详解均质压燃HCCI：内燃机的未来就靠它了？

来源： 萍乡德博科技股份有限公司 日期：2019-04-07 17:07:37 点击：5042 属于：行业新闻

--本文转载自盖世汽车网

这次来说说「均质压燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。
HCCI其实并不是一个特别新的技术。这项技术应该很早就有人提出了，有些人叫他它CAI、Controlled Auto-Ignition、可控的自发点火……正式被叫作HCCI是在1989年。

在HCCI发动机里，燃料和空气是完全预混合的，并且混合气是稀薄的，进气道喷射，一般不用直喷。混合气在缸内压缩，压缩时缸内混合气的温度和压力都会迅速上升，到某个临界点以后，混合气会自发点火（autoignition）。因为缸内混合气是均匀的，缸内气体温度也几乎一样，所以自发点火会迅速在缸内各处发生，快速完成燃烧。气体的自发点火时刻和燃烧速率，由混合气的热力学和化学动力学决定，没有任何外界因素可以直接控制它们。

理论上HCCI可以烧任何燃料，但主流研究的燃料为汽油、天然气、醇类。这类燃料辛烷值都很高，有利于提高压缩比。

我先用两句话说清楚HCCI高效率低排放的原因，然后再慢慢解释——

HCCI高效率的主要原因有：接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失；

HCCI低排放的主要原因有：均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。

HCCI的高速燃烧

首先可以确定的是，在相同压缩比下，理想奥拓循环能够实现最大的热效率。再来看一看下面这张 p-V 图，从1-2这是一瞬间的发生的，因为活塞不会停留在某一个位置。也就是说，如果在上止点瞬间完成燃烧，发动机热效率最大。如果燃烧过早，那么在压缩气体时会需要做多余的功，如果燃烧过晚，那么高温气体有一部分能量没有被充分利用。

所以在上止点附近快速完成燃烧，热效率最高，而HCCI就有这样的特性。那么为什么HCCI燃烧快呢？

我再解释一下SI发动机是如何进行火焰传播的。做一个简单的假设：假设汽油空气的混合气在1100 K以上，会自发燃烧，而1100 K以下不会。下面手画了一张示意图，火花塞在左侧，火焰从左至右传播。在SI发动机里，压缩过程中气体温度很低，决不会接近1100 K，假设只有800 K。在图a中，左侧的火花塞点火，燃烧开始。燃烧放热会提高局部温度，达到2500 K，高温火焰会提高右侧局部气体的温度，到达着火点，开始燃烧，火焰就这么传播下去了。但是，远处未燃烧的气体温度还是很低，所以并不会自己烧起来。燃烧过程中，气体会膨胀，压缩那些没有燃烧的气体，所以，未燃气体的温度会略有上升，如图b所示，比如到了900 K，但还是低于自发点火温度1100 K，直到燃烧完成。特殊情况下，如果可燃混合气温度在燃烧前温度已经很高，比如有900 K，在火焰传播的过程中，未燃气体的温度有可能被压缩至自发点火温度1100 K以上，那么这些未燃气体会瞬间点火，一起燃烧，这就发生了end gas knocking。

所以，SI的燃烧需要局部的火焰（正在燃烧的气体）和未燃烧气体混合，让局部未燃气体温度提高到自发点火温度之上，才能燃烧。燃烧速度取决于局部气体混合的速度，这相对比较慢。

但HCCI不是这样。在HCCI发动机里，缸内的气体温度都在1100 K附近，有些气体温度高一点点，有些气体温度低一点点。温度最高的气体先燃烧，放出一些热量，这个时候，那些温度只是低一点点的气体温度就高于1100 K了，所以也开始燃烧。这个过程非常快。举一个极端的例子，如果缸内气体的温度，正好都是1100 K，那么一瞬间，所有的气体都会自发点火，并且完成燃烧——这个时候就会和理想奥拓循环一模一样。但实际情况下，因为气缸壁是冷的，气体会有不同的温度，所以点火时间略有先后，因为偏冷的气体只要热一点点，就能烧起来了，所以HCCI燃烧速度但仍然远快于SI。下面放一张在光学发动机缸内拍摄的气体温度分布的照片，冷和热的地方是随机分布的。热的点烧了，周围一点点的也很快就烧起来了，而不是像SI那样，从中心向外传播的。

John Dec, SAE, 2009-01-0650

高压缩比
压缩比越高当然热效率越高，HCCI一般会比SI压缩比高很多。这有两个原因：一是SI要保证气体不会自发点火，而HCCI要保证气体能自发点火，自然HCCI的压缩比更高；另外，HCCI的混合气一般是稀薄的，那么可以想象，让稀薄气体自发燃烧的温度压力要求更高，所以HCCI可以用更高的压缩比。实际上HCCI压缩比提到16并不是很罕见的事情。

低温燃烧
HCCI和它的衍生技术其实经常被称作低温燃烧（Low Temperature Combustion，LTC），因为它们的共同特点是燃烧温度很低——SI往往燃烧温度可以达到2500 K，HCCI一般在1900 K以下。

前面说的快速燃烧和高压缩比，主要是可以提高效率，对排放影响不是很大。而这里说的低温燃烧，对效率、排放影响都很大。

说到这里，有人会问，我之前有一篇文章说卡诺效率，不是高温热源温度越高，热效率上限越高吗？是的，没错，如果高温热源温度是2500 K，卡诺效率是88%。但如果高温热源是1700 K，卡诺效率还有82%。都远远高于奥托循环的热效率上限。因此，热力学第二定律在这里不是特别的重要。事实上，很多时候提高“热力学第二定律效率”和提高“热力学第一定律效率”是矛盾的，而提高第一定律效率更有意义，也更实际。

降低燃烧温度，最大的优点就是，缸内温度低了，散热损失少了。理想奥托循环假设缸内绝热，也就是没有散热损失。所以散热损失越小，热效率越接近理想奥托循环。

另外，降低燃烧温度还能有效降低NOx排放。下面这张图，是一张非常非常有名的图，你如果看懂这张图了，那说明你对HCCI的理解入门了——

我来仔细解释一下：纵坐标是空燃比，不同地方的空燃比定义不一样，在这张图里，空燃比小于1的时候是稀薄的，空燃比大于1的时候是浓的。Soot排放是碳烟，很明显，soot只会在浓混合气、温度不高不低的情况下产生。而柴油机燃烧路径正好完美穿过有soot排放的岛，所以柴油机的soot排放很要命。NOx会在高温富氧的情况下产生，所以SI和CI发动机都会产生NOx。那么，如果使用低温燃烧，把缸内温度控制在2000 K以下，NOx排放就可以完全忽略不计。当然了，温度也不能太低，1450 K有一个CO-CO2的临界转化温度，所以温度太低也不好，燃烧会不完全，从而降低燃烧效率，提高CO排放。

稀薄、均匀的混合气
从效率角度来说：首先要均匀的混合气才能实现HCCI。其次，适当稀薄的混合气可以让燃烧更完全，这可以提高发动机效率。另外，我在之前的文章中提到奥拓循环的公式的时候都说不要去管的参数吗？现在我要说了，这个叫绝热系数，或者比热容比：

这个值一般介于1.3和1.4之间，如果压缩比是15，那么在1.3和1.4时，理想奥拓循环的效率分别是56%和66%，差别还是挺大的。所以，这个值越大越好。那么怎让它更大？用稀薄混合气，让燃烧温度更低。（比热容比 gamma 变化规律背后的物理意义，需要一个统计热力学甚至懂量子力学的物理大佬来解释，我不是很清楚。）

从排放角度来说：稀薄均匀的混合气可以避免soot排放。也可以避免局部高温产生的NOx。

限制HCCI应用的两大原因——

·HCCI燃烧时刻难以控制

很好理解，柴油机由喷油时刻来控制燃烧，不喷油就不烧，不可能喷了还不烧。汽油机由点火时刻来控制燃烧，不点火就不烧，但点火了一定烧（因为实际点火能量一般远大所需求的最低能量）。HCCI呢？进气道喷完，听天由命。混合气的自动点火对于温度是很敏感的，不同进气温度下怎么保证燃烧时刻一样？冷启动的时候怎么办？这都是问题。但说实话，尽管很麻烦，我认为控制问题还是能解决的，关键在于第二点。

·HCCI工作区间窄

HCCI由于燃烧太快，所以混合气其实并不能很浓，也就是说，稀薄混合气对于HCCI来说是必须的。这导致了同样排量的HCCI发动机，功率可能只有SI发动机的一半不到。看下面这张图，左边的BMEP可以认为是扭矩，大的框是SI，小的框是HCCI，如果发动机只能运行在小框里，显然不能给车车辆用，扭矩转速都不够。但下面这张图也可以看到，在低负荷，HCCI的优势巨大，主要是SI低负荷的泵气损失让其热效率极低。

为了解决这个问题，有几个方案。一是用混动，用高功率电机+电池来解决一些短暂的高功率需求。二是做SI-HCCI双模的发动机，因为在高负荷情况下，SI的效率其实可以接受，两田已经做到45%了，一般的HCCI热效率其实也就45-55%。但是，双模就有一个问题，HCCI压缩比高，怎么办？当然，有很多种解决方案，但都比较麻烦，以后有机会再讲。

所以，所有的HCCI衍生技术都是为了解决这两个问题诞生的，各个技术各有优缺点。以后也可以分别详细讲一讲。

总结：

前面两句话重复一遍，记住这两句话就行了——

HCCI高效率的主要原因有：接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失。

HCCI低排放的主要原因有：均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。

上一新闻：汽车的涡轮增压器转速高达几万转，那么它是如何冷却和润滑的呢？

下一新闻：中国零部件行业发展分析：涡轮增压器行业前景较大

详解均质压燃HCCI：内燃机的未来就靠它了？

友情链接