汽車發(fā)動機原理與汽車理論第10章課件

1、第十章 汽車發(fā)動機新型燃燒方式第一節(jié)均質(zhì)混合氣壓縮著火（HCCI）第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒第四節(jié)均質(zhì)混合氣引燃第一節(jié)均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)一、HCCI燃燒模式的產(chǎn)生針對傳統(tǒng)的火花點火式和壓縮著火式內(nèi)燃機燃燒模式存在的問題,一種新型的發(fā)動機燃燒模式均質(zhì)混合氣壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)燃燒模式應運而生,簡稱均質(zhì)壓燃。HCCI 燃燒模式的基本思路是要融合傳統(tǒng)的火花點火燃燒和壓縮著火燃燒的優(yōu)點,并避免其缺點。傳統(tǒng)火花點火式發(fā)動機采用機外形成均勻混合氣、控制節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)負荷、火花點燃混合氣的工

2、作方式。其優(yōu)點是幾乎無炭煙,缺點是節(jié)流損失較大且壓縮比較低,因此熱效率不高,經(jīng)濟性差。第一節(jié)均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)一、HCCI燃燒模式的產(chǎn)生在HCCI燃燒模式中,汽油或柴油燃料和空氣通過預先混合形成均質(zhì)稀薄混合氣,當壓縮行程缸內(nèi)溫度上升到燃料的自燃溫度時,整個燃燒室內(nèi)有多點自燃著火,如圖10-1所示。圖10-1發(fā)動機的燃燒模式a)火花點火式b)壓縮著火式c)HCCI第一節(jié)均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)二、HCCI燃燒的優(yōu)點表10-1對HCCI 發(fā)動機、傳統(tǒng)火花點火(Spark Ignition,SI)和壓縮著火(Compression Ignition,CI)式發(fā)動機進行了比較。火花點

3、火(SI)燃燒壓縮著火(CI)燃燒HCCI燃燒燃料汽油等高辛烷值燃料柴油等高十六烷值燃燒范圍更廣泛混合氣形成方式氣道噴射、缸內(nèi)直噴缸內(nèi)直噴缸內(nèi)噴射、進氣道噴射過量空氣系數(shù)1左右1.22.2大于1的寬廣范圍著火方式火花點燃壓縮著火壓縮多點著火燃燒方式預混燃燒擴散燃燒為主預混合燃燒,化學動力學控制燃燒溫度高溫局部高溫溫度相對低燃燒速率火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤刂苹旌纤俾士刂茙缀跬瑫r著火循環(huán)方式定容加熱混合加熱定容加熱表10-1三種燃燒模式的比較第一節(jié)均質(zhì)混合氣壓縮著火(HCCI)三、HCCI燃燒的研究歷程及現(xiàn)狀20世紀90年代中后期,隨著各國排放法規(guī)日趨嚴格和石油供求矛盾日趨尖銳,能同時實現(xiàn)高熱效率和低排放的

4、HCCI燃燒方式成為一個新的研究熱點,全球一些主要的汽車公司、研究機構(gòu)、大學等紛紛開展了深入而又全面的基礎研究和應用基礎研究,如美國Lawrence Livermore國家實驗室、Sandia國家實驗室、Wisconsin大學、瑞典的Lund大學、英國的Brunel大學和日本的Keio大學等著名研究中心對于HCCI燃燒基礎理論認識和相關試驗研究做出了積極貢獻。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒一、汽油HCCI燃燒的基本原理與特征和傳統(tǒng)火花點火燃燒方式相比,汽油機HCCI燃燒方式具有以下特征:1)HCCI燃燒是多點大面積同時壓縮著火,沒有火焰前鋒面的傳播過程,故其燃燒速度快,燃燒放熱率和等容度遠比傳統(tǒng)火

5、花點火火焰?zhèn)鞑サ娜紵绞揭叩枚?因而其指示熱效率和油耗會得到明顯改善。2)HCCI采用稀薄均質(zhì)混合氣,并引入大量EGR,因而其局部燃燒溫度可控制在1800K以下,消除了熱NO產(chǎn)生的基本條件,降低NOx排放。3)HCCI燃燒取消了節(jié)氣門,改善了傳統(tǒng)汽油機負荷由于采用“量調(diào)節(jié)”所造成的進氣節(jié)流損失過高的弊端。4)采用均質(zhì)混合氣燃燒,理論上不會生產(chǎn)炭煙。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法1.提高進氣溫度進氣溫度是影響HCCI燃燒最顯著的參數(shù),也是被研究最多的參數(shù)。一般采用電加熱的方法控制進氣溫度,在初期的許多基礎研究中最常用的就是這種方法。當發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,

6、為了保證合理的燃燒相位,進氣溫度也要相應快速變化以保證最佳的著火時刻,而進氣加熱方法難以適應這種頻繁變工況的車用發(fā)動機。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法2.提高壓縮比提高壓縮比可以提高壓縮終點混合氣溫度,使汽油混合氣自燃。汽油機若實現(xiàn)壓縮自燃,壓縮比一般需要提高到1518,甚至更高,但是能形成低負荷穩(wěn)定燃燒的壓縮比往往會造成高負荷時的爆燃。因此,一般將壓縮比提高到1112,同時引入一定量的EGR對進氣進行加熱,使壓縮終點的缸內(nèi)溫度達到汽油自燃的條件。最理想的方法是實現(xiàn)可變壓縮比,但是目前尚未有實用技術。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法

7、3. EGR在汽油機HCCI燃燒過程中,EGR的主要作用有兩方面,一是與EGR的高溫相聯(lián)系,它提高了全部進氣溫度和壓縮終點溫度,以利于汽油的自燃著火;二是利用廢氣中包含的不活性成分控制燃燒速度不過高,以實現(xiàn)低溫燃燒。同時,EGR也可以使進氣中的新鮮充量降低,稀釋了混合氣的濃度,有效減緩燃燒速度。但僅靠外部EGR提高進氣溫度的能力是有限的,而內(nèi)部EGR可以大幅度提高缸內(nèi)溫度。 用負氣門重疊(Negative Valve Overlap,NVO)的方法可以實現(xiàn)內(nèi)部EGR。對比圖10-2中傳統(tǒng)配氣相位和負氣門重疊相位可知,負氣門重疊是通過排氣門早關、進氣門晚開的方法,形成不充分排氣,使氣缸內(nèi)殘留一定

8、量的高溫廢氣。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法3. EGR圖10-2配氣相位圖a)正重疊(PVO)b)負重疊(NVO)第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法4.活化氛圍在負氣門重疊期間,由于活塞上行壓縮廢氣,缸內(nèi)溫度再次升高,此時如果向缸內(nèi)噴入少量燃油,在高溫缺氧的情況下燃油會發(fā)生不完全氧化反應,生成大量的CO、H2、OH(羥基)、CH2O(甲醛)以及過氧化物等活性成分或反應中間產(chǎn)物,這些成分會使隨后的著火變得容易。這種控制HCCI著火的方式稱為活化氛圍法(又稱燃油改質(zhì))。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法5.混

9、合氣分層根據(jù)著火的基本理論可知,任何燃料都是在混合氣濃度為化學當量比附近最容易著火。對于以稀燃為主的HCCI汽油機在中小負荷時,可以采用缸內(nèi)直噴系統(tǒng)進行兩段或多段噴油,以形成濃度分層的混合氣。這些研究結(jié)果表明,用分層混合氣可以控制HCCI燃燒速率。但為防止過濃混合區(qū)產(chǎn)生炭煙,濃混合氣區(qū)也應該盡量均勻。分層混合氣為汽油機HCCI著火和燃燒提供了更多的選擇,是HCCI研究進程中的一次重要思路拓展。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒二、汽油機HCCI燃燒的主要控制方法6.火花點火輔助HCCI本來的概念是“自燃”,但在一些研究中發(fā)現(xiàn)火花點火輔助可以提高某些工況下HCCI的著火穩(wěn)定性。同時,試驗研究結(jié)果表明,當

10、可燃混合氣被壓縮至接近臨界著火狀態(tài)時,用火花點火首先產(chǎn)生局部區(qū)域的著火和燃燒,由此放出的熱量會引起其余混合氣的后續(xù)自燃著火,因此,火花點火有可能是一種控制汽油HCCI著火的有效手段。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒三、汽油機HCCI燃燒實例1.清華大學的ASSCI燃燒系統(tǒng)清華大學在多年研究基礎上,于2005年開發(fā)了分層混合氣火花輔助燃燒系統(tǒng)ASSCI(Assisted Spark Stratified Compression Ignition)。該燃燒系統(tǒng)是在GDI發(fā)動機基礎上通過多次噴射與負氣門重疊(NVO)以及火花點火相結(jié)合,可根據(jù)工況不同分別實現(xiàn)完全的HCCI燃燒、活化氛圍燃燒(RCCI)、分

11、層混合氣控制燃燒(SCCI)及火花點火輔助壓燃(SICI)等多種汽油機自燃著火燃燒方式,其中NVO是通過一個循環(huán)內(nèi)完成切換的雙凸輪系統(tǒng)實現(xiàn)的,這就使HCCI燃燒模式與傳統(tǒng)SI燃燒模式能夠快速切換。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒三、汽油機HCCI燃燒實例2.天津大學的4VVAS雙模式燃燒系統(tǒng)天津大學的4VVAS(4 Variable Valve Actuation System)系統(tǒng),采用進排氣氣門升程(0.39.5mm)及正時機構(gòu)(60A 范圍內(nèi))連續(xù)獨立可變技術,控制缸內(nèi)殘余廢氣率及廢氣分層,從而實現(xiàn)在HCCI模式運行的邊界區(qū)域上HCCI/SI模式之間的過渡,使發(fā)動機繼續(xù)輸出穩(wěn)定的功率。樣機試驗

12、結(jié)果表明,HCCI的運行轉(zhuǎn)速可以達到4500r/min,最大平均指示壓力(IMEP)可以達到0.520MPa,可以覆蓋轎車主要的常用工況。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒三、汽油機HCCI燃燒實例3. AVL公司的CSI燃燒系統(tǒng)AVL公司在2003年開發(fā)了壓縮-火花點火CSI(Compression and Spark Ignition)燃燒系統(tǒng),它是壓燃和火花點火兩種燃燒模式的組合,即部分負荷時采用HCCI燃燒,高負荷時采用均質(zhì)混合氣火花點火燃燒。其試驗樣機特征為四缸發(fā)動機,GDI噴油系統(tǒng)兩次噴射,火花塞布置于篷形燃燒室的頂部中央,壁面引導式燃燒室凹坑,帶分缸獨立控制的發(fā)動機管理系統(tǒng)。其最大特點是

13、采用電控液壓執(zhí)行器控制排氣門實現(xiàn)二次開啟,使排氣道內(nèi)廢氣在進氣行程中被回吸入氣缸,形成內(nèi)部EGR效應。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒四、汽油HCCI發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化的技術難題1.著火時刻難以控制盡管已經(jīng)開發(fā)了上述各種控制方法,但是汽油HCCI的穩(wěn)定著火和著火時刻控制仍比傳統(tǒng)汽油機困難,且控制精度也需要進一步提高。2.大負荷燃燒速率難以控制目前HCCI發(fā)動機在中低負荷下的運行效果較好。較高的壓縮比和多點自燃著火使得HCCI汽油機大負荷時容易出現(xiàn)粗暴燃燒和爆燃,同時過高的燃燒速率也會使得燃燒溫度升高,引起NOx排放的大幅度增加。第二節(jié)汽油機的HCCI燃燒四、汽油HCCI發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化的技術難題3. 低負荷時

14、HC和CO排放過高因為燃燒溫度不高以至于缸壁附近的燃油不能很好地燃燒,另外在中低負荷下由于混合氣很稀,壁面附近溫度較低,CO不能完全氧化成CO2,導致HC和CO排放升高。4.運行工況范圍窄經(jīng)過多年的研究,汽油HCCI燃燒仍然受限于負荷范圍這一難題,目前汽油機HCCI燃燒模式可運行的工況范圍大約為pme0.5MPa、n3500r/min(基本覆蓋了輕型車和轎車最常用的工況)。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒一、柴油機HCCI燃燒的基本原理圖10-3是柴油機HCCI研究過程中常用的缸內(nèi)燃空當量比與溫度(-T)的關系圖,該圖給出了混合氣濃度及溫度T對Soot(炭煙)和NOx排放物生成的影響。圖10-3柴油

15、機燃燒的-T關系圖第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法 形成均質(zhì)混合氣是柴油機HCCI燃燒控制的第一步。在早期,國外研究人員首先進行的是缸外預混合柴油HCCI研究工作。柴油機上形成均質(zhì)混合氣的方法主要是缸內(nèi)早噴,使燃油有充分的時間蒸發(fā)混合;缸內(nèi)晚噴,采取預冷高EGR率等措施大幅度延長滯燃期,以形成均質(zhì)混合氣。和汽油HCCI燃燒方式控制一樣,人們現(xiàn)在不再強調(diào)混合氣的絕對均質(zhì),而是開始采用混合氣分層技術來控制柴油機的HCCI燃燒過程。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法1.缸內(nèi)早噴HCCI柴油機的噴油提前角要遠大于傳統(tǒng)柴油機,使得燃油撞壁現(xiàn)象嚴重

16、,導致排放增加,油耗上升。大量濕壁燃油也會稀釋附著在缸壁上的潤滑油,使摩擦損失增大,發(fā)動機磨損加劇。缸內(nèi)早噴HCCI系統(tǒng)成功應用于產(chǎn)品的典型代表是豐田公司在1995年開發(fā)出的UNIBUS(Uniform Bulky combustion System)系統(tǒng)。該系統(tǒng)大幅度提前噴油時刻,采用噴霧錐角為60的軸針型噴嘴,以形成貫穿距離小、噴霧范圍大、油粒細而均勻的噴霧。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法2.缸內(nèi)晚噴柴油機缸內(nèi)晚噴HCCI燃燒的典型實例是1996年日本Nissan公司的MK(Modulated Kinetics)燃燒系統(tǒng),其主要特點是大幅度推遲噴油時刻至上止

17、點附近、利用高達45%的冷卻EGR(氧氣濃度顯著下降至15%)以及減小壓縮比從而降低缸內(nèi)溫度和延長著火滯燃期;采用大負荷渦流比為10(中小負荷渦流比為35)的強進氣渦流、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)等技術措施提高油氣混合速率。EGR在這里不僅是推遲和控制著火延遲期長度的手段,而且是控制燃燒速度和燃燒溫度以抑制NOx生成的對策技術。圖10-4給出了實現(xiàn)MK燃燒過程的主要技術路線和排放降低效果,NOx降低到原機水平的1/12左右,炭煙由2BSU降至幾乎為0,HC也降低了50%。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法2.缸內(nèi)晚噴圖10-4MK燃燒的技術路線和排放降低效果第三節(jié)柴油機的

18、HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法2.缸內(nèi)晚噴圖10-5給出了MK燃燒過程的示功圖與燃燒放熱率。原機的放熱率呈現(xiàn)傳統(tǒng)柴油機初期放熱率高以及預混合擴散兩階段燃燒的特征(圖10-5b中c點為分界點)。圖10-5MK燃燒與傳統(tǒng)柴油機燃燒的對比第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法3.混合氣分層早期的HCCI技術強調(diào)均質(zhì)的概念,但隨著研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)在HCCI燃燒過程控制中,先進的混合氣分層控制策略比簡單的“均質(zhì)混合氣”更為重要。適當?shù)幕旌蠚夥謱涌梢允笻CCI在低負荷工況下的燃燒更穩(wěn)定,有利于HCCI向小負荷工況擴展,同時分層也可以降低高負荷工況下的最大壓

19、力升高率,有利于HCCI 向大負荷工況擴展。混合氣全歷程的濃度、組分和熱分層控制是HCCI在寬廣的負荷工況范圍內(nèi)實現(xiàn)高效清潔燃燒的關鍵。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法3.混合氣分層(1)低溫燃燒LTC研究表明(見圖10-3),當缸內(nèi)燃燒溫度低于1650K時,無論當量比如何,燃燒都會避開NOx和炭煙的生成區(qū)域,即幾乎可以實現(xiàn)NOx和炭煙的零排放?；诖怂枷?柴油機LTC采用大比例EGR率(60%)大幅度降低燃燒溫度,使炭煙和NOx同時遠離生成區(qū)域。LTC相對于HCCI可以工作在混合氣較濃的條件下,因此可以在更大工況范圍內(nèi)實現(xiàn)低NOx和炭煙排放。第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法3.混合氣分層(1)低溫燃燒LTC 由于高比例EGR稀釋導致局部當量比較高,同時存在大量低溫區(qū)域且燃燒溫度低于CO被氧化的溫度閥值,導致CO和THC比排放惡化,燃燒效率急劇下降導致熱效率降低,使NOx-Soot之間傳統(tǒng)固有的trade-off關系轉(zhuǎn)化為Soot-BSFC之間的trade-off關系(見圖10-6)。圖10-6EGR區(qū)間的劃分及高比例EGR對柴油機的影響第三節(jié)柴油機的HCCI燃燒二、柴油機HCCI燃燒的主要控制方法