均质压燃（HCCI）燃烧技术的研究现状与展望

摘 要：均质压燃（HCCI）是一种全新的燃烧模式，它是预混均质可燃混合气在压缩行程中温度升高达到自燃点后自燃的燃烧模式。作者主要阐述了均质压燃（HCCI）燃烧技术的概念与特点、当前研究所面临的难题和研究所取得的主要进展。

关键词：均质压燃；低温燃烧；燃料改质

引言

当前，全球汽车保有量不断增加，然而能源日趋匮乏，排放法规越来越严重，因此内燃机的节能减排技术不得不受到重视，研发节能、清洁和高效的内燃机也具有更为重要的意义。但是，现有的汽油机和柴油机仍然不能同时符合我们在经济性与排放性方面的需求。均质压燃（HCCI，Homogeneous Charge Compression Ignition）作为一种全新的燃烧技术，有别于现有汽油机的点燃式与现有柴油机的压燃式，它兼具现有汽油机均质燃烧与现有柴油机压燃点燃的优点，能够提高发动机的动力性和经济性，同时大大降低发动机NOx和碳烟的排放。

1 HCCI燃烧技术的概念与特点

从内燃机被发明以来，内燃机的点火方式有两种类型：一种是柴油机的压燃点燃方式；另一种是汽油机的点燃燃烧方式。因为柴油机的热效率高，动力性好，可靠性高，常常被用在动力机械上，例如工程机械、载重货车等。同时，汽油机凭借其构造简单、体积小、重量轻、转速高、振动噪声小等优点占领了大多数的乘用车市场，尤其是小轿车上多半配置的是汽油机。因为人们对汽车的依赖性越来越高，全球汽车的保有量不断增加，环境也日趋恶化，能源越来越紧张，迫使人们不断地改进柴油机与汽油机的性能，同时积极地寻找更为清洁环保的发动机燃料。在对这些新型清洁环保的发动机燃料研究时，研发人员使用了一些汽油机和柴油机比较完善的技术。比如，尝试在柴油机中使用燃点较高的醇类燃料；为了让醇类燃料在汽油机中稳定燃烧，把汽油机的压缩比增加到11～13。其中最为大胆和最有创新性的研究是結合柴油机和汽油机的优点，最后建立一种崭新的燃烧模式——均质充量压缩燃烧，即均质压燃（HCCI）。

是一种有里程碑意义的内燃机燃烧技术，混合气形成方式与汽油机缸内直喷技术相似，发动机在进气行程吸入气缸的是预先混合好的均质可燃混合气，而均质可燃混合气在压缩行程升温达到燃料的着火点而自燃。从表面上来看，均质压燃（HCCI）与压燃式和点燃式燃烧技术均有类似的地方，它好像是压燃式和点燃式燃烧技术的结合产物。但是，HCCI燃烧技术并不是压燃式和点燃式燃烧技术相互结合的技术，而是一种与二者完全不同的燃烧技术。汽油机缸内的可燃混合气燃烧模式是点燃式即热扩散模式；而柴油机使用的是缸内直接喷射方式，在压缩行程末了柴油被直接喷射到气缸内与高温空气接触，柴油被加热到柴油的着火点而自燃即扩散燃烧。在传统的点燃式燃烧模式中气缸内可燃混合气分布不均匀，而在传统的压燃式燃烧模式中气缸内燃油质量分布不均匀，因此才会存在热扩散或物质扩散。均质压燃燃烧模式的着火方式与传统的点燃式和压燃式燃烧模式有着本质上的不同，因为缸内充量均匀，压缩时热量在整个气缸内均匀分布，气缸内各点同时着火燃烧。因此，从理论上来讲，均质压燃模式既不存在热扩散也不存在物质扩散，而且HCCI燃烧还能够实现稀薄燃烧。HCCI燃烧和传统燃烧的比较见图1。

均质压燃具备的技术优势：

（1）热效率高。HCCI燃烧发动机能够有较高的压缩比，而且不用设置节气门，从而能够减小进气阻力；而且多点同时着火的燃烧模式让整个燃烧过程不需要火焰传播，燃烧持续期很短，能够看作是理想的等容燃烧过程；稀薄可燃混合气低温燃烧，还能够大大减少气缸壁的热量损失。研究表明，均质压燃发动机的热效率几乎和压燃式发动机相当，动力性和经济性明显提高。

（2）NOx和碳烟的排放量较低。HCCI的燃烧特点是“均质压燃、低温燃烧”。均质压燃意指气缸内混合气混合均匀，气缸内不存在局部混合气过浓或局部混合气过稀的区域，如此气缸内就不存在高温缺氧的区域，减少了碳烟的形成；“均质压燃、低温燃烧”则完全避免了高温富氧的产生，显著减少了NOx的形成。

（3）燃料的灵活性高。HCCI发动机对于燃料的灵活性高，它允许燃料的辛烷值在一个很宽的区域内变动。HCCI发动机既可以用传统的汽油和柴油作为燃料，又能够采用较为清洁的甲醇、乙醇、天然气和二甲醚等作为燃料。另外，HCCI发动机还能够通过对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料的不同配比来调节HCCI发动机的燃烧起点和负荷范围，从而改善燃烧质量，甚至能够为HCCI发动机制作专用的燃料。所以，在HCCI发动机上可再生的生物燃料可以发挥很大的潜能，这将会减轻内燃机对石油等化石燃料的依赖，也将为缓解能源危机提供新的思路。

2 HCCI燃烧技术所面临的挑战

HCCI燃烧方式热效率高、NOx和碳烟的排放量较低、燃料的灵活性高，它已经成为内燃机研究人员眼中的热点项目，而且对HCCI的研究已经涉及到了这一燃烧方式的多个层面。尤其是近几年，因为能源越来越紧张，空气污染越来越严重，HCCI燃烧方式引起了全球内燃机研究人员的重视，国际社会在HCCI燃烧技术研究方面付出了大量的人力和财力，并且也获得了较好的成果。然而HCCI燃烧方式离实际应用还有一段距离，要实现HCCI燃烧方式还面临着居多挑战。

2.1 燃烧相位控制困难

由于HCCI发动机的着火始点受到进气温度、燃料当量比、压缩比、燃料类型和发动机转速等综合因素的影响，传统内燃机上的着火时刻控制方式无法在HCCI发动机上直接实现，而且实际上HCCI发动机的燃烧过程主要由化学动力学影响，比较复杂，控制困难。

2.2 运行范围过窄

HCCI发动机在中低负荷工况下能够平稳运转，然而在非中低负荷状态下运行，HCCI燃烧容易产生爆震，氮氧化物的排放量也会增大。在过低负荷时，因为混合气浓度较低，发动机燃烧室内放热速率较为缓慢，发动机容易“失火”，同时冷启动困难，燃烧效率低。所以，HCCI发动机运行范围过窄的问题影响了其在汽车上实用性推广。

2.3 冷起动困难

在外界温度低于-20℃时，HCCI发动机气缸内温度极低，而且气缸内缺乏温度较高的废气，燃料在压缩行程中不能达到自燃温度，无法自燃，导致发动机冷启动困难。

2.4 HC和CO的排放量大

HCCI发动机在中低负荷工况下能够平稳运转，然而整个均质压燃过程采取的“均质稀薄、低温燃烧”，因此燃烧过程中形成的CO无法完全氧化，在气缸壁附近的HC不能进一步氧化，在低温条件下三元催化转换器的转化效率很低，HC和CO也不能被催化。因此，HCCI发动机NOx和碳烟的排放量较低，但是HC和CO的排放量却增加。

3 控制HCCI的主要措施

HCCI在内燃机上实际应用必须具备以下两个条件：第一个条件是内燃机气缸内必须形成均质可燃混合气，第二个条件是有效控制HCCI的着火时刻和燃烧过程。世界各地的内燃机研究人员对HCCI做了许多研究和实践，在内燃机HCCI燃烧技术方面取得了许多进展。

3.1 进气加热

研究表明，通过对进气加热，进气温度升高，气缸内温度也随之升高，并且燃料温度升高后蒸发性更好，均质可燃混合气更容易形成，所以能够提高均质压燃的燃烧效率。

3.2 可变压缩比

可变压缩比是改变气缸内压力和温度的一种有效途径。研究人员Haraldson设计了一种压缩比可变的多缸机，并实施了均质压燃试验，试验表明可变压缩比对均质压燃的控制能够取到很明显的作用。

3.3 可变气门正时

Willand等研究人员采用排气门提前关闭加上缸内直喷技术来控制均质压燃。排气门早关可以将燃烧之后的废气保留在缸内，这些燃烧之后高温高压的废气能够对均质可燃混合气加热，因而均质压燃更能实现。研究人员的后续研究表明该方案是控制HCCI燃烧的有效方式之一。

3.4 进气增压

内燃机研究领域内的多方试验表明内燃机进气增压是一种更为有效的均质压燃控制方式。内燃机研究人员Christensen和Johansson就采用这一方式实施了均质压燃试验，试验指出这一方式虽然能够让气缸内的平均指示压力升高和HC排放量的下降，但是平均指示压力的升高还是受到了内燃机压缩比的限制。

3.5 二次喷射

Urushihara和Urata在实施均质压燃试验时使用了与传统的喷油方式不一样的喷油方式，即二次喷射。第一次喷射设定在气门重叠期间，凭借气缸内还未排净的高温废气把燃料加热使其自燃，随后通过燃烧之后的热量加热混合气，这即是导燃喷射，然后在压缩行程起始阶段实施第二次喷射。这一喷射策略实现了内燃机的均质压燃燃烧，但同时也使得内燃机油耗增加，排放恶化。

3.6 EGR

EGR（即废气再循环）能够提高下一工作循环气缸内的温度，有利于均质压燃燃烧的实现。EGR的运用方式有许多种，在均质压燃试验中EGR的运用方式有两种：第一种方式是在进气行程之前排气行程末了关闭排气门，把一部分燃烧之后的废气关闭在气缸内；第二种方式是运用进气管内的真空把排气管内的废气重新吸回到气缸内，这一方式必须延迟关闭排气门。

3.7 火花塞辅助点火

使用火花塞辅助点火引入部分火焰传播过程，能够有效避免HCCI燃烧在大负荷边界发生爆震现象，使发动机获得更大的输出功率。另外，在均质可燃混合气自燃前采用火花塞辅助点火，能够增强燃烧的稳定性，大大减少失火现象的产生。运用火花塞辅助点火让均质可燃混合气燃烧展现出两阶段放热燃烧的燃烧方式，它俨然成了HCCI燃烧的一个热点方向。

3.8 燃料改质

研究人员在HCCI发动机燃料方面进行了大量的试验，试验表明燃料改质是一种拓展HCCI发动机运行范围的有效方式。燃料改质可以给均质可燃混合气提供额外的大量活性基，让气缸内均质可燃混合气的化学反应路径产生变化，精确控制着火时刻，所以有利于对HCCI发动机运行范围的拓展。此外，混合燃料的HCCI燃烧对HCCI发动机运行范围的拓展也可以起到一定的作用。还有双模式运行方案也是拓展HCCI发动机运行范围的研究热点，一般在中低负荷工况时使用HCCI燃烧模式，有效运用HCCI的燃烧优势，在大负荷与过低负荷工况时转换到传统的点燃式和压燃式。但是，这种双模式运行方案的使用又会使发动机变得更复杂。

4 结论与展望

节能环保一直是推进内燃机燃烧技术研究进程的动力之一，均质压燃凭借其热效率高、NOx和碳烟的排放量低而受到青睐，也将会成为全球内燃机研究领域的研究热点。但是，在均質压燃发动机实用化的道路上还存在许多难题，例如：燃烧相位的控制困难，运行范围过窄，HC和CO的排放量大等。对于这些研究难题，研究人员已经找出了一些切实可行的措施，并且不断地向着实用化的方向努力着。

参考文献

[1]张延龙，郭金宝.均质充量压燃燃烧的研究与展望[J].内燃机与动力装置，2015，5：75-78.

[2]李鹏飞，乔信起，吴作柱.二甲醚燃烧机理的简化及其均质压燃燃烧验证[J].上海交通大学学报，2015，1：129-134+140.

[3]杨洪强，帅石金，王志，等.93RON汽油多段预混压燃模式的燃烧与排放特性[J].内燃机工程，2015，1：47-52+56.

[4]王雷，潘江如，鲁亚云.甲烷/氢气双燃料均质压燃式燃烧特性研究[J].世界科技研究与发展，2015，2：131-133+154.

[5]成晓北，胡洋洋，陈亮，等.重型柴油机部分预混压燃模式的燃烧与排放特性[J].内燃机学报，2014，2：111-118.

[6]肖干，张煜盛，郎静，等.进气温度对汽油直喷压燃发动机燃烧及排放性能影响的试验[J].内燃机学报，2014，2：125-130.

作者简介：何细鹏（1978-），男，湖北黄冈人，硕士，武汉交通职业学院汽车工程学院，教研室主任，研究方向：汽车维修技术。