“均质压燃,低温燃烧”技术

“均质压燃，低温燃烧”技术摘要：摘要:阐述了“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧技术的背景、技术路线以及所取得的主要研究进展，汽油机样机可实现均质压燃着火与火花点火燃烧模式的平稳切换，最大节油达30%, NOx排放降低95%以上。

还介绍了“均质压燃、低温燃烧”燃烧控制方法：废气控制和火花助燃CAI混合燃烧。

关键字：均质压燃；低温燃烧；废气重压；废气重吸；CAI混合燃烧0前言内燃机是我国石油的主要消费源，消耗了我国60%的石油。

随着我国经济的快速发展，石油总需求越来越大。

我国从1993年已成为原油净进口国，2009年我国石油对外依存度首度超过50%, 2011年7月国家工信部公布数据，1-7月，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，“中国原油需求增速未来若保持不变，2030年石油进口依存度或将超过80% ，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C0, 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C0, HC和NOx分担率分别为60% , 86.8%和54.7%o HC与NOx在太阳光照射下会引起光化学反应，形成光化学烟雾，刺激眼睛和喉咙，阻碍植物生长。

内燃机排出的微粒物(PM )，一般小于1 um，是城市大气中PM2.5的主要来源，可吸人到人肺的底部，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10个。

因此，提高内燃机的燃料利用率，降低有害排放，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。

1“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术介绍汽油和柴油都是从石油中提炼出来的，但它们性质差别相当大。

汽油易引燃但自燃温度高，相反，柴油自燃温度低但难引燃。

简而言之，汽油靠近火便可能燃烧，而柴油容易自燃。

汽油给人印象好像很容易燃烧，但事实并非如此。

此外，汽油是石油中低碳的成份，而柴油相对是高碳成分，所以汽油粘度小，易挥发，柴油粘度高，汽化温度高。

由于汽油和柴油两种燃料的理化特性和燃烧特性不同，内燃机分为火花点燃式内燃机(汽油机)和压燃式内燃机(柴油机)，因此，传统汽油机和柴油机工作原理并不完全相同。

汽油机属于预混合均质燃烧，借助电火花点燃。

由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，使热效率比柴油机低得多。

为了控制排放，绝大多数汽油机都采用三元后处理器，需要将当量比控制为1，即进气中的氧气量正好是喷人的汽油完全燃烧反应理论当量。

所以汽油机工况调节实质上是对进气量的调节，需要用节气门控制进气量，人们所说的油门对于汽油机实际上是进气节气门，是控制进气量的，发动机电控单元(ECU)会根据进气量计算出需要喷人多少燃油。

在部分负荷工况，进气的空气量较小，此时进气过程中缸内的压力低于大气压力，产生所谓的泵气损失，从而导致汽油机热效率比柴油机低。

综合上述因素，汽油机的燃料利用率比柴油机低20%一30 %，这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限。

柴油机是依靠发动机活塞压缩到接近上止点时的高温使混合气自燃着火，属于燃料喷雾扩散燃烧，即燃烧过程中大部分燃料是一边与空气混合一边燃烧，燃烧过程主要依赖于燃油与空气的混合过程。

由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合严重不均匀，导致缸内燃烧过程中温度与浓度分布极为不均匀，形成了高温火焰区和高温过浓区。

在高温富氧区域产生大量的NOx排放，在高温过浓区，由于缺氧又生成大量碳烟。

由于柴油机非均质燃烧的固有性质，使柴油机存在碳烟和NOx排放的最低极限。

提高汽油机热效率，降低柴油机碳烟和NOx排放一直都是内燃机燃烧技术研究的热点。

多年来，人们试图想结合柴油机和汽油机的优点来解决上述问题，即柴油机的燃烧尽可能采用预混合稀燃燃烧(降低碳烟和NOx)，而汽油机采用柴油机的压燃燃烧方式(提高压缩比)。

实际上目前很多的先进内燃机燃烧技术都是向这一方向努力，如汽油机缸内直喷方式、柴油机通过电控喷油实现预喷燃油等。

20世纪}o年代未报道了基于这一概念—均质压燃，即实现均匀混合气、压缩自燃着火的燃烧。

但由于当时内燃机电控技术刚刚发展，控制技术很难实现这一燃烧方式的有效控制，因此近20年内并没有得到发展。

20世纪90年代末和21世纪初，随着控制技术的发展和汽车内燃机排放法规的日益严格，国际上学术界和工业界开始高度重视这一燃烧技术，认为是未来内燃机的燃烧替代技术，各国政府和跨国公司拆巨资开展相关的研究，以“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术为代表的先进内燃机技术进人了新一轮的国际竞赛。

均质压燃燃烧技术结合了传统点燃式发动机(汽油机)与压燃式发动机(柴油机)的优点，采用预混合均质混合气、压缩自燃着火的燃烧方式，因此，它可以实现高热效率(高压缩比、减少泵气损失)和超低的碳烟和Nox排放(稀混合气)。

早期的均质压燃技术强调均质的概念，实际上通过多年的研究发现，局部可控制的不均匀性更有利于燃烧过程的控制，同时在均质压燃燃烧控制中，为了抑制过快的燃烧反应速度，废气再循环是一种极为重要的控制方式。

所谓的废气再循环是指上一个循环燃烧结束后的废气残留在缸内或通过排气管连通到进气管再吸人缸内。

由于废气对混合气的稀释和废气中的COZ热容比大，废气可以有效地降低燃烧温度，因此“低温燃烧”是这一燃烧方式另一个重要特征。

所以，我们将这一燃烧技术定义为“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术。

2“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术主要进展我国几乎与国际上同步开展了以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论和技术的研究。

2001年，以天津大学、清华大学、上海交通大学和西安交通大学为主要建议和承担单位向科技部提出开展新一代内燃机燃烧理论与技术的基础研究项目建议得到了科技部973项目批准立项(同一年美国能源部也向国会建议拔款支持该技术的研究工作)，2002年该项目组织了国内8所大学参与了该项目的研究工作，2007年继续获得了科技部973项目资助，除国内8所大学参加外，国内工业界也参与到该技术的应用研究中。

经过近十年的研究，我国在“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧理论和燃烧技术的研究取得了突破性的进展，部分研究成果达到了国际领先水平，极大推动了我国内燃机燃烧技术的发展，促进了我国内燃机技术自主开发能力的提高。

如前文所述，对于柴油机来说，燃烧技术的关键是同时降低微粒和NOx排放，基本思路是加速燃油与空气混合，尽量燃烧“均匀”混合气，同时需要降低燃烧温度，实现“低温”燃烧。

发动机高效、清洁燃烧的关键是实现发动机燃烧过程可控，也就是说实现对燃油混合和化学反应速度的控制，使混合时间常数与化学反应时间常数量级相当，燃烧过程沿着高效区域进行，同时避开微粒和NOx生成区域，即实现燃烧化学反应混合气浓度变化与燃烧反应温度路径的可控。

为此，在柴油机燃烧技术研究中，发明了高混合率燃烧室技术，充分利用燃油喷射撞击燃烧室壁面的动量，提高燃油混合速率。

同时，采用可控制的多次燃油喷射技术，将燃油“均匀”的“播撒”在燃烧室空间，使混合气尽量均匀。

通过引人上一循环燃烧的废气实现废气再循环(EGR)来降低燃烧温度，抑制NOx排放。

为了弥补采用EGR后燃烧过程中氧浓度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高增压比，增加进人的空气量。

但是，高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力增加，受发动机机械负荷和可靠性限制，缸内最大爆发压力必须控制在一个合理范围，研究中又发明了电控的进气门晚关技术，降低进气关闭时缸内的初始压力和温度，从而有效地降低了缸内最大爆发压力，也使柴油机实现了可变的热力循环过程。

上述这些技术既有混合率促进技术，也有抑制化学反应率技术，在智能化的电控单元协同控制下，实现了柴油机燃烧路径的可调可控，从而实现高效清洁燃烧。

采用上述新的燃烧技术路线，通过与企业密切合作，在开发的产品样机上，实现了发动机不采用后处理技术，仅通过自身燃烧净化，即可达到国IV排放，进一步优化燃烧，可以满足国V排放标准。

与满足国III排放采用传统燃烧技术的柴油机相比，节油可以达到3%一5%。

将原始排放达到或接近国V排放标准的柴油机，通过采用后处理器则可以达到欧VI法规要求。

欧VI法规是目前国际最严格排放法规之一，采用这一燃烧技术可以实现柴油机从国IV到欧VI技术路线的无缝衔接，这也标志着我国柴油机燃烧技术用十年的时间走过了欧美发达国家二十年的发展历程，达到了国际先进水平。

对于汽油机来说，燃烧技术的关键是提高汽油机效率，降低油耗。

汽油机热效率低，油耗高的主要原因包括部分负荷和小负荷工况节气门的泵气损失，压缩比低导致的循环热效率低，燃烧持续期长导致的燃烧损失等。

因此，汽油机采用均质压燃可以取消或减小部分负荷和小负荷节气门导致的泵气损失，还可以适当提高汽油机的压缩比，此外，均质压燃燃烧迅速可以减小燃烧持续期。

但是，由于汽油不容易压燃，在小负荷工况由于混合气太稀会出现“失火”，因此，汽油机均质压燃的关键是拓展其运行的工况范围，实现在小负荷和乘用车常用工况均质压燃(乘用车主要运行在中小负荷工况)，从而达到高效清洁燃烧的目标。

汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，其一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。

这两种方案本质差别在于混合气的制备方式不同，前一种方案与目前广泛采用的气道喷射电控汽油机较好的继承性，结构变化小，但在混合气浓度分层控制上受到较大的制约;缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度更大。

但这两种方案的燃烧理论基础和面临的科学问题基本是一致的，在中小负荷工况需要通过缸内的残余废气提高混合气的能量，使汽油混合气可以压燃，或采用火花点火与压燃并存的复合燃烧方式;在向大负荷扩展中，可以采用外部废气来抑制燃烧反应，即采用内部残余废气与外部废气的复合废气再循环技术。

因此，气门升程与气门相位的连续可变技术是拓展汽油机均质压燃的重要技术途径之一。

项目组提出的基于废气和温度控制的均质压燃燃烧控制模式正是基于可变气门技术实现的，目前实现了在怠速小负荷工况均质压燃燃烧模式。

通过火花辅助点火、复合废气再循环技术以及爆震闭环控制技术，项目组研制成功了基于气道喷射与缸内直喷的汽油机均质压燃发动机样机，并实现了均质压燃着火与火花点火燃3“均质压燃，低温燃烧”燃烧控制方法3.1废气控制策略近些年来日益发展的可变气门控制技术为这一汽油机cAI燃烧策略的实现提供了技术支持。

通过改变气门定时可以控制内部残余废气再循环的比例仁残余废气率)，从而控制进气量、混合气温度以及工质成分等参数，以达到控制混合气着火时刻和燃烧速度的目的。