均质充量压缩燃烧研究现状与存在的问题

北京汽车０引言
在能源危机和环境保护的双重压力下，人们
对高效能、低污染动力源的需求与日俱增，对柴
油机性能的要求越来越高。

但目前车用传统发动
机从燃烧过程上无法同时降低ＮＯＸ和碳烟的排
放，降低ＮＯＸ排放导致温度降低，不利于碳烟的
氧化反应，使碳烟排放量增加，即不能同时解决
碳烟和ＮＯＸ生成的ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ关系。

在这种情况
下，许多研究人员开始尝试一种预混合燃烧和低
温燃烧相结合的新型燃烧方式：依靠预混合燃烧
形成的均匀混合气和低温燃烧较低的缸内温度
来同时降低碳烟和ＮＯＸ排放。

这种燃烧方式被
称作均质压燃式燃烧方式，即ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅ－
ｎｅｏｕｓＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ）。

１ＨＣＣＩ简介
ＨＣＣＩ的中文意思是“均质充量压缩点燃”。

从理论上讲，ＨＣＣＩ燃烧过程中，均匀的空气与
燃料混合气及残余废气被压缩点燃，燃烧在多点
同步发生且无明显的火焰前锋，燃烧温度比较均
匀，ＮＯＸ和碳烟ＰＭ的形成能够被有效抑制。

１．１３种燃烧方式发动机的比较
均质混合气压燃燃烧方式的出现，有效地解
决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点，是有
别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非
均质压燃扩散燃烧和ＧＤＩ发动机分层稀薄燃烧
方式的第四种燃烧方式。

通过图１［１］可以看出
ＨＣＣＩ发动机与传统汽油机、传统柴油机以及缸
内直喷汽油机的相似和区别。

通过表１可以看到
３种燃烧方式的发动机的比较。

图１ＨＣＣＩ和现有内燃机的关系
１．２ＨＣＣＩ的优缺点
ＨＣＣＩ燃烧方式综合了传统的压燃式发动机
和传统的火花点火式发动机的优点。

ＨＣＣＩ燃烧方式的优点如下：（１）热效率高。

（２）ＨＣＣＩ燃烧与传统的柴油机相比，可以减少
９０％～９８％的ＮＯＸ排放。

（３）据研究表明，ＨＣＣＩ
传统汽油机直喷式汽油机传统柴油机
非均质混合气压缩着火
火花点燃
均质混合气
ＨＣＣＩ
文章编号：１００２－４５８１（２００８）０１－０００４－０４
均质充量压缩燃烧研究现状与存在的问题
廖水容１，邵毅明１，张敏２，于志刚１
ＬＩＡＯＳｈｕｉ－ｒｏｎｇ１，ＳＨＡＯＹｉ－ｍｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧＭｉｎ２，ＹＵＺｈｉ－ｇａｎｇ１（１．重庆交通大学交通运输学院，重庆４０００７４；２．重庆交通大学航海学院，重庆４０００７４）
摘要：为了实现发动机的清洁、高效燃烧，国内外科研工作者都将均质充量压缩燃烧（ＨＣＣＩ燃烧）作为柴油机研究的重点。

文中介绍了均质充量压缩燃烧ＨＣＣＩ方式的基本概念，论述了ＨＣＣＩ当前的研究进展，分析了ＨＣＣＩ存在的问题，提出了解决问题的对策。

这种燃烧方式具有较高的热效率、低ＮＯＸ和ＰＭ排放。

关键词：均质充量压缩燃烧；碳烟；ＮＯＸ
中图分类号：Ｕ４６４．１１＋４文献标识码：Ａ
北京汽车
燃烧会产生低水平的烟雾和微粒排放。

然而，ＨＣＣＩ燃烧方式也具有如下缺点：（１）运行范围有限。

发动机采用ＨＣＣＩ方式运行受到失火（混合气过稀）和敲缸（混合气过浓）的限制［
２］。

（２）ＨＣ和ＣＯ排放较高。

１．３ＨＣＣＩ燃烧方式的实现
１．３．１均质混合气的形成
均质混合气的形成是实现对ＨＣＣＩ燃烧控
制的第一步，也是很重要的一步。

国际上采用的柴油均质混合气形成方式包括：进气道缸外喷射、缸内早期喷射和晚期喷射。

１．３．２ＨＣＣＩ燃烧的控制
ＨＣＣＩ燃烧中，着火时刻和燃烧速率这两个
参数基本上由可燃混合物的化学动力学来控制。

根据近年来世界各国研究人员的试验研究结果，可得出一些间接控制ＨＣＣＩ燃烧的方法，大体上可分为两类，一类是改变空气／燃料的混合特性，另一类是改变发动机的工作和设计参数。

如图２所示。

图２ＨＣＣＩ燃烧的控制
２
ＨＣＣＩ的研究现状
２．１
国内研究现状
我国从２０世纪８０年代末就开始研究含有
ＨＣＣＩ燃烧概念的燃烧系统，如上海交通大学的
可控活性化预混合燃烧系统、ＥＧＲＷＳ，天津大学对ＨＣＣＩ燃烧也进行了研究。

２．２国外研究现状
２．２．１理论研究
到目前为止，ＨＣＣＩ研究还不完全，理论研究
比试验研究和模拟分析研究要多一些。

从２０世
纪到现在，含有ＨＣＣＩ燃烧概念的燃烧系统有ＡＲ（ＡＴＡＣ、ＲＩ）燃烧系统、可控自着火（ＣＡＩ）燃烧系统、调谐动力（ＭＫ）燃烧系统、均匀松散燃烧系统（ＵＮＩＢＵＳ）、稀薄预混合燃烧（ＰＲＥＤＩＣ）系统、均质合理的多次喷射燃烧系统（ＨｉＭＩＣＳ）
和美国西南研究院的均质进气压缩
点火（ＨＣＣＩ）燃烧系统等。

２．２．２试验研究
（１）二冲程发动机
早在２０世纪３０年代，人们就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧方式在汽油机上存在。

１９７９年，Ｏｎｉｓｈｉ和Ｎｏｕｃｈｉ研究二冲程发动机
控制ＨＣＣＩ燃烧的方法
改变空气燃料的混合特性调整进气温度调节空燃比使用ＥＧＲ使用添加剂
改变燃料的性质
可变压缩比可变气门定时增压
使用不同的燃料喷射方式
改变发动机的工作和设计参数
表１
３种燃烧方式的发动机的比较
比较内容点燃式发动机压燃式发动机ＨＣＣＩ燃烧式
发动机燃料汽油等
柴油、乙醇、天然气等
均可，范围更广过量空气系数１左右１．６￣２．２范围更广混合气形成方式化油器或喷射－均质
喷射－浓稀
均质稀薄燃烧否是是着火方式点燃压燃一般为压燃
点火系统有无无燃烧方式预混燃烧
扩散燃烧
同时着火
节气门有无无扭矩调节方式
变量调节变质调节变质调节压缩比较低较高较高火焰有有无明显火焰前锋压缩终了温度较低较高较高燃烧温度高温局部高温相对低温理论循环等容加热混合加热等容加热泵气损失较高较低较低向气缸散热最多较多少热效率低高高燃油经济性
低高高ＮＯＸ高高低ＰＭ低高低ＨＣ高低高ＣＯ高低高
发明人奥托
狄塞尔
－发明日期１８７６年１８９７年－燃烧起点控制点火定时喷油定时综合控制燃烧剧烈程度
较小
较大
较大
北京汽车ＨＣＣＩ燃烧。

随后Ｙｏｉｃｈｉ，Ｇｅｎｔｉｌｉ等仔细研究了利
用内部ＥＧＲ在二冲程发动机上实现ＨＣＣＩ的应
用。

Ｎｏｒｉｍａｓａ等人研究了代用燃料在二冲程发动
机上实施ＨＣＣＩ燃烧的状况。

Ｌｉｄａ在１９９４年的
实验表明，在二冲程发动机上用甲醇作燃料，
ＨＣＣＩ方式的工作范围可以明显扩展。

Ｈｏｎｄａ公
司于１９９７年已展示了采用ＨＣＣＩ的二冲程发动
机，ＩＰＦ公司也开发了应用ＨＣＣＩ概念的二冲程
发动机。

（２）四冲程发动机
第一次在四冲程汽油机上实现ＨＣＣＩ燃烧
模式见于１９８３年Ｎａｊｔ的报道。

１９８９年Ｔｈｉｎｇ提
出ＨＣＣＩ这一描述此种燃烧过程的名词。

Ｔｈｒｉｎｇ
首次采用了两种燃烧模式，即在大负荷使用火
花点火方式，在部分负荷采用ＨＣＣＩ方式［３］；
１９９２年，Ｓｔｏｃｋｉｎｇｅｒ等人首次在实用的１．６ＬＶｗ
发动机上研究ＨＣＣＩ；１９９６年Ｒｙａｎ和Ｃｈａｌｌａｈａｎ
用可变压缩比发动机测出以十六烷值为４７的
柴油为燃料的ＨＣＣＩ的运行范围；１９９７年Ｎａｋ－
ａｇｏｍｅ等人在直喷柴油机上用早喷的方式达到
了低ＮＯｘ（２０×１０）的ＨＣＣＩ效果。

同年，Ｃｈｒｉｓ－
ｔｅｒｓｅｎ，Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ等人采用异辛烷（辛烷值
１００）、酒精（辛烷值１０７）和天然气（辛烷值
１２０）等３种燃料进行ＨＣＣＩ试验。

１９９８年，
Ｃｈｒｉｓｔｅｒｓｅｎ、Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ、Ａｎｍｅｕｓ和Ｍａｕｓｅ的研究
结果表明，采用增压可增加发动机使用ＨＣＣＩ燃
烧方式时的平均有效压力（Ｐｍｅ）。

１９９９年，
Ｃｈｒｉｓｔｅｒｓｅｎ等人的试验又证明了几乎所有的液
体燃料都能用于可变压缩比的ＨＣＣＩ方式中。

２００２年，郑进才等在美国圣地亚国家重点实验
室成功地在四冲程发动机上进行了ＨＣＣＩ试验。

近几年，Ａｏｙａｍａ、Ｍａｇｎｕｓ等人研究了汽油和代
用燃料ＨＣＣＩ燃烧控制的方法，Ｍａｓｅ、Ｙｏｋｏｔａ等
人研究了柴油ＨＣＣＩ燃烧的控制方法。

美国西南
研究院［４］也很早就开展柴油机“预混稀燃”的
研究，图３是其试验装置图。

英国的赵华在ＲＩ－
ＣＡＲＤＯ发动机上对ＨＣＣＩ进行了深入研究，通
过可变气门正时和可变凸轮升程改变缸内废气
的含量，在中、小负荷范围内实现了ＨＣＣＩ燃烧，
也给大负荷运行找到了可行出口。

图３ＨＣＣＩ试验装置
２．２．３模拟计算研究
从近２０年的发展历史来看，具体技术措施的
研究走在模拟计算研究的前面。

１９８３年，Ｎａｊｔ和
Ｆｏｓｔｅｒ在ＷａｕｋｅｓｈａＣｏｏｐｅｒａｔｉｖｅＦｕｅｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ
（ＣＦＲ，混合燃料研究）机上用简单动力学模型计
算出了适当压缩比、高ＥＧＲ与放热率的关系。

近
两年用多区模型预测ＨＣＣＩ燃烧和排放；空燃比
和温度分布对ＨＣＣＩ燃烧的影响模型；ＨＣＣＩ燃烧
的多维计算流体力学详细化学动力学模型等等。

计算模型的建立归根到底是为了科学而又经济地
设计发动机。

目前用化学动力学等模型与传统的
计算流体软件如ＫＩＶＡ相结合对ＨＣＣＩ燃烧进行
了一些研究，也使用了先进的湍流模型［５］。

涉及
ＨＣＣＩ燃烧的缸内流动和紊流度的仿真工作已经
有人做过了。

一些研究者还仿真分析了变发动机
参数对ＨＣＣＩ燃烧过程的影响。

当前ＨＣＣＩ燃烧研
究重点集中在三方面：化学动力学机理、计算流体
动力学模型和湍流、喷雾及蒸发子模型。

３ＨＣＣＩ发动机存在的问题及对策
虽然ＨＣＣＩ技术受到了广泛的重视，但在其
批量生产实用产品的路上还面临一些技术问题，
ＨＣＣＩ尚待解决的技术问题如下：
（１）着火时刻和燃烧速率的控制。

ＨＣＣＩ着
火过程主要受化学反应动力学控制，着火时刻决
定于混合气的成分、温度和压力，只能间接控制
着火时刻和燃烧过程。

目前是通过ＥＧＲ、ＶＣＲ和
ＶＶＴ等技术解决。

（２）发动机冷起动。

多种多样冷启动方案被
提出并研究，例如，使用预热器，使用不同的燃料
或是燃料添加剂，增加压缩比，使用可变压缩比
或可变气门正时等技术。

有资料显示，点燃是个
切实可行的办法。

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（３）排放（特别是低负荷ＨＣ和ＣＯ排放）控制系统的发展。

使用ＨＣＣＩ发动机由于燃烧温度低，混合气混合均匀使ＮＯＸ和ＰＭ排放很低。

但ＨＣ排放较高，需采用机外净化装置。

但废气再循环技术更受青睐。

一般认为，再循环废气有加热作用、稀释作用、分层作用和化学性作用。

（４）发动机变工况运行。

ＨＣＣＩ燃烧几乎是同时进行的，大负荷时过快的燃烧速度会引起发动机的爆震燃烧；低负荷时燃烧速度过慢会引起火焰传播中断。

研究表明，通过分层燃烧可以有效地拓宽ＨＣＣＩ的运行工况范围，采用两种不同特性的燃料也是拓宽ＨＣＣＩ运行工况范围和控制着火时刻的重要途径之一。

（５）发动机控制策略和系统（闭环反馈系统）的发展以及相应传感器的研制。

研发快速反应控制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏性。

（６）高负荷下功率输出不足。

针对这个问题有两种解决方案：其一，开发应用低十六烷值，高能量密度的专用ＨＣＣＩ燃料，能够同时满足动力性、经济性和排放性的要求。

但是，还没有研究报道过类似这种理想的专用ＨＣＣＩ燃料。

其二，采用“双模式”ＨＣＣＩ发动机，即在部分负荷时采用ＨＣＣＩ燃烧模式，而在很高负荷及全负荷时采用传统柴油机的燃烧方式工作。

（７）合适燃料（包括混合燃料）的开发。

（８）多缸机各缸均匀性的保证。

４ＨＣＣＩ未来的发展
由上述的ＨＣＣＩ发动机存在的问题可知，完
全意义的ＨＣＣＩ方式发动机投入使用的时间很难预测，对于即将在实车上的应用，将会出现“双重模式”发动机，在起动和大负荷时使用点燃或压燃，在中低负荷时转换为ＨＣＣＩ方式，使发动机在中低负荷有良好的经济性和较低的排放。

即利用了低负荷下ＨＣＣＩ燃烧的优点和高负荷下火花点燃式燃烧或传统的柴油机燃烧的优点，如图４所示。

对于一些固定式或水下船用发动机较多考虑使用完全意义的ＨＣＣＩ发动机；对于经常工作在部分负荷且排放要求较严的车辆发动机来说，采用两种燃烧模式比较现实，在低
负荷和部分负荷时，为了获得较好的经济性和排
放采用ＨＣＣＩ方式工作；在全负荷采用传统的点燃式或压燃式工作。

图４ＨＣＣＩ发动机构造
５结论
（１）ＨＣＣＩ方式是传统的点燃式和压燃式的优化综合，它采用均质充量混合气压燃着火方式，是一项很有潜力的技术。

（２）ＨＣＣＩ燃烧具有较高的热效率、低ＮＯＸ
和碳烟ＰＭ的排放。

（３）目前ＨＣＣＩ燃烧的缺点是ＨＣ和ＣＯ排放较高，运行工况范围有限。

（４）
均质混合气的制备对ＨＣＣＩ燃烧能否
较好的实现至关重要。

（５）ＨＣＣＩ燃烧的控制是ＨＣＣＩ燃烧面临的最重要的问题。

（６）
完全意义的ＨＣＣＩ发动机实际投入使
用的时间现在还很难预测，但两种燃烧模式在现阶段来说比较现实，应该是当前的主要研究方向之一。

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收稿日期：２００７－０８－２７。