RCCI燃烧技术研究

HUNAN UNIVERSITY 流体力学论文

论文题目发动机RCCI燃烧技

术方案研究

学生姓名明阳

学生学号S150200369

专业班级动力工程及工程热物理

学院名称机械与运载工程学院

指导老师杨小龙

2015年10月日

摘要

在环境问题日益严重的今天，汽车排放的净化处理技术显得愈加重要。以现有的后处理技术，虽然可以使排放数值达到标准，但是其后续的费用、复杂的结构、昂贵的原料使得排放性和经济性无法得到平衡。

本文旨在解决过分依赖后处理来提高排放所引出的问题，通过优化缸内燃烧过程，运用RCCI技术降低排放、减轻后处理负担，最大限度的平衡经济性和排放性的国四柴油机技术的匹配。RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）是比较新的一种低温预混合燃烧并且可以实现燃烧相位可控的均质稀燃技术，本文通过进气道喷射汽油进行预混合，在缸内直喷直喷柴油后压燃混合气，通过两种燃油质量比的改变控制燃烧相位，达到小负荷不熄火、高负荷不粗暴的目的，同时有着较高的热效率。为了进一步净化CO和HC的排放污染，搭配催化氧化技术（DOC）的RCCI内燃机，可以在原有极低的NOx和soot排放的基础上达到四种排放物数值同时降低到国四标准以下的程度，并且有望实现对于燃烧效率和排放性能的平衡。

关键词：国四排放标准，RCCI，DOC，PFI，DI

1、引言

1.1 课题背景及目的和意义

环境与发展是世界各国普遍关注的焦点问题，发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的生存条件。因此，保护人类赖以生存的环境成为世界共同关心的问题。汽车污染是环境污染的主要途径，为了人类的可持续发展，防治汽车污染已经成了刻不容缓的全球性问题，这就需要我们共同努力在科技创新、节能减排等方面来防治汽车污染。汽车作为人们日常生活中不可或缺的部分，其造成的排放对于环境的影响愈加严重[1]。世界各国对于汽车排放的法规颁布随着技术的发展日趋严格，排放性能的要求对于汽车的研发环节的影响也同样占据了越来越重的比例。相比于汽油机，柴油机的良好的热效率和经济性，以及很低的CO和HC排放，受到厂商和研发机构的青睐。然而，传统CDC柴油机存在一个难以解决的问题——NOx和soot碳烟的排放无法降低。原因在于，高温富氧促进了NOx的生成，而为了减少NOx排放而降低燃烧温度的做法，又减少了对soot的氧化，从而增加了soot的排放。因为传统CDC柴油机缸内燃烧以扩散燃烧为主，这种矛盾很难解决，只能通过改变燃烧机理，利用新的燃烧方式来尝试解决。

1.2 国内排放法规现状

目前地方政府的措施已取得了一些成效，据统计，从2000年到2010年，在中国机动车保有量总量翻3倍多的情况下，污染物排放量仅增加了0.3倍，各项污染物均实现50%以上的消减，采取的控制措施累计减少了3800万吨氮氧化物、4450万吨碳氢化合物、2.387亿吨一氧化碳和700 万吨颗粒物的排放。

轻型柴油车国四标准于2005年颁布，规定从2011年7月1日起，全部正在制造和已经售出的轻型汽车，必须符合国四污染物排放标准。然而，由于尚未出台国四车用燃油标准，仍然无法保证符合标准的车用燃油全国范围内的及时供应，决定将国四标准施行日期推延至2013年7月1日[2]。

2013年7月1日，国四限定实施日期即将到来前，部分整车企业得到消息，由于SCR后处理技术所需要的尿素供应仍然无法确保供应，因此，相关国家部门将国四排放标准实施日期再次推迟。同时，自2013年7月1日起，国三排放的车型将不再允许上工信部公告。

事实上，很多大型柴油机厂商早都已经开始基于国四标准提前进行产能和技术建设。其中，上柴2011年募投项目中就包括中轻型柴油机的开发制等以国四标准为目标的产品项目。

总体来讲，虽然轻型柴油机的国四标准一再推迟，但由于国家对于轻型汽车的排放管理十分严格，多数市场上的产品都已经达到甚至超出国四标准。因此，生产轻型柴油机的厂商受到标准推迟的影响微乎其微。另外，从环保的角度来说，柴油机的未来市场前景依旧良好，在各大厂商的充分准备下，其市场占有率提升的态势很难受到影响，其改进技术的发展会保持其地位在相当长一段时间内不被动摇。

2、论点

2.1 RCCI技术背景

近年来研究的低温预混合燃烧包括：均质充量压缩着火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)、伞型喷雾燃烧、MK燃烧(Modulated Kinetics)、三喷油器多段燃烧(multiple stage diesel combustion，MULDIC)、均质充量—喷雾复合燃烧(Homogeneous Charge Diesel Combustion，HCDC)、多脉冲喷射HCCI燃烧、以及低温燃烧(Low Temperature Combustion，LTC)。然而，这些新技术的提出与实验，依旧无法大规模投入市场的使用，原因在于基于压燃技术特点的低温预混合无法控制燃烧相位，同时还有着负荷适应性较差、HC和CO排放较高等等问题。其中，燃烧相位的控制是较为重要的，因为如果燃烧相位失控，工作粗暴、效率下降等一系列问题会接踵而至。

RCCI（Reactivity Control Compression Ignition）应运而生，成为现有方案中较为有效的可以实现可控低温预混合燃烧的技术。

2.2 RCCI与其他燃烧方式特点的对比

图2.1 不同燃烧方式所处区域示意图

由于传统CDC柴油机为压燃的点火方式，在喷油过程中，混合气浓度在燃烧室内分布极不均匀，混合气浓度大的地方在喷油结束前已经达到着火点并开始燃烧。因此，尽管总体上柴油机燃烧室内过量空气系数较高，但是局部混合气浓度往往非常高，理论当量比的混合气也非常多，导致混合气浓度范畴横跨了NOx和soot排放的高发区域。

汽油机缸内燃烧混合气当量比为1左右的燃烧方式决定了它只穿过NOx的高发区，但是soot排放相对较低。