科研人员已经发现了一些切实可行的HCCI燃烧相位控制方法,并朝着 实用化的方向做着不懈的努力[10]。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] 黄佐华,蒋德明,王锡斌. 内燃机燃烧研究及面临的挑战. 内燃机学报,2008,26 (1) :101~106 缪雪龙,黄震. 内燃机燃烧技术综述. 现代车用动力, 2006,2(1):6~11 周晶磊,夏鸿文,任超伟. 均质压燃在内燃机燃烧技术中的应用. 汽车工程,2013, 4(1) :46~49 木村修二. 柴油机新燃烧技术的现状及展望. 国外内燃机,2005,6(1) :1~5 Augustin U, Schwarz V. 喷油泵柱塞处采取液力措施控制喷油量曲线. 国外内燃机, 1990, (3) :45~48 A. Megaritis, D. Yap, M. L. Wyszynski. Effect of Water Blending on Bioethanol HCCI Combustion with Forced Induction and Residual Gas Trapping.Energy,2007,32(12): 2396-2400. 孙庆, 秦松涛, 张勇.汽油机均质混合气压燃烧(HCCI)技术. 山东内燃机,2006, 1(91):14~17 高海洋, 曹惠玲, 董锡强. 柴油机预混合燃烧技术. 车用发动机, 2001. 3 (13) :1~ 5 邓东密,邓杰.柴油机喷油系统. 北京:机械工业出版社,1996 郑胜敏. 汽油机稀薄燃烧技术发展分析. 城市车辆,2007,6 :46~55.

[7] [8] [9] [10]

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《汽车控制与节能减排技术》课程考核要求
论文题目(任选一题) :
1. 发动机替代燃料技术 2. 汽车节能减排技术 3. 先进的发动机控制技术 4. 汽车测试技术的进展 5. 内燃机燃烧技术探讨 6. 内燃机排放后处理技术的发展趋势 7. 控制燃烧过程减少污染物生成的技术 8. 发动机电控系统及新式节能减排技术的发展趋势 9. 动力电池及建模技术探讨 10. 纯电动汽车控制技术综述 11. 电动汽车电驱动系统发展趋势 12. 插电式混合动力电动汽车能量管理策略综述



求:任选一个给定题目,参考课程所讲授内容和公开发 表文献资料,按照发表论文格式规范写一篇论文。 提交论文打印稿 (宋体, 小四号字, 折合不低于 5000 字篇幅;参考文献不少于 10 篇) 。

评分标准: 论文格式 20 分, 论文内容: 80 分; 相互雷同达 50%, 同时按不及格计。 论文格式:论文应包括:题目,摘要,关键词,正文及参考文献。 交卷时间:2014.7.10 前 交卷地点:教四楼 116 房间(电话:68862550) 注:不要封面;在论文的末尾手写签名。 此页请附在论文后面并打印装订。
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