HCCI內(nèi)燃機(jī)工作過程控制方式及前景

杜秀達(dá) 劉揚(yáng)

摘要：信息技術(shù)時代背景下，科學(xué)技術(shù)水平不斷提高為各大行業(yè)注入新的力量并促進(jìn)各領(lǐng)域高速向前發(fā)展。均質(zhì)壓燃內(nèi)燃機(jī)是一種新型科技產(chǎn)物，同時具有傳統(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)的技術(shù)功能，其英文縮寫為HCCI。HCCI具有很大的發(fā)展前景，雖然以目前的技術(shù)水平還達(dá)不到理想成效，但與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比具有顯著優(yōu)勢。本文將對HCCI內(nèi)燃機(jī)工作原理做簡單介紹，對HCCI內(nèi)燃機(jī)工作過程控制方式進(jìn)行深入探究，并對HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)前景做出分析。

關(guān)鍵詞：HCCI內(nèi)燃機(jī);內(nèi)燃機(jī)工作過程;控制方式及前景

中圖分類號：U464.173? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0066-02

0? 引言

HCCI是指下一代活塞式內(nèi)燃機(jī)采取的燃燒方式，即均質(zhì)充量壓燃。壓燃直噴式柴油機(jī)的熱效率一直處于領(lǐng)先級別，HCCI內(nèi)燃機(jī)熱效率不僅可以達(dá)到與它同等級別而且PM和NOX排放量非常低，是技術(shù)性重大進(jìn)步。傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)是通過火花塞打火，通過點燃燃料和空氣混合物產(chǎn)生能量，從而發(fā)動機(jī)器。而HCCI內(nèi)燃機(jī)與柴油內(nèi)燃機(jī)十分相似，是采取稀釋預(yù)混合氣，活塞壓縮混合氣發(fā)火時，缸內(nèi)發(fā)生容積式燃燒，不需要火焰?zhèn)鞑ミ^程，允許燃燒發(fā)生在比較低溫的環(huán)境，即活塞壓縮缸內(nèi)混合氣可使溫度升高，達(dá)到適當(dāng)溫度就可以發(fā)生自行燃燒。簡單來說，HCCI內(nèi)燃機(jī)以燃燒模式的技術(shù)性進(jìn)步脫離傳統(tǒng)概念，推動了行業(yè)進(jìn)步。

1? HCCI內(nèi)燃機(jī)工作原理

1.1 HCCI內(nèi)燃機(jī)工作原理和技術(shù)特性

HCCI缸內(nèi)混合氣的密度、濃度、溫度達(dá)到一定程度混合氣即可自動發(fā)火，因此，如何增加混合氣的密度、濃度和溫度，是提高HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)指標(biāo)的重要方面，一般可以通過提高壓縮比、提高充量下質(zhì)能力水平、增加缸內(nèi)剩余燃?xì)鈹?shù)量、向缸內(nèi)噴入少了燃油等方式來實現(xiàn)。

與傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)發(fā)火方式不同，HCCI內(nèi)燃機(jī)是通過活塞運(yùn)動促使缸內(nèi)混合氣發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，由化學(xué)反應(yīng)速率控制點火和燃燒過程，此技術(shù)雖然是一次重大進(jìn)步，但因不是直接點火燃燒程序，可控性比較低。因此，HCCI內(nèi)燃機(jī)可以設(shè)置雙模式燃燒系統(tǒng)，在均質(zhì)充量壓燃無法運(yùn)行的環(huán)境轉(zhuǎn)換成火花塞點火模式或者壓縮點火模式，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境滿足均質(zhì)充量壓燃模式時自動切換。HCCI內(nèi)燃機(jī)比起傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，排放污染物質(zhì)更少，應(yīng)該通過技術(shù)手段盡可能多的推廣應(yīng)用。

1.2 HCCI內(nèi)燃機(jī)常用燃料

柴油、汽油、天然氣、丙烷都是HCCI內(nèi)燃機(jī)的常見燃料，各自都有優(yōu)缺點。比如，汽油性質(zhì)活潑易蒸發(fā)，容易生成可燃混合氣，有助于縮短燃燒發(fā)生過程。汽油辛烷值也較高而且允許采用較高的壓縮比，從而熱效率也高，可達(dá)到與壓燃直噴式柴油機(jī)同等水平。柴油燃點低，不易蒸發(fā)，所以用作HCCI內(nèi)燃機(jī)燃料時需要設(shè)置加熱措施，且壓縮比較低，導(dǎo)致熱效率低，污染物排放量相對較多。但是遲噴和高渦流工況下噴入柴油，有助于燃油蒸發(fā)和混合。

2? HCCI內(nèi)燃機(jī)工作過程控制方式探究

2.1 發(fā)火正時控制

HCCI內(nèi)燃機(jī)發(fā)火正時由缸內(nèi)混合氣化學(xué)動力反應(yīng)率決定，且隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化而變化，最佳發(fā)火時間無法通過點火或者噴油控制，因此，控制HCCI內(nèi)燃機(jī)發(fā)貨正時難度比較大。當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化導(dǎo)致HCCI內(nèi)燃機(jī)發(fā)貨正時變化時，可以通過溫度調(diào)節(jié)對其補(bǔ)償，補(bǔ)償量的多少以燃油類型為依據(jù)。接近壓縮上止點時的充量溫度調(diào)節(jié)有不同方法，且適用條件各異，詳情請看表1。

2.2 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制

HCCI內(nèi)燃機(jī)基本性能要求之一是根據(jù)運(yùn)行環(huán)境變化及從動機(jī)械需求調(diào)整功率和轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的控制，確保工況范圍穩(wěn)定。對HCCI內(nèi)燃機(jī)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)、擴(kuò)大工況運(yùn)行范圍是該技術(shù)研究的首要課題。根據(jù)不斷的實踐研究，目前已總結(jié)出以下有效措施。

2.2.1 可變壓縮比

HCCI內(nèi)燃機(jī)主要控制參數(shù)之一就是壓縮比，采取可變壓縮比能夠?qū)崿F(xiàn)對幾何壓縮比的調(diào)節(jié)，根據(jù)實際工況調(diào)節(jié)壓縮比，可以確保HCCI內(nèi)燃機(jī)在工況范圍內(nèi)安全運(yùn)行?？勺儔嚎s比技術(shù)操作并不復(fù)雜，常用的方法有兩種：一是通過在汽缸蓋上安裝柱塞，利用液壓系統(tǒng)改變其位置，實現(xiàn)對壓縮比的控制;二是采取對動活塞式內(nèi)燃機(jī)，通過改變曲軸和汽缸蓋距離來調(diào)節(jié)壓縮比?？勺儔嚎s比也可以應(yīng)用到傳統(tǒng)汽油機(jī)系統(tǒng)。

2.2.2 可變氣門正時

可變氣門正時系統(tǒng)可以通過擴(kuò)大HCCI內(nèi)燃機(jī)工況運(yùn)行范圍影響混合氣的放熱過程及化學(xué)反應(yīng)。具體控制過程是可變氣門正時系統(tǒng)通過變化氣門重疊角、氣門再開，使前面部分熱的混合燃?xì)饬粼趦?nèi)部，與外部混合氣再循環(huán)配合，實現(xiàn)對缸內(nèi)溫度、混合成分和壓力的調(diào)節(jié)，從而控制HCCI內(nèi)燃機(jī)發(fā)火正時和放熱率?？勺儦忾T對缸內(nèi)熱的剩余量進(jìn)行調(diào)節(jié)是擴(kuò)大HCCI運(yùn)行范圍的主要手段之一。應(yīng)用實踐證明，設(shè)置可變氣門系統(tǒng)的HCCI內(nèi)燃機(jī)能夠在比較低的壓縮比下發(fā)生燃燒。HCCI雙模式系統(tǒng)可以完美實現(xiàn)對發(fā)火正時的控制，即不斷在火花點火與HCCI模式之間循環(huán)轉(zhuǎn)換。

2.2.3 混合燃料及發(fā)火增強(qiáng)劑

HCCI內(nèi)燃機(jī)對燃燒要求極低，能夠在發(fā)火之前蒸發(fā)且與空氣混合的任何醇類和碳?xì)漕愐后w燃油都可以作為HCCI內(nèi)燃機(jī)的燃料。HCCI內(nèi)燃機(jī)主要優(yōu)勢之一就是燃料使用靈活性高。除此之外，HCCI內(nèi)燃機(jī)還可以使用兩種辛烷燃料進(jìn)行控制，在雙燃料使用上，高辛烷值做主燃料，低辛烷值做輔助燃料，以實際需要為依據(jù)控制噴射，從而實現(xiàn)對HCCI內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的控制。兩種燃料運(yùn)行方式只能應(yīng)用于具有雙燃料系統(tǒng)的設(shè)備。

2.3 高負(fù)荷運(yùn)行時燃燒率控制

HCCI內(nèi)燃機(jī)不需要火焰?zhèn)鞑ミ^程，即缸內(nèi)混合氣壓縮過程就已完成焰前反應(yīng)，因此，發(fā)火正時可以實現(xiàn)瞬時燃燒，從而瞬間產(chǎn)生非常高的熱量釋放率和峰值壓力，致使機(jī)械組件負(fù)荷較高，不合理的提高空燃會有爆燃危險。控制HCCI內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷過高時的燃燒率有很多方法，以如表2所示為例，均可以實現(xiàn)對燃燒率的控制。

2.4 冷起動性能控制

混合氣溫度對HCCI內(nèi)燃機(jī)燃燒有直接影響，冷啟動期間缸內(nèi)被壓縮混合氣的熱量會傳遞給燃燒室壁，且無法通過進(jìn)氣管道預(yù)熱，嚴(yán)重影響HCCI系統(tǒng)的運(yùn)行?？梢酝ㄟ^以下三種方式改善冷啟動問題：先轉(zhuǎn)換為火花點火模式，預(yù)熱完成再轉(zhuǎn)換為HCCI模式;利用可變壓縮比或者可變氣門提高壓縮比;通過熱塞輔助HCCI進(jìn)行暖機(jī)。

2.5 排放控制

HCCI內(nèi)燃機(jī)排放一般設(shè)計到CO排放、HC排放以及高工況時NOX的排放。高工況時可通過氧化催化轉(zhuǎn)化器控制排放HC;低工況時溫度比較低，靠近壁面位置的燃料不能發(fā)生燃燒，因此HC排放量較多，可以采取分層噴射等方案，降低HC排放量，同時開發(fā)低工況時使用的低溫氧化催化轉(zhuǎn)化器。此外，低工況和中工況過程中，HCCI內(nèi)燃機(jī)NOX排放水平相對較低，而高工況時NOX排放通常會超出標(biāo)準(zhǔn)。HCCI內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)混合氣比較稀的情況下，NOX排放量處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，當(dāng)油量和功率不斷增加，混合氣濃度隨之增加，溫度不斷上升，會導(dǎo)致NOX的排放量增加過高。因此，高工況下，使混合氣濃度均勻，可以良好控制功率在NOX超出標(biāo)準(zhǔn)前不再提高。還可以采取部分分層充量壓燃點火、降低峰值等方式控制NOX排放量。

2.6 瞬態(tài)運(yùn)行

HCCI內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不斷變化，運(yùn)轉(zhuǎn)工況很難與混合氣溫度精確匹配。技術(shù)人員應(yīng)該開發(fā)新的快速響應(yīng)控制系統(tǒng)，使工況發(fā)生快速變化時，能夠始終保持準(zhǔn)確的發(fā)火正時。實踐研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)有可變氣門或者可變壓縮比的HCCI內(nèi)燃機(jī)在一定程度上實現(xiàn)了連續(xù)、平滑的瞬態(tài)工況運(yùn)行，但仍需繼續(xù)研發(fā)相關(guān)控制系統(tǒng)。

3? HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)前景

HCCI內(nèi)燃機(jī)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。與火花點火汽油機(jī)相比，HCCI進(jìn)氣節(jié)流損失較少;NOX等物質(zhì)排放量較少;燃燒周期較短;熱效率較高。與壓燃直噴式柴油機(jī)相比，HCCI內(nèi)燃機(jī)燃燒對溫度要求較低;噴油壓力較低;NOX等物質(zhì)排放量非常少;混合氣稀釋程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直噴式柴油機(jī)等。HCCI內(nèi)燃機(jī)通過活塞運(yùn)動實現(xiàn)缸內(nèi)溫度升高，達(dá)到要求條件時既可以自動瞬時燃燒，具有續(xù)期短、排放低、效率高等特點，是壓燃式柴油機(jī)無法達(dá)到的技術(shù)水平。單從點火正時溫度要求來說，典型柴油機(jī)的溫度要求在1900K到2100K，而HCCI內(nèi)燃機(jī)的溫度要求范圍是在800K到1100K，優(yōu)勢非常明顯。

從使用燃料角度看，HCCI內(nèi)燃機(jī)可選用多種燃料，靈活性和適應(yīng)性較好;而且HCCI內(nèi)燃機(jī)對貴金屬要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油機(jī)和柴油機(jī)，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性;從排放污染物質(zhì)來說，HCCI排放量低，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染程度較低，治理環(huán)境成本隨之變低。這不僅在技術(shù)上超越傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，而且也更符合新時代可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)理念。

HCCI內(nèi)燃機(jī)適用范圍非常廣泛，不僅可以用于常規(guī)車輛，也可以用于發(fā)電機(jī)組、工程機(jī)械等。HCCI內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行工況有一定范圍，其轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不會超出此范圍，有利于對整機(jī)控制系統(tǒng)的研究和優(yōu)化。HCCI內(nèi)燃機(jī)因其強(qiáng)大的技術(shù)支撐和應(yīng)用價值必然逐漸成為行業(yè)主流，前景可觀，且在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時代，HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)會得到不斷完善和進(jìn)步。

4? 結(jié)語

HCCI內(nèi)燃機(jī)的燃燒模式是以往復(fù)式汽油機(jī)為基礎(chǔ)，即汽油機(jī)的一種壓燃狀態(tài)，且兼具柴油機(jī)技術(shù)優(yōu)勢。雖然HCCI內(nèi)燃機(jī)還存在一些技術(shù)難題，但對其技術(shù)控制方面的深入研究逐漸顯現(xiàn)成效，對氣缸溫度調(diào)節(jié)控制等問題已逐漸找到最優(yōu)解決方案。HCCI內(nèi)燃機(jī)技術(shù)將隨著科技進(jìn)步不斷發(fā)展完善，最終實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]伍賽特.HCCI內(nèi)燃機(jī)工作過程控制方式研究及技術(shù)前景展望[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2020，16（01）：24-28，42.

[2]史雷鳴，潘海濤，梁絲語，何寒蘭，李濤.內(nèi)燃機(jī)工作過程試驗研究與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（01）：219-224.

[3]伍賽特.內(nèi)燃機(jī)HCCI及PCCI燃燒方式研究綜述[J].能源與環(huán)境，2019（01）：10-11，13.

[4]周晶磊，夏鴻文，任超偉.均質(zhì)壓燃在內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)中的應(yīng)用[].交通節(jié)能與環(huán)保，2013，9（04）：46-49.

[5]沈業(yè)春，任歡，周晶磊.均質(zhì)壓燃排放實驗研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2013，9（03）：29-31.