清洁汽车技术HCCI：大有前途，颇多挑战

　未来欧Ⅵ之后，国内外专家普遍认为，汽车业将不再提升有毒物质排放标准，但将加严CO2排放标准，亦即加严燃油消耗标准。均质充量压缩着火(HCCI，HomogeneousChargeCompressionIgnition)燃烧技术--一种不用后处理就能完全解决汽车柴油机氮氧化物NOX和颗粒PM排放问题的最有潜力的技术，愈来愈受到业内研发人员的重视。据悉，奔驰、曼、斯堪尼亚、沃尔沃等国外商用车巨头都在投巨资研发该技术，其中曼甚至称最快有望在欧Ⅵ实施时推出含该技术的产品。不过，业内多数研究机构认为该技术成熟至少应在2015年后。 
　　一、HCCI控制发动机排放的基本原理
　　HCCI，亦称可控自燃着火(CAI，ControlledAutoIgnition)，它是指大量燃料和稀释物(空气和再循环废气等)在进气过程中预先混合成均质混合气，当压缩行程活塞运动到上止点附近时，均质混合气自燃着火的一种燃烧过程。
　　HCCI燃烧方式结合了柴油机压燃和汽油机均质混合气点火燃烧的特点，基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高热效率；与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低(低于2000K)，NOx排放很低，几乎没有PM排放。传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定。在这种类型的燃烧中，混合气和温度分布都极不均匀，扩散火焰外壳的高温区易产生NOx，内部高温缺氧区易产生PM。而HCCI通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加热和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力，促使混合气压缩自燃，在缸内形成多点火核，有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关。
　　大多数燃料的HCCI燃烧表现出独特的二阶段放热：第一阶段放热和主放热阶段。第一阶段放热与低温动力学反应有关，此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热和主放热之间有一个时间延迟，延迟时间主要由这些反应的负温度系数现象（NTCR，NegativeTemperatureCoefficientRegime，即温度升高，反应变慢）来决定。用光学诊断的方法来研究HCCI的燃烧过程发现第二阶段燃烧即主放热阶段是多点同时进行的，一旦着火，混合气迅速燃烧，没有可视火焰传播，一般认为HCCI的完全燃烧仅由化学动力学控制，没有一般燃烧中的流动，但由于局部仍存在不均匀物质，从而也有局部波动现象。
　　HCCI燃烧方式的出现，有效地解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。HCCI燃烧方式可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，不受燃油和氧化物分离面混合比的限制，也没有点火式燃烧的局部高温反应区，因此可以同时降低NOX和PM；另外由于HCCI燃烧只与本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃料氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响较小，同时均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。HCCI的优点还包括它的燃料灵活性高，它能使用包括汽油、柴油、天然气、液化石油气(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多种燃料，而柴油HCCI发动机能够继续利用现有的加油和服务设施，无需增加新型燃料的加注设施，因此，以柴油为燃料的HCCI发动机的研发和应用正逐渐受到国外汽车企业的高度重视。如前面提到的曼、斯堪尼亚等商用车巨头，都在投巨资研发HCCI技术以应对欧Ⅵ法规的到来。
　　二、柴油均质预混合气形成方式
　　均质混合气的形成是实现对HCCI燃烧控制的第一步。国际上采用的柴油均质预混合气方式包括：进气道缸外预混、缸内早喷和晚喷。
　　（1）缸外预混HCCI
　　即在进气冲程把柴油喷入进气道，与空气混合形成预混合气。采用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提高混合气均匀度的一个相对简单的方法。但要求较高的进气温度来促进柴油的蒸发，需要安装加热装置和进气道燃油喷射系统，并且不利于柴油机冷启动。早期的研究中多采用这种方法制备混合气，最早进行研究的美国西南研究院曾采用这种方式引入混合气，燃料在进气道喷出后与空气混合形成均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸内压缩、着火。柴油由于挥发性较差以及壁面撞击，采用此法将导致较高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。
　（2）缸内早喷HCCI 
　　该方式是目前普遍采用的柴油HCCI预混合气形成方式。即在压缩冲程的早期，柴油被喷入气缸，随活塞上行逐步与空气混合，直至发生自燃着火。由于柴油密度大，而压缩冲程早期缸内空气密度较小，高密度的柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大，因而燃油撞壁现象严重，这会降低燃油的雾化与混合程度，进而导致排放增加、油耗上升等问题。
　　为了改善燃料的雾化与混合，柴油机HCCI喷油提前角远大于传统柴油机，使柴油与空气在着火前充分混合。另外，改进喷油器设计、改变燃烧室形状、适当组织缸内气流等方法均能在一定程度上改善柴油的雾化与混合。缸内柴油早喷成功应用于产品的典型代表是日本丰田公司的UNIBUS燃烧系统。与缸外预混柴油HCCI相比，早喷柴油HCCI具有以下2个优点。
　　其一，压缩冲程气缸内的温度和压力高于进气门开启时进气道内的温度和压力，有助于柴油的雾化和混合。压缩冲程早期喷油，降低了对进气温度的要求，减少了混合气爆燃的倾向。
　　其二，采用压缩冲程早期喷油方案，可以只需要一套供油系统满足HCCI和传统直喷柴油两种方式。
　　（3）缸内晚喷HCCI
　　在接近上止点或在上止点之后，把柴油喷入气缸，同时采用大量预冷的EGR、加强涡流和降低压缩比等措施实现点火延迟，使柴油着火恰好发生在喷射结束之后。尽管缸内晚喷形成的油气均匀度不如进气道喷射和缸内早喷均匀，但NOx和PM排放仍然低于传统柴油机。柴油机缸内晚喷HCCI燃烧的典型代表是日本Nissan公司的MK(ModulatedKinetics)系统。MK系统通过推迟喷油(上止点后3°)，大EGR率（使氧浓度降到15％～16％）延长滞燃期，使喷油完全在滞燃期内完成，形成预混合气。为了提高混合率，MK发动机的涡流比提高了，并优化燃烧室设计加快油气混合。在MK燃烧的负荷范围内，NOx可降低90％以上，烟度低于1个Bosch单位。采用MK系统的发动机在1998年被投入批量生产进入日本市场。
　　三、柴油机HCCI燃烧的主要影响因素
　　（1）进气温度及其流速
　　HCCI燃烧的着火时刻对进气温度十分敏感，随着进气温度的提高，将出现着火提前的现象，因此，控制缸内温度将是控制HCCI燃烧着火时刻的一个关键因素。一般通过调节进气温度控制HCCI燃烧以及着火始点。
　　在进气管加装进气加热装置、引入废气再循环（EGR）可以提高进气温度，国外多家公司对四冲程柴油机做的HCCI研究就是通过废气再循环后的电加热装置实现对混合气加热的。试验研究了空气流速和进气温度对发动机的影响，随着进气温度或空气流速的增加，燃烧效率增加，HC和CO排放降低；在低温、低流速区，各缸压力相对变化较小，在某一特定的温度条件下，各缸的着火时刻相差很大，温度很低时，甚至出现一缸着火而另一缸熄火现象；考虑到怠速工况的HC和CO排放，可以采用低流速和高进气温度的措施来提高燃烧效率；对于大负荷工况，平均有效压力随进气温度降低而增加，而为了提高效率增大功率输出，必须对各缸进行反馈控制以优化各缸燃烧相位；在进气歧管喷水可降低混合气的温度，从而降低压缩冲程缸内的温度，推迟着火时刻，并且能够降低燃烧速度和峰值压力，增大HCCI在大负荷时的运转工况范围；进气加热装置所需的电压较高，并且装置本身体积很大，只适合于在试验室进行基础研究；喷水会导致HC和CO排放的增加，对NOx的控制作用却很小，阻碍了这种方法的应用。
　　（2）废气再循环（EGR）
　　EGR能提高进气温度，改变混合气的着火特性，从而影响着火时刻。引入废气再循环的目的还在于它稀释了混合气的浓度，能有效减缓燃烧速度，降低燃烧噪声，为大负荷区HCCI燃烧控制提供了一种有效手段。同时，废气再循环能够回收一部分废气的能量。当EGR率小于30％时，氧浓度的下降并不足以影响燃烧，此时废气再循环对控制着火始点的作用很小。研究表明，废气再循环推迟了着火时刻，提高了指示效率，降低了未燃HC的排放量，同时，排气温度增加，可以利用氧化催化装置来氧化未燃HC。与汽油机HCCI燃烧相比，柴油机HCCI燃烧更容易实现，在传统柴油机上，因其压缩比较高，将空燃比和EGR率控制在一定的范围内，接近室温即可成功实现柴油机的HCCI燃烧。柴油机HCCI运转工况范围受敲缸、失火及较低的平均有效压力值的限制，但比汽油机HCCI燃烧达到敲缸时的空燃比大。低温反应的自燃时刻受EGR率的控制，而主放热阶段的开始时刻则受空燃比影响较大。
　（3）气门正时 
　　改变配气正时可以改变缸内残余废气量和缸内温度，减小气门重叠期，使缸内残余废气量增大。残余废气的高温有利于燃料的蒸发，形成均质混合气，同时较高的缸内温度又会使HCCI燃烧的着火时刻提前，从而容易造成大功率状态下工作粗暴，并引起最大输出功率下降。从实验结果可以看出，内部EGR（可变气门正时）的温度效应大于其对混合气的稀释，对于柴油机这种容易发生低温自燃的燃料，减小气门重叠期易造成大负荷时着火过于提前，限制了最大输出功率。在小负荷工况范围内，较小的气门重叠期有利于HCCI燃烧的稳定性；在大负荷工况范围内，较小的气门重叠期不利于HCCI燃烧的稳定性。
　　（4）压缩比
　　压缩比是另一个影响燃烧效率较大的因素，改变压缩比可以改变混合气的密度和压力，从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位。在利用可变压缩比控制HCCI方面，Lund技术学院试验结果表明，压缩比对燃烧效率的影响很大，压缩比增加则热效率增加，而燃烧效率减小。研究还发现，高压缩比可替代进气预热。当压缩比高达17∶1时，绝对有效效率上升，NOx排放下降，但是因为反应时间缩短，CO排放增加。该试验HCCI的可实现转速范围为1000～5000r/min，负荷范围处于怠速和0.44MPa平均有效压力之间。随着压缩比提高，稳定HCCI燃烧所需的热EGR率降低，因此用冷EGR配合高压缩比可以控制燃烧速度，从而扩大HCCI运转工况范围。
　　（5）负荷
　　HCCI柴油机运行在低负荷工况时，循环供油量小，混合气浓度稀，而反应物浓度是影响燃烧反应的一个重要因素，加之此时缸内温度较低，使HCCI燃烧的着火时刻显著推迟，甚至出现失火现象。在出现失火循环后，后继循环爆发压力往往突然升高，这是由于失火循环残余的部分燃油在缸内，导致下一循环油量增加，引起爆发压力突增。
　　HCCI柴油机运行在高负荷时，循环供油量大，此时缸内温度高，混合气浓度大，使燃烧反应的速度加快，从而容易引起着火过于提前的现象。过快的燃烧速度将造成压力升高率迅速增大，并出现燃烧压力振荡现象。燃烧粗暴时，相关的噪声、振动和冲击负荷增大，容易造成发动机零部件损坏，同时NOx的排放也急剧升高，限制了HCCI燃烧的负荷扩展。
　　四、国外HCCI的研究及应用现状
　　柴油HCCI燃烧过程的研究始于上世纪90年代中期。美国西南研究院(SWRI，SouthwestResearchInstitute)最先在柴油机上开展"缸外预混稀燃"研究，即在进气冲程把柴油喷入进气道，使之与空气混合形成预混合气。这种方式与传统的气道喷射汽油机类似，是形成预混合气最简便、最直接的方法，也是最容易实现的方法。试验装置示意图如图1所示。由该图可见，利用类似于汽油机进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中，为了使柴油和空气加速混合，还采用了进气管加热和EGR。预混的稀混合气经压缩后多点着火，消除了扩散燃烧，稀薄混合气降低了火焰温度，可使NOX排放比普通柴油机减少98％，由于气缸内不存在局部混合气过浓区，可使PM的排放减少27％，指示热效率也有所改善。

　1992年，西南研究院研究者首次在实用的1.6LVW发动机上研究了HCCI，使发动机的工作负荷范围从14％拓宽到34％。1996年，研究者又采用缸外预混的方法在柴油燃料HCCI燃烧过程的研究方面取得了突破性的进展，研究发现，HCCI运行工况对EGR率、压缩比和空燃比依赖很大，可接受的、不发生爆震的HCCI工况被限制在了很小的参数范围内。1997年，研究者进行了柴油燃料HCCI燃烧过程的研究，他们发现，在压缩比为8~13:1的范围内，能否获得满意的HCCI运行工况与进气温度和EGR率密切相关；为了减少柴油在进气道壁面上的附着，进气温度必须达到135~205℃；在HCCI燃烧工况和适当的进气温度范围内，NOX和PM排放几乎降至零，但是HC排放量非常高，导致燃烧效率很低；与直喷式柴油燃烧方式相比，燃油消耗率平均增加了28%；此外，他们还发现，即使采用较低的压缩比，燃烧始点仍然非常靠前。

　　1999年，日本交通安全研究院提出了HCDC缸外混合的燃烧方案。该方案是利用一个喷油压力为5MPa的汽油直喷式喷油器，在进气冲程60°ATDC向进气道预喷射柴油，形成预混合气，然后再利用高压电控喷油器在压缩上止点附近进行主喷射。试验结果与其它缸外预混合柴油HCCI的研究结果相似，存在预混合气的过分早燃和爆震燃烧。为了抑制早燃，他们采用减少进气道喷射燃油量的方法使预混合气变稀，并通过优化压缩上止点附近（小于15°BTDC）的主喷射来控制燃烧过程，但效果不明显。而在柴油中加入50%的MTBE(甲基叔丁基醚)后，能够避免预混气体在上止点附近的主喷射结束前发生自燃着火，实现了对着火过程的控制。

　　2002年，美国西南研究院提出一种混合模式柴油HCCI燃烧系统，其原理与HCDC缸外混合的燃烧方案基本相似。实验结果显示，发动机转速在1600～3000r/min，通过改变进气条件（压力和温度），平均指示压力可以达到最大4.7bar，同时可以获得很低的NOX和PM排放，分别小于4×10-6和0.02FSN，但HC和CO排放较高。

　　同期，日本新ACE研究院采用了柴油机缸内早喷HCCI燃烧方案，即在压缩冲程早期喷油，并提出了柴油机HCCI燃烧的PREDIC（PremixedleanDieselCombustion）燃烧方式。随后，为了扩展HCCI运行工况范围，又提出了MULDIC（MultiplestageDieselCombustion）燃烧方式。在预混燃烧阶段，为了避免缸内早期喷射油束撞壁，MULDIC系统采用了特殊的喷嘴和喷油器布置方案，即用2个侧置喷油器向气缸中心对喷，利用油束的碰撞减小贯穿度。在燃烧的第二阶段，即上止点附近，布置在气缸中心的喷嘴喷油，从而提高发动机的功率输出。试验结果表明，NOX排放可大幅降低，但HC排放仍然较高。

　　日野公司的Hcimics（Homogeneouschargeintelligentmultipleinjectioncombustionsystem）缸内早喷HCCI方案，采用高压共轨燃油喷射系统，30％的燃油在30°BTDC前喷入气缸作为预混合燃油量；70%的燃油在压缩上止点附近喷入缸内。同时，为了避免早喷燃油撞壁，采用了特殊喷油器喷嘴：喷孔数30，直径0.1mm，三种喷雾锥角分别为12×155°、12×105°、6×55°。此外，还采用热EGR和在燃料中也加入了MBTE。试验结果显示，NOX排放降低了一半，HC排放降低了1/3，PM排放几乎为零，燃油经济性也得到改善。

　　三菱汽车公司的PCI（PremixedCompression-IgnitedCombustion）缸内早喷HCCI方案，专门设计了一种碰撞油束喷嘴，以减少油束碰壁。方案中两个相互干涉的油束，碰撞后能够有效的降低贯穿度。采用这种碰撞油束喷嘴的实验结果显示，在保持较低的NOX排放同时，HC排放下降500ppm以上，PM排放接近零，油耗也有所降低。

图2：UNIBUS系统控制策略示意图

　其中多脉冲喷射定时、多脉冲喷射次数、各脉冲宽度和脉冲间隔均可独立、灵活调节，通过调整这些参数，可以控制预混合的形成过程，包括防止燃料在缸壁的粘附，控制混合气的温度和浓度分层，进而控制自燃着火速率、燃烧相位、放热率。主喷射定时通常选择在3、6、8和10°ATDC。主喷射燃料在BUMP燃烧室高混合率作用下，形成"稀扩散燃烧"。MULINBUMP系统是在多脉冲喷射下形成的预混燃烧与BUMP燃烧室内的稀扩散燃烧的结合。前者能够大幅度降低NOX和PM排放，后者可以把前者产生的大量的HC和CO触发进一步燃烧，降低了发动机HC和CO排放，同时燃烧效率大大提高。这种柴油机HCCI复合燃烧技术，可显著扩展发动机负荷范围，目前复合燃烧IMEP可达0.93MPa。随后，又在前期BUMP燃烧室研究的基础上提出了一种能大幅提高燃烧后期混合率的导流沿形燃烧室。该燃烧室的导流、突变结构形成的二次射流在缸内诱导出一对旋向相反的涡团，消除壁面浓区，中后期燃烧得以强化，碳烟（Soot）的氧化过程增强，相比原始ω燃烧室，PM的排放下降了55％。

　　2004年，上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室开发了可变进排气正时控制机构，实现气门正时的调节，采用在进气上止点前进行柴油燃料的喷射，利用缸内残余高温废气余热加速燃油蒸发，实现了柴油燃料的HCCI燃烧，同时，研究了不同气门重叠期下HCCI燃烧的燃烧特性，不同负荷的工作稳定性和排放特性。结果表明，对于低温自燃性好的柴油燃料，排气门早关和进气门晚开引起的缸内温度升高比由此引起的残余废气增加对工质的稀释效果更大，使HCCI燃烧的着火始点提前，易引起大负荷工况HCCI燃烧的工作粗暴，但有利于小负荷工况HCCI燃烧的工作稳定性。2005年，他们继续研究了内部EGR和外部EGR模式对柴油燃料HCCI燃烧的影响，实验发现，随着内部EGR率的增大，HCCI燃烧的着火始点提前，在相对较小的负荷下，-40°CA气门重叠期的着火始点比-20°CA气门重叠期的着火始点提前5～7°CA，内部EGR的加热作用大于其对混合气的稀释作用；内部EGR增大有利于均质混合气的形成，使柴油燃料HCCI燃烧的烟度排放减小，但使低NOX排放的负荷范围减小；外部EGR起到了推迟着火始点的作用，是一种有效的扩展运行范围负荷上限的方法。

　　六、HCCI柴油发动机商业化面临的挑战及发展前景展望

　　目前，在商业化车载柴油机上实现HCCI及其衍生技术面临着诸多困难和挑战，其主要表现在以下几个方面：

　　（1）着火时刻的控制问题

　　目前缺乏直接有效的手段控制HCCI燃烧速率和着火时刻，燃烧相位控制只能通过间接的方法进行。HCCI燃烧的着火时刻主要受到混合气本身化学反应动力学的影响，受负荷、转速的影响较小，因此不能通过常规的负荷、转速等反馈信号来加以控制，只能通过试验手段间接测量，获取经验。目前还没有单独的切实可行的方法控制HCCI燃烧始点，又由于燃油火焰前的氧化反应机理还未完全清楚，数值模拟方法进行HCCI燃烧始点控制的研究工作只是定性的与试验取得了一致，还无法实际应用于指导HCCI燃烧始点的控制。

　　（2）运行工况的拓展问题

　　由于HCCI燃烧反应较快，一般采用较大的空燃比或较高的EGR率来减缓燃烧速率，以防爆震的发生，但同时使得发动机缸内的平均指示压力难以达到较高的水平，这就使HCCI发动机在小负荷工况时混合气浓度过稀，发动机易"失火"；而大负荷工况时发动机放热速率过快，发动机工作粗暴，可操作范围不宽。在高负荷实现HCCI是国际上尚未解决的技术难点。

　　（3）HC和CO排放的控制问题

　　HCCI在中小负荷工况燃烧时缸内温度过低(＜2000K)，燃烧效率低，导致高的HC和CO排放。

　　（4）输出功率的密度较低。

　　（5）热量的释放速度较快导致较高的燃烧噪声。

　　（6）冷启动困难。

　　美国GM公司在2007年9月推出了汽油HCCI示范车，油耗较常规汽油机降低15%到20％，在部分负荷下，NOX排放可以达到10ppm以下水平。由于技术条件的限制，HCCI柴油车暂时还没有商业化产品面世。

　据上分析可知，由于在发动机全工况实现HCCI燃烧过程具有相当大的困难，从实用化角度来看，目前有两种可行的解决方案：

　　第一，采用准HCCI系统的折衷办法，即在混合气的准备和对燃烧过程的控制等方面部分采用HCCI的方法。这一方案使系统既能得到HCCI的某些优点又能避开一些复杂的控制，如日产公司的MK系统和本田公司的UNIBUS系统。

　　MK和UNIBUS系统并不是真正的HCCI，它只不过是为了获得HCCI在排放和燃烧效率等方面的优点而借用了HCCI的某些概念，它是在传统的发动机上实现准HCCI的极好范例。二者在日本市场上均已投入使用。

　　第二，使用双模式运行方案，即在中低负荷采用HCCI燃烧方式，在高负荷仍然采用传统的柴油燃烧方式。这种方案具有极高的应用价值，但在双模式下，会增加发动机控制系统的复杂性，目前还处在试验阶段。

　　欧Ⅵ与EPA2010排放法规对NOx和PM提出了极为严格的要求，因为柴油机HCCI燃烧具有超低的NOx和PM排放，且具有很高的能量转换率，因此燃油经济性更好，这无疑对汽车界具有极大的诱惑力。不过，因柴油机HCCI燃烧的HC和CO排放偏高，同时，影响柴油HCCI燃烧的因素较多，控制起来十分困难。所以，这种发动机要真正实现商业化还有很多课题要攻克。不过，随着发动机技术的进步，有理由相信，柴油机HCCI技术的最终实用化和商业化将为期不远。业内专家预言，柴油机HCCI技术将会在2015年左右成熟，商业化产品将不会迟于2020年。