將汽油以柴油的壓燃方式點(diǎn)著有多難

在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車地位受到新能源汽車沖擊的大環(huán)境下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)要想具有競(jìng)爭(zhēng)力需要追求燃燒過(guò)程的極致。目前，傳統(tǒng)的燃燒方式為汽油點(diǎn)燃（SI）和柴油壓燃（CI）。汽油SI需要提前將汽油以化學(xué)當(dāng)量比在燃燒室內(nèi)進(jìn)行預(yù)混合后，再由火花塞點(diǎn)燃；而柴油CI則是在高壓縮比下，待活塞運(yùn)行至接近上止點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)燃油噴射，是一邊噴射一邊燃燒的擴(kuò)散燃燒。無(wú)論汽油SI還是柴油CI都會(huì)產(chǎn)生較高的氮氧，但不同的是汽油SI可采用三效催化器同時(shí)去除排氣中的氮氧、碳?xì)浜鸵谎趸迹欢裼虲I產(chǎn)生的氮氧和碳煙顆粒則需要付出較大的代價(jià)去除。另一方面，汽油SI雖然燃燒較為清潔，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到柴油CI那樣高的熱效率。那么，是否存在一種既清潔、熱效率又高的燃燒方式呢？有關(guān)這一問(wèn)題的探索，最著名的是均質(zhì)充量壓燃（HCCI）燃燒，即以均勻混合的汽油作為燃料，以CI的方式進(jìn)行著火。1.汽油壓燃的困境將汽油這種燃點(diǎn)高的燃料CI需要很高的初始溫度；而要想燃燒過(guò)程不產(chǎn)生氮氧化合物，則需要很低的燃燒溫度。因此，HCCI燃燒往往需要很大比例的高溫殘余廢氣參與，在加熱初始混合氣的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行稀釋，以限制燃燒溫度。

而高溫殘余廢氣的參與意味著HCCI燃燒的負(fù)荷會(huì)受到很大程度的限制：

負(fù)荷較高時(shí)，殘余廢氣不足可能導(dǎo)致初始溫度不夠而失火，或稀釋效果下降造成排氣中的氮氧以及壓升率過(guò)高；負(fù)荷極低時(shí)，燃燒溫度過(guò)低可能導(dǎo)致殘余廢氣的熱量不足以實(shí)現(xiàn)汽油壓燃（GCI），從而造成失火。

針對(duì)高負(fù)荷存在的問(wèn)題，目前研究中多采用推遲噴射、多次噴射、冷廢氣再循環(huán)、進(jìn)氣增壓等策略；針對(duì)低負(fù)荷存在的失火問(wèn)題，目前研究中多采用進(jìn)氣增加、進(jìn)氣加熱、負(fù)氣門重疊（NVO）、燃油分層、燃油活性添加劑等策略。但是，若考慮發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的情況，進(jìn)氣增壓和進(jìn)氣加熱顯然難以實(shí)施；NVO幾乎也是GCI或HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷燃燒的標(biāo)配；燃油活性添加劑會(huì)給實(shí)際使用增加額外的負(fù)擔(dān)，同時(shí)還可能會(huì)對(duì)高負(fù)荷的工作帶來(lái)不良影響。因此，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的GCI發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速燃燒是一個(gè)仍待研究的課題。此外，在完全沒(méi)有熱機(jī)的情況下，如何快速地實(shí)現(xiàn)GCI發(fā)動(dòng)機(jī)的著火也是一個(gè)尚未解決的問(wèn)題。有學(xué)者提出，既然直接冷機(jī)著火困難，那么先按傳統(tǒng)的汽油SI熱機(jī)，再切換到GCI即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火。但是，若想采用汽油SI，那就需要為發(fā)動(dòng)機(jī)增加火花塞、點(diǎn)火線圈、節(jié)氣門等部件，并且在燃燒模式切換時(shí)需要保障氣門型線、節(jié)氣門位置、點(diǎn)火時(shí)刻、燃油噴射的協(xié)同。僅僅為了實(shí)現(xiàn)冷機(jī)啟動(dòng)而付出如此大的代價(jià)并不值得。2.實(shí)驗(yàn)中的NVO策略要想實(shí)現(xiàn)冷機(jī)著火，首先需要實(shí)現(xiàn)在常溫常壓下的穩(wěn)定燃燒，即在進(jìn)氣溫度、壓力、冷卻液溫度為環(huán)境狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火，并通過(guò)該狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)所述狀態(tài)下的冷機(jī)著火，本研究對(duì)三種噴油策略開(kāi)展了研究：NVO策略（即在負(fù)氣門重疊期間噴油），HCCI策略（即在進(jìn)氣開(kāi)始時(shí)噴油，獲得均質(zhì)燃油），PPC策略（即在壓縮行程噴油，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)娜加头謱樱?

實(shí)驗(yàn)中的噴油策略與氣門的相對(duì)關(guān)系在進(jìn)氣溫度、壓力保持環(huán)境狀態(tài)，冷卻液溫度為65°C時(shí)，三種噴油策略在低負(fù)荷下均可保持穩(wěn)定燃燒；但當(dāng)冷卻液溫度降低至常溫25°C時(shí)，HCCI和PPC策略均出現(xiàn)了失火的燃燒循環(huán)，唯獨(dú)NVO策略還能保持穩(wěn)定燃燒，其原因是NVO策略改變了燃燒室內(nèi)燃油的活性和成分。

不同噴油策略和冷卻液溫度條件下最大壓力和相應(yīng)曲柄角的分布NVO策略使得燃油在高溫殘余廢氣的作用下發(fā)生了低溫反應(yīng)，從而在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了大量的高活性小分子，如H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、CH2O等。這些高活性小分子大大提高了燃料的著火特性，對(duì)穩(wěn)定燃燒相位、提升穩(wěn)定性有巨大的作用。然而，NVO策略對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出具有負(fù)面作用：其在負(fù)氣門重疊期間噴入的燃料參與的化學(xué)反應(yīng)增加了散熱損失，同時(shí)，提前的燃燒相位對(duì)功率輸出也有不利的影響。NVO策略適合提升發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)怠速工況，但不利于功率輸出。在選擇最適合冷機(jī)啟動(dòng)的噴油策略后，研究人員進(jìn)一步探索了實(shí)現(xiàn)冷機(jī)啟動(dòng)的策略。結(jié)果表明，在進(jìn)氣、冷卻液均為常溫的條件下，不采用額外的輔助措施無(wú)法實(shí)現(xiàn)GCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火。因此，本研究采用最為常見(jiàn)的進(jìn)氣加熱輔助著火。當(dāng)進(jìn)氣溫度增加至55°C時(shí)，可在4個(gè)循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷機(jī)的穩(wěn)定著火。這一啟動(dòng)速度在實(shí)際使用中也較為可觀。?

采用NOV策略時(shí)，GCI發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中的進(jìn)氣預(yù)熱對(duì)平均有效壓力及燃燒質(zhì)量為50%時(shí)曲柄角軌跡的改變。冷卻液溫度：25°C；燃料供應(yīng)：12毫克每循環(huán)。在冷機(jī)啟動(dòng)的第一個(gè)著火循環(huán)中，存在輕微的壓力震蕩，在隨后的燃燒循環(huán)中，壓力震蕩逐漸消失。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中都存在負(fù)氣門重疊，即從著火到穩(wěn)定的過(guò)程伴隨著殘余廢氣從0到逐漸趨于穩(wěn)定的過(guò)程，因此才存在壓力震蕩逐漸減小的趨勢(shì)。從第5個(gè)燃燒循環(huán)開(kāi)始，燃燒過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定，在進(jìn)氣加熱的輔助下，整個(gè)冷機(jī)啟動(dòng)過(guò)程完成，在移除進(jìn)氣加熱的輔助后，保持穩(wěn)定燃燒。本研究通過(guò)將負(fù)氣門重疊、負(fù)氣門噴油和進(jìn)