淺析氫燃料HCCI發(fā)動機

王文彬

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

前言

隨著化石能源的減少，環(huán)境污染日益嚴重，傳統(tǒng)的汽油、柴油發(fā)動機已不能滿足可持續(xù)發(fā)展要求，急需尋找一種新型替代燃料和更加合理的燃燒模式。氫氣作為一種無碳能源，可以很大程度上減少有害尾氣的排放，是一種理想的新型替代能源。HCCI可有效降低PM、NOx等有害尾氣的排放。把氫燃料與HCCI相結合，不僅可以減少環(huán)境污染問題而且還能有效緩解能源危機。

1 HCCI

HCCI最主要的燃燒特征是：a.均值，b.低溫，c.壓燃。HCCI采用稀薄混合氣燃燒，中小負荷燃燒時速度快，接近等容燃燒，由于HCCI燃燒溫度較低，傳熱損失較少，因此HCCI能夠獲得較高的熱效率，節(jié)省燃料，提高發(fā)動機的經(jīng)濟性。

HCCI可有效降低氮氧化物排放。NO生成有兩個因素，高溫和氮氧在高溫中滯留的時間。HCCI發(fā)動機本身的燃燒溫度相對傳統(tǒng)發(fā)動機較低，相對于燃料燃燒的化學反應，NO生成的化學反應速度相對較慢，只有少量的 NO是在火焰當中生成，其余大部分是在火焰過后的高溫已燃氣體中形成，在HCCI中氮氧在高溫環(huán)境當中停滯的時間不足，導致NO的生成量大幅度減少。所以與傳統(tǒng)的汽油柴油機相比HCCI發(fā)動機在部分負荷工況下NO排放可降低95%-98%。HCCI最大的缺陷就是由于使用較強的EGR，使得HC、CO的排放較高。

2 氫燃料HCCI發(fā)動機

氫燃料 HCCI就是用氫氣來替代傳統(tǒng)的燃料達到均值低溫壓燃的燃燒效果，純氫燃料相對于傳統(tǒng)燃料有著天然的優(yōu)勢，氫氣里面不含碳元素，也就是說在燃燒過程中不會產(chǎn)生PM、HC、CO等含C污染氣體。把氫作為單一燃料應用到常規(guī)發(fā)動機上基本上只有NO一種污染物。而HCCI可有效降低NO排放，把氫氣與HCCI相結合起到了1+1＞2的效果，有效的降低污染物排放，甚至不產(chǎn)生任何有害氣體。

3 氫燃料HCCI發(fā)動機實現(xiàn)方式

目前，把氫氣作為燃料應用到HCCI發(fā)動機有兩種方式，一種是氫氣和低燃點燃料摻燒，另外一種是使用純氫氣作為燃料。

3.1 摻燒

氫氣和低燃點燃料摻燒就是在壓縮過程中由低燃點燃料引燃氫氣，而且這一方式在國內的研究較多。根據(jù)NO的生成機理可知，HCCI對改善氫發(fā)動機NO排放是可行的。因為氫氣的燃燒速度要高于一般燃料的燃燒速度，通過摻氫燃燒可以提高整體的燃燒速度，縮短主放熱階段，減少氮氧在高溫中滯留的時間，從而降低氫燃料HCCI發(fā)動機NO排放水平。

3.2 純氫

由于HCCI使用低溫壓縮著火的方式，對燃料的自然溫度有一定的要求，自然溫度不能太高，否則對發(fā)動機的結構和制造要求太高以至于很難實現(xiàn)。氫氣的自然溫度是 547℃，而傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動機使用的柴油的自然溫度約 250℃，遠低于氫氣的自然溫度。把HCCI與氫燃料相結合一般采用兩種方法：

（1）提高壓縮終了混合氣溫度

一般提高壓縮比終了混合氣溫度的措施有：提高壓縮比，進氣道空氣加熱，廢氣再循環(huán)（EGR）等。較高的壓縮比可以得到較高壓縮溫度，進氣道空氣加熱提高進氣溫度，EGR提高缸內混合氣溫度。通常是多種措施相結合使用，提高提高壓縮終了混合氣溫度。

（2）火花塞點火輔助

火花塞點火輔助類似于傳統(tǒng)的汽油機，保留了火花塞點火能夠使得 HCCI過程有了更多的控制，火花塞能夠引燃氫氣，這樣就能避免失火現(xiàn)象的出現(xiàn)，而且火花塞還能夠控制著火時刻，大負荷和冷啟動情況下能夠使用傳統(tǒng)的火花塞點燃模式工作，使氫氣的燃燒在各個工況下有所保障。

4 氫燃料HCCI燃燒缺陷及處理

HCCI通過控制缸內混合氣溫度，濃度以及成分來間接實現(xiàn)對著火以及燃燒過程的控制，相比汽油柴油機HCCI發(fā)動機缺乏一種直接有效的強制性控制性手段對其燃燒過程進行控制，如果發(fā)動機運行工況發(fā)生變化，HCCI發(fā)動機只能依靠改變內部溫度、濃度來補償，這樣的話HCCI的瞬態(tài)響應就會先天比傳統(tǒng)發(fā)動機弱。而氫燃料HCCI也存在同樣的問題，不過它可以通過火花塞點火輔助解決瞬態(tài)響應慢的問題。

氫燃料 HCCI存在的另外一個問題是純氫燃燒速率過快導致爆震現(xiàn)象。氫燃料HCCI形成爆震的主要原因是氫氣的燃燒速度過快，為解決這個問題，可以通過添加抑制劑，在一定程度上抑制氫氣過快的燃燒速度，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而改善爆震現(xiàn)象。

5 結語

氫燃料HCCI發(fā)動機作為一種新型高效低污染發(fā)動機，對于汽車尾氣污染問題，氫燃料HCCI發(fā)動機為我們提供了一個很好的選擇，如果能夠大范圍的推廣使用，可以很大程度上緩解大氣污染問題。

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