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詳解均質(zhì)壓燃HCCI：內(nèi)燃機(jī)的未來就靠它了？

2019-04-07 17:07:37

--本文轉(zhuǎn)載自蓋世汽車網(wǎng)

這次來說說「均質(zhì)壓燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。
HCCI其實(shí)并不是一個(gè)特別新的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該很早就有人提出了，有些人叫他它CAI、Controlled Auto-Ignition、可控的自發(fā)點(diǎn)火……正式被叫作HCCI是在1989年。

在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)里，燃料和空氣是完全預(yù)混合的，并且混合氣是稀薄的，進(jìn)氣道噴射，一般不用直噴?；旌蠚庠诟變?nèi)壓縮，壓縮時(shí)缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力都會迅速上升，到某個(gè)臨界點(diǎn)以后，混合氣會自發(fā)點(diǎn)火（autoignition）。因?yàn)楦變?nèi)混合氣是均勻的，缸內(nèi)氣體溫度也幾乎一樣，所以自發(fā)點(diǎn)火會迅速在缸內(nèi)各處發(fā)生，快速完成燃燒。氣體的自發(fā)點(diǎn)火時(shí)刻和燃燒速率，由混合氣的熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)決定，沒有任何外界因素可以直接控制它們。

理論上HCCI可以燒任何燃料，但主流研究的燃料為汽油、天然氣、醇類。這類燃料辛烷值都很高，有利于提高壓縮比。

我先用兩句話說清楚HCCI高效率低排放的原因，然后再慢慢解釋——

HCCI高效率的主要原因有：接近理想奧拓循環(huán)的高速近等容燃燒、高壓縮比、低溫燃燒、稀薄混合氣、沒有泵氣損失；

HCCI低排放的主要原因有：均勻稀薄的預(yù)混合氣和低溫燃燒。

HCCI的高速燃燒

首先可以確定的是，在相同壓縮比下，理想奧拓循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)最大的熱效率。再來看一看下面這張 p-V 圖，從1-2這是一瞬間的發(fā)生的，因?yàn)榛钊粫Ａ粼谀骋粋€(gè)位置。也就是說，如果在上止點(diǎn)瞬間完成燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率最大。如果燃燒過早，那么在壓縮氣體時(shí)會需要做多余的功，如果燃燒過晚，那么高溫氣體有一部分能量沒有被充分利用。
所以在上止點(diǎn)附近快速完成燃燒，熱效率最高，而HCCI就有這樣的特性。那么為什么HCCI燃燒快呢？

我再解釋一下SI發(fā)動(dòng)機(jī)是如何進(jìn)行火焰?zhèn)鞑サ摹Ｗ鲆粋€(gè)簡單的假設(shè)：假設(shè)汽油空氣的混合氣在1100 K以上，會自發(fā)燃燒，而1100 K以下不會。下面手畫了一張示意圖，火花塞在左側(cè)，火焰從左至右傳播。在SI發(fā)動(dòng)機(jī)里，壓縮過程中氣體溫度很低，決不會接近1100 K，假設(shè)只有800 K。在圖a中，左側(cè)的火花塞點(diǎn)火，燃燒開始。燃燒放熱會提高局部溫度，達(dá)到2500 K，高溫火焰會提高右側(cè)局部氣體的溫度，到達(dá)著火點(diǎn)，開始燃燒，火焰就這么傳播下去了。但是，遠(yuǎn)處未燃燒的氣體溫度還是很低，所以并不會自己燒起來。燃燒過程中，氣體會膨脹，壓縮那些沒有燃燒的氣體，所以，未燃?xì)怏w的溫度會略有上升，如圖b所示，比如到了900 K，但還是低于自發(fā)點(diǎn)火溫度1100 K，直到燃燒完成。特殊情況下，如果可燃混合氣溫度在燃燒前溫度已經(jīng)很高，比如有900 K，在火焰?zhèn)鞑サ倪^程中，未燃?xì)怏w的溫度有可能被壓縮至自發(fā)點(diǎn)火溫度1100 K以上，那么這些未燃?xì)怏w會瞬間點(diǎn)火，一起燃燒，這就發(fā)生了end gas knocking。

所以，SI的燃燒需要局部的火焰（正在燃燒的氣體）和未燃燒氣體混合，讓局部未燃?xì)怏w溫度提高到自發(fā)點(diǎn)火溫度之上，才能燃燒。燃燒速度取決于局部氣體混合的速度，這相對比較慢。

但HCCI不是這樣。在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)里，缸內(nèi)的氣體溫度都在1100 K附近，有些氣體溫度高一點(diǎn)點(diǎn)，有些氣體溫度低一點(diǎn)點(diǎn)。溫度最高的氣體先燃燒，放出一些熱量，這個(gè)時(shí)候，那些溫度只是低一點(diǎn)點(diǎn)的氣體溫度就高于1100 K了，所以也開始燃燒。這個(gè)過程非?？臁Ｅe一個(gè)極端的例子，如果缸內(nèi)氣體的溫度，正好都是1100 K，那么一瞬間，所有的氣體都會自發(fā)點(diǎn)火，并且完成燃燒——這個(gè)時(shí)候就會和理想奧拓循環(huán)一模一樣。但實(shí)際情況下，因?yàn)闅飧妆谑抢涞?，氣體會有不同的溫度，所以點(diǎn)火時(shí)間略有先后，因?yàn)槠涞臍怏w只要熱一點(diǎn)點(diǎn)，就能燒起來了，所以HCCI燃燒速度但仍然遠(yuǎn)快于SI。下面放一張?jiān)诠鈱W(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)拍攝的氣體溫度分布的照片，冷和熱的地方是隨機(jī)分布的。熱的點(diǎn)燒了，周圍一點(diǎn)點(diǎn)的也很快就燒起來了，而不是像SI那樣，從中心向外傳播的。

John Dec, SAE, 2009-01-0650

高壓縮比
壓縮比越高當(dāng)然熱效率越高，HCCI一般會比SI壓縮比高很多。這有兩個(gè)原因：一是SI要保證氣體不會自發(fā)點(diǎn)火，而HCCI要保證氣體能自發(fā)點(diǎn)火，自然HCCI的壓縮比更高；另外，HCCI的混合氣一般是稀薄的，那么可以想象，讓稀薄氣體自發(fā)燃燒的溫度壓力要求更高，所以HCCI可以用更高的壓縮比。實(shí)際上HCCI壓縮比提到16并不是很罕見的事情。

低溫燃燒
HCCI和它的衍生技術(shù)其實(shí)經(jīng)常被稱作低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC），因?yàn)樗鼈兊墓餐攸c(diǎn)是燃燒溫度很低——SI往往燃燒溫度可以達(dá)到2500 K，HCCI一般在1900 K以下。

前面說的快速燃燒和高壓縮比，主要是可以提高效率，對排放影響不是很大。而這里說的低溫燃燒，對效率、排放影響都很大。

說到這里，有人會問，我之前有一篇文章說卡諾效率，不是高溫?zé)嵩礈囟仍礁?，熱效率上限越高嗎？是的，沒錯(cuò)，如果高溫?zé)嵩礈囟仁?500 K，卡諾效率是88%。但如果高溫?zé)嵩词?700 K，卡諾效率還有82%。都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奧托循環(huán)的熱效率上限。因此，熱力學(xué)第二定律在這里不是特別的重要。事實(shí)上，很多時(shí)候提高“熱力學(xué)第二定律效率”和提高“熱力學(xué)第一定律效率”是矛盾的，而提高第一定律效率更有意義，也更實(shí)際。

降低燃燒溫度，最大的優(yōu)點(diǎn)就是，缸內(nèi)溫度低了，散熱損失少了。理想奧托循環(huán)假設(shè)缸內(nèi)絕熱，也就是沒有散熱損失。所以散熱損失越小，熱效率越接近理想奧托循環(huán)。

另外，降低燃燒溫度還能有效降低NOx排放。下面這張圖，是一張非常非常有名的圖，你如果看懂這張圖了，那說明你對HCCI的理解入門了——

我來仔細(xì)解釋一下：縱坐標(biāo)是空燃比，不同地方的空燃比定義不一樣，在這張圖里，空燃比小于1的時(shí)候是稀薄的，空燃比大于1的時(shí)候是濃的。Soot排放是碳煙，很明顯，soot只會在濃混合氣、溫度不高不低的情況下產(chǎn)生。而柴油機(jī)燃燒路徑正好完美穿過有soot排放的島，所以柴油機(jī)的soot排放很要命。NOx會在高溫富氧的情況下產(chǎn)生，所以SI和CI發(fā)動(dòng)機(jī)都會產(chǎn)生NOx。那么，如果使用低溫燃燒，把缸內(nèi)溫度控制在2000 K以下，NOx排放就可以完全忽略不計(jì)。當(dāng)然了，溫度也不能太低，1450 K有一個(gè)CO-CO2的臨界轉(zhuǎn)化溫度，所以溫度太低也不好，燃燒會不完全，從而降低燃燒效率，提高CO排放。

稀薄、均勻的混合氣
從效率角度來說：首先要均勻的混合氣才能實(shí)現(xiàn)HCCI。其次，適當(dāng)稀薄的混合氣可以讓燃燒更完全，這可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。另外，我在之前的文章中提到奧拓循環(huán)的公式的時(shí)候都說不要去管的參數(shù)嗎？現(xiàn)在我要說了，這個(gè)叫絕熱系數(shù)，或者比熱容比：

這個(gè)值一般介于1.3和1.4之間，如果壓縮比是15，那么在1.3和1.4時(shí)，理想奧拓循環(huán)的效率分別是56%和66%，差別還是挺大的。所以，這個(gè)值越大越好。那么怎讓它更大？用稀薄混合氣，讓燃燒溫度更低。（比熱容比 gamma 變化規(guī)律背后的物理意義，需要一個(gè)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)甚至懂量子力學(xué)的物理大佬來解釋，我不是很清楚。）

從排放角度來說：稀薄均勻的混合氣可以避免soot排放。也可以避免局部高溫產(chǎn)生的NOx。

限制HCCI應(yīng)用的兩大原因——

·HCCI燃燒時(shí)刻難以控制

很好理解，柴油機(jī)由噴油時(shí)刻來控制燃燒，不噴油就不燒，不可能噴了還不燒。汽油機(jī)由點(diǎn)火時(shí)刻來控制燃燒，不點(diǎn)火就不燒，但點(diǎn)火了一定燒（因?yàn)閷?shí)際點(diǎn)火能量一般遠(yuǎn)大所需求的最低能量）。HCCI呢？進(jìn)氣道噴完，聽天由命?；旌蠚獾淖詣?dòng)點(diǎn)火對于溫度是很敏感的，不同進(jìn)氣溫度下怎么保證燃燒時(shí)刻一樣？冷啟動(dòng)的時(shí)候怎么辦？這都是問題。但說實(shí)話，盡管很麻煩，我認(rèn)為控制問題還是能解決的，關(guān)鍵在于第二點(diǎn)。

·HCCI工作區(qū)間窄

HCCI由于燃燒太快，所以混合氣其實(shí)并不能很濃，也就是說，稀薄混合氣對于HCCI來說是必須的。這導(dǎo)致了同樣排量的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)，功率可能只有SI發(fā)動(dòng)機(jī)的一半不到?？聪旅孢@張圖，左邊的BMEP可以認(rèn)為是扭矩，大的框是SI，小的框是HCCI，如果發(fā)動(dòng)機(jī)只能運(yùn)行在小框里，顯然不能給車車輛用，扭矩轉(zhuǎn)速都不夠。但下面這張圖也可以看到，在低負(fù)荷，HCCI的優(yōu)勢巨大，主要是SI低負(fù)荷的泵氣損失讓其熱效率極低。

為了解決這個(gè)問題，有幾個(gè)方案。一是用混動(dòng)，用高功率電機(jī)+電池來解決一些短暫的高功率需求。二是做SI-HCCI雙模的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樵诟哓?fù)荷情況下，SI的效率其實(shí)可以接受，兩田已經(jīng)做到45%了，一般的HCCI熱效率其實(shí)也就45-55%。但是，雙模就有一個(gè)問題，HCCI壓縮比高，怎么辦？當(dāng)然，有很多種解決方案，但都比較麻煩，以后有機(jī)會再講。

所以，所有的HCCI衍生技術(shù)都是為了解決這兩個(gè)問題誕生的，各個(gè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。以后也可以分別詳細(xì)講一講。

總結(jié)：

前面兩句話重復(fù)一遍，記住這兩句話就行了——

HCCI高效率的主要原因有：接近理想奧拓循環(huán)的高速近等容燃燒、高壓縮比、低溫燃燒、稀薄混合氣、沒有泵氣損失。

HCCI低排放的主要原因有：均勻稀薄的預(yù)混合氣和低溫燃燒。

詳解均質(zhì)壓燃HCCI：內(nèi)燃機(jī)的未來就靠它了？