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HCCI控制发动机排放的基本原理
信息来源:本站 发布时间:2012/12/30 17:19:37 点击量:

    HCCI,亦称可控自燃着火(CAI,ControlledAutoIgnition),它是指大量燃料和稀释物(空气和再循环废气等)在进气过程中预先混合成均质混合气,当压缩行程活塞运动到上止点附近时,均质混合气自燃着火的一种燃烧过程。

    HCCI燃烧方式结合了柴油机压燃和汽油机均质混合气点火燃烧的特点,基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。与传统的点燃式发动机相比,它取消了节气门,泵气损失小,混合气多点同时着火,燃烧持续期短,可以得到与压燃式发动机相当的较高热效率;与传统柴油机相比,由于混合气是均质的,燃烧反应几乎是同步进行,没有火焰前锋面,燃烧火焰温度低(低于2000K),NOx排放很低,几乎没有PM排放。传统的柴油机采用扩散燃烧,化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率,燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中,混合气和温度分布都极不均匀,扩散火焰外壳的高温区易产生NOx,内部高温缺氧区易产生PM。而HCCI通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加热和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力,促使混合气压缩自燃,在缸内形成多点火核,有效维持了着火燃烧的稳定性,并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关。

    大多数燃料的HCCI燃烧表现出独特的二阶段放热:第一阶段放热和主放热阶段。第一阶段放热与低温动力学反应有关,此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热和主放热之间有一个时间延迟,延迟时间主要由这些反应的负温度系数现象(NTCR,NegativeTemperatureCoefficientRegime,即温度升高,反应变慢)来决定。用光学诊断的方法来研究HCCI的燃烧过程发现第二阶段燃烧即主放热阶段是多点同时进行的,一旦着火,混合气迅速燃烧,没有可视火焰传播,一般认为HCCI的完全燃烧仅由化学动力学控制,没有一般燃烧中的流动,但由于局部仍存在不均匀物质,从而也有局部波动现象。

    HCCI燃烧方式的出现,有效地解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点,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。HCCI燃烧方式可以同时保持较高的动力性和燃油经济性,不受燃油和氧化物分离面混合比的限制,也没有点火式燃烧的局部高温反应区,因此可以同时降低NOX和PM;另外由于HCCI燃烧只与本身的物理化学性质有关,它的着火和燃烧速率只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制,受缸内流场影响较小,同时均质预混的混合气组织也比较简单,因此,在发动机上实施HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。HCCI的优点还包括它的燃料灵活性高,它能使用包括汽油、柴油、天然气、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多种燃料,而柴油HCCI发动机能够继续利用现有的加油和服务设施,无需增加新型燃料的加注设施,因此,以柴油为燃料的HCCI发动机的研发和应用正逐渐受到国外汽车企业的高度重视。如前面提到的曼、斯堪尼亚等商用车巨头,都在投巨资研发HCCI技术以应对欧Ⅵ法规的到来。

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