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 Internal 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NO X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NO X分担率分别为60%，86.8%和54.7%。在太阳光照射下HC和NO X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。

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NO X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