HCCI：一種大有前途,但面臨諸多挑戰(zhàn)的清潔汽車技術(shù)

　　未來(lái)歐Ⅵ之后，國(guó)內(nèi)外專家普遍認(rèn)為，汽車業(yè)將不再提升有毒物質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，但將加嚴(yán)CO2排放標(biāo)準(zhǔn)，亦即加嚴(yán)燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)。均質(zhì)充量壓縮著火(HCCI，HomogeneousChargeCompressionIgnition)燃燒技術(shù)--一種不用后處理就能完全解決汽車柴油機(jī)氮氧化物NOX和顆粒PM排放問(wèn)題的最有潛力的技術(shù)，愈來(lái)愈受到業(yè)內(nèi)研發(fā)人員的重視。據(jù)悉，奔馳、曼、斯堪尼亞、沃爾沃等國(guó)外商用車巨頭都在投巨資研發(fā)該技術(shù)，其中曼甚至稱最快有望在歐Ⅵ實(shí)施時(shí)推出含該技術(shù)的產(chǎn)品。不過(guò)，業(yè)內(nèi)多數(shù)研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為該技術(shù)成熟至少應(yīng)在2015年后。

　　1.HCCI控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放的基本原理

　　HCCI，亦稱可控自燃著火(CAI，ControlledAutoIgnition)，它是指大量燃料和稀釋物(空氣和再循環(huán)廢氣等)在進(jìn)氣過(guò)程中預(yù)先混合成均質(zhì)混合氣，當(dāng)壓縮行程活塞運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)附近時(shí)，均質(zhì)混合氣自燃著火的一種燃燒過(guò)程。

　　HCCI燃燒方式結(jié)合了柴油機(jī)壓燃和汽油機(jī)均質(zhì)混合氣點(diǎn)火燃燒的特點(diǎn)，基本特征是均質(zhì)、壓燃和低溫火焰燃燒。與傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它取消了節(jié)氣門，泵氣損失小，混合氣多點(diǎn)同時(shí)著火，燃燒持續(xù)期短，可以得到與壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)妮^高熱效率；與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，由于混合氣是均質(zhì)的，燃燒反應(yīng)幾乎是同步進(jìn)行，沒(méi)有火焰前鋒面，燃燒火焰溫度低(低于2000K)，NOx排放很低，幾乎沒(méi)有PM排放。傳統(tǒng)的柴油機(jī)采用擴(kuò)散燃燒，化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于燃料和空氣的混合與擴(kuò)散速率，燃燒快慢由混合擴(kuò)散速率決定。在這種類型的燃燒中，混合氣和溫度分布都極不均勻，擴(kuò)散火焰外殼的高溫區(qū)易產(chǎn)生NOx，內(nèi)部高溫缺氧區(qū)易產(chǎn)生PM。而HCCI通過(guò)提高壓縮比、采用廢氣再循環(huán)、進(jìn)氣加熱和增壓等手段提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力，促使混合氣壓縮自燃，在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核，有效維持了著火燃燒的穩(wěn)定性，并減少了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期。它的燃燒速率只與本身的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)。

　　大多數(shù)燃料的HCCI燃燒表現(xiàn)出獨(dú)特的二階段放熱：第一階段放熱和主放熱階段。第一階段放熱與低溫動(dòng)力學(xué)反應(yīng)有關(guān)，此時(shí)是冷焰、藍(lán)焰。在第一階段放熱和主放熱之間有一個(gè)時(shí)間延遲，延遲時(shí)間主要由這些反應(yīng)的負(fù)溫度系數(shù)現(xiàn)象（NTCR，NegativeTemperatureCoefficientRegime，即溫度升高，反應(yīng)變慢）來(lái)決定。用光學(xué)診斷的方法來(lái)研究HCCI的燃燒過(guò)程發(fā)現(xiàn)第二階段燃燒即主放熱階段是多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行的，一旦著火，混合氣迅速燃燒，沒(méi)有可視火焰?zhèn)鞑?，一般認(rèn)為HCCI的完全燃燒僅由化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制，沒(méi)有一般燃燒中的流動(dòng)，但由于局部仍存在不均勻物質(zhì)，從而也有局部波動(dòng)現(xiàn)象。

　　HCCI燃燒方式的出現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)均質(zhì)稀混合氣燃燒速度慢的缺點(diǎn)，是有別于傳統(tǒng)的汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃預(yù)混燃燒、柴油機(jī)非均質(zhì)壓燃擴(kuò)散燃燒和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)分層稀薄燃燒方式的第四種燃燒方式。HCCI燃燒方式可以同時(shí)保持較高的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，不受燃油和氧化物分離面混合比的限制，也沒(méi)有點(diǎn)火式燃燒的局部高溫反應(yīng)區(qū)，因此可以同時(shí)降低NOX和PM；另外由于HCCI燃燒只與本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，它的著火和燃燒速率只受燃料氧化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，受缸內(nèi)流場(chǎng)影響較小，同時(shí)均質(zhì)預(yù)混的混合氣組織也比較簡(jiǎn)單，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施HCCI燃燒模式可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。HCCI的優(yōu)點(diǎn)還包括它的燃料靈活性高，它能使用包括汽油、柴油、天然氣、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、二甲醚以及混合燃料等多種燃料，而柴油HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠繼續(xù)利用現(xiàn)有的加油和服務(wù)設(shè)施，無(wú)需增加新型燃料的加注設(shè)施，因此，以柴油為燃料的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用正逐漸受到國(guó)外汽車企業(yè)的高度重視。如前面提到的曼、斯堪尼亞等商用車巨頭，都在投巨資研發(fā)HCCI技術(shù)以應(yīng)對(duì)歐Ⅵ法規(guī)的到來(lái)。

　　2.柴油均質(zhì)預(yù)混合氣形成方式

　　均質(zhì)混合氣的形成是實(shí)現(xiàn)對(duì)HCCI燃燒控制的第一步。國(guó)際上采用的柴油均質(zhì)預(yù)混合氣方式包括：進(jìn)氣道缸外預(yù)混、缸內(nèi)早噴和晚噴。

　?。?）缸外預(yù)混HCCI

　　即在進(jìn)氣沖程把柴油噴入進(jìn)氣道，與空氣混合形成預(yù)混合氣。采用進(jìn)氣道噴射，利用進(jìn)氣渦流來(lái)強(qiáng)化混合氣的形成，是提高混合氣均勻度的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。但要求較高的進(jìn)氣溫度來(lái)促進(jìn)柴油的蒸發(fā)，需要安裝加熱裝置和進(jìn)氣道燃油噴射系統(tǒng)，并且不利于柴油機(jī)冷啟動(dòng)。早期的研究中多采用這種方法制備混合氣，最早進(jìn)行研究的美國(guó)西南研究院曾采用這種方式引入混合氣，燃料在進(jìn)氣道噴出后與空氣混合形成均勻的混合氣，進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)混合氣進(jìn)入缸內(nèi)壓縮、著火。柴油由于揮發(fā)性較差以及壁面撞擊，采用此法將導(dǎo)致較高的HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。

　?。?）缸內(nèi)早噴HCCI

　　該方式是目前普遍采用的柴油HCCI預(yù)混合氣形成方式。即在壓縮沖程的早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。由于柴油密度大，而壓縮沖程早期缸內(nèi)空氣密度較小，高密度的柴油噴入低密度的環(huán)境中貫穿度較大，因而燃油撞壁現(xiàn)象嚴(yán)重，這會(huì)降低燃油的霧化與混合程度，進(jìn)而導(dǎo)致排放增加、油耗上升等問(wèn)題。

　　為了改善燃料的霧化與混合，柴油機(jī)HCCI噴油提前角遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)柴油機(jī)，使柴油與空氣在著火前充分混合。另外，改進(jìn)噴油器設(shè)計(jì)、改變?nèi)紵倚螤?、適當(dāng)組織缸內(nèi)氣流等方法均能在一定程度上改善柴油的霧化與混合。缸內(nèi)柴油早噴成功應(yīng)用于產(chǎn)品的典型代表是日本豐田公司的UNIBUS燃燒系統(tǒng)。與缸外預(yù)混柴油HCCI相比，早噴柴油HCCI具有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

　　其一，壓縮沖程氣缸內(nèi)的溫度和壓力高于進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)的溫度和壓力，有助于柴油的霧化和混合。壓縮沖程早期噴油，降低了對(duì)進(jìn)氣溫度的要求，減少了混合氣爆燃的傾向。

　　其二，采用壓縮沖程早期噴油方案，可以只需要一套供油系統(tǒng)滿足HCCI和傳統(tǒng)直噴柴油兩種方式。

　?。?）缸內(nèi)晚噴HCCI

　　在接近上止點(diǎn)或在上止點(diǎn)之后，把柴油噴入氣缸，同時(shí)采用大量預(yù)冷的EGR、加強(qiáng)渦流和降低壓縮比等措施實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲，使柴油著火恰好發(fā)生在噴射結(jié)束之后。盡管缸內(nèi)晚噴形成的油氣均勻度不如進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)早噴均勻，但NOx和PM排放仍然低于傳統(tǒng)柴油機(jī)。柴油機(jī)缸內(nèi)晚噴HCCI燃燒的典型代表是日本Nissan公司的MK(ModulatedKinetics)系統(tǒng)。MK系統(tǒng)通過(guò)推遲噴油(上止點(diǎn)后3°)，大EGR率（使氧濃度降到15％～16％）延長(zhǎng)滯燃期，使噴油完全在滯燃期內(nèi)完成，形成預(yù)混合氣。為了提高混合率，MK發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比提高了，并優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)加快油氣混合。在MK燃燒的負(fù)荷范圍內(nèi)，NOx可降低90％以上，煙度低于1個(gè)Bosch單位。采用MK系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在1998年被投入批量生產(chǎn)進(jìn)入日本市場(chǎng)。

　　3.柴油機(jī)HCCI燃燒的主要影響因素

　　（1）進(jìn)氣溫度及其流速

　　HCCI燃燒的著火時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣溫度十分敏感，隨著進(jìn)氣溫度的提高，將出現(xiàn)著火提前的現(xiàn)象，因此，控制缸內(nèi)溫度將是控制HCCI燃燒著火時(shí)刻的一個(gè)關(guān)鍵因素。一般通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度控制HCCI燃燒以及著火始點(diǎn)。

　　在進(jìn)氣管加裝進(jìn)氣加熱裝置、引入廢氣再循環(huán)（EGR）可以提高進(jìn)氣溫度，國(guó)外多家公司對(duì)四沖程柴油機(jī)做的HCCI研究就是通過(guò)廢氣再循環(huán)后的電加熱裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣加熱的。試驗(yàn)研究了空氣流速和進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，隨著進(jìn)氣溫度或空氣流速的增加，燃燒效率增加，HC和CO排放降低；在低溫、低流速區(qū)，各缸壓力相對(duì)變化較小，在某一特定的溫度條件下，各缸的著火時(shí)刻相差很大，溫度很低時(shí)，甚至出現(xiàn)一缸著火而另一缸熄火現(xiàn)象；考慮到怠速工況的HC和CO排放，可以采用低流速和高進(jìn)氣溫度的措施來(lái)提高燃燒效率；對(duì)于大負(fù)荷工況，平均有效壓力隨進(jìn)氣溫度降低而增加，而為了提高效率增大功率輸出，必須對(duì)各缸進(jìn)行反饋控制以優(yōu)化各缸燃燒相位；在進(jìn)氣歧管噴水可降低混合氣的溫度，從而降低壓縮沖程缸內(nèi)的溫度，推遲著火時(shí)刻，并且能夠降低燃燒速度和峰值壓力，增大HCCI在大負(fù)荷時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍；進(jìn)氣加熱裝置所需的電壓較高，并且裝置本身體積很大，只適合于在試驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)研究；噴水會(huì)導(dǎo)致HC和CO排放的增加，對(duì)NOx的控制作用卻很小，阻礙了這種方法的應(yīng)用。

　?。?）廢氣再循環(huán)（EGR）

　　EGR能提高進(jìn)氣溫度，改變混合氣的著火特性，從而影響著火時(shí)刻。引入廢氣再循環(huán)的目的還在于它稀釋了混合氣的濃度，能有效減緩燃燒速度，降低燃燒噪聲，為大負(fù)荷區(qū)HCCI燃燒控制提供了一種有效手段。同時(shí)，廢氣再循環(huán)能夠回收一部分廢氣的能量。當(dāng)EGR率小于30％時(shí)，氧濃度的下降并不足以影響燃燒，此時(shí)廢氣再循環(huán)對(duì)控制著火始點(diǎn)的作用很小。研究表明，廢氣再循環(huán)推遲了著火時(shí)刻，提高了指示效率，降低了未燃HC的排放量，同時(shí)，排氣溫度增加，可以利用氧化催化裝置來(lái)氧化未燃HC。與汽油機(jī)HCCI燃燒相比，柴油機(jī)HCCI燃燒更容易實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)柴油機(jī)上，因其壓縮比較高，將空燃比和EGR率控制在一定的范圍內(nèi)，接近室溫即可成功實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的HCCI燃燒。柴油機(jī)HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍受敲缸、失火及較低的平均有效壓力值的限制，但比汽油機(jī)HCCI燃燒達(dá)到敲缸時(shí)的空燃比大。低溫反應(yīng)的自燃時(shí)刻受EGR率的控制，而主放熱階段的開(kāi)始時(shí)刻則受空燃比影響較大。

　?。?）氣門正時(shí)

　　改變配氣正時(shí)可以改變缸內(nèi)殘余廢氣量和缸內(nèi)溫度，減小氣門重疊期，使缸內(nèi)殘余廢氣量增大。殘余廢氣的高溫有利于燃料的蒸發(fā)，形成均質(zhì)混合氣，同時(shí)較高的缸內(nèi)溫度又會(huì)使HCCI燃燒的著火時(shí)刻提前，從而容易造成大功率狀態(tài)下工作粗暴，并引起最大輸出功率下降。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，內(nèi)部EGR（可變氣門正時(shí)）的溫度效應(yīng)大于其對(duì)混合氣的稀釋，對(duì)于柴油機(jī)這種容易發(fā)生低溫自燃的燃料，減小氣門重疊期易造成大負(fù)荷時(shí)著火過(guò)于提前，限制了最大輸出功率。在小負(fù)荷工況范圍內(nèi)，較小的氣門重疊期有利于HCCI燃燒的穩(wěn)定性；在大負(fù)荷工況范圍內(nèi)，較小的氣門重疊期不利于HCCI燃燒的穩(wěn)定性。

　?。?）壓縮比

　　壓縮比是另一個(gè)影響燃燒效率較大的因素，改變壓縮比可以改變混合氣的密度和壓力，從而對(duì)其自燃溫度產(chǎn)生影響。改變壓縮比的主要方法是調(diào)整燃燒室容積、工作容積和改變配氣相位。在利用可變壓縮比控制HCCI方面，Lund技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縮比對(duì)燃燒效率的影響很大，壓縮比增加則熱效率增加，而燃燒效率減小。研究還發(fā)現(xiàn)，高壓縮比可替代進(jìn)氣預(yù)熱。當(dāng)壓縮比高達(dá)17∶1時(shí)，絕對(duì)有效效率上升，NOx排放下降，但是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間縮短，CO排放增加。該試驗(yàn)HCCI的可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍為1000～5000r/min，負(fù)荷范圍處于怠速和0.44MPa平均有效壓力之間。隨著壓縮比提高，穩(wěn)定HCCI燃燒所需的熱EGR率降低，因此用冷EGR配合高壓縮比可以控制燃燒速度，從而擴(kuò)大HCCI運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。

　?。?）負(fù)荷

　　HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷工況時(shí)，循環(huán)供油量小，混合氣濃度稀，而反應(yīng)物濃度是影響燃燒反應(yīng)的一個(gè)重要因素，加之此時(shí)缸內(nèi)溫度較低，使HCCI燃燒的著火時(shí)刻顯著推遲，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象。在出現(xiàn)失火循環(huán)后，后繼循環(huán)爆發(fā)壓力往往突然升高，這是由于失火循環(huán)殘余的部分燃油在缸內(nèi)，導(dǎo)致下一循環(huán)油量增加，引起爆發(fā)壓力突增。

　　HCCI柴油機(jī)運(yùn)行在高負(fù)荷時(shí)，循環(huán)供油量大，此時(shí)缸內(nèi)溫度高，混合氣濃度大，使燃燒反應(yīng)的速度加快，從而容易引起著火過(guò)于提前的現(xiàn)象。過(guò)快的燃燒速度將造成壓力升高率迅速增大，并出現(xiàn)燃燒壓力振蕩現(xiàn)象。燃燒粗暴時(shí)，相關(guān)的噪聲、振動(dòng)和沖擊負(fù)荷增大，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件損壞，同時(shí)NOx的排放也急劇升高，限制了HCCI燃燒的負(fù)荷擴(kuò)展。
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　　4.國(guó)外HCCI的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

　　柴油HCCI燃燒過(guò)程的研究始于上世紀(jì)90年代中期。美國(guó)西南研究院(SWRI，SouthwestResearchInstitute)最先在柴油機(jī)上開(kāi)展"缸外預(yù)混稀燃"研究，即在進(jìn)氣沖程把柴油噴入進(jìn)氣道，使之與空氣混合形成預(yù)混合氣。這種方式與傳統(tǒng)的氣道噴射汽油機(jī)類似，是形成預(yù)混合氣最簡(jiǎn)便、最直接的方法，也是最容易實(shí)現(xiàn)的方法。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。由該圖可見(jiàn)，利用類似于汽油機(jī)進(jìn)氣道低壓噴射的方法把柴油直接噴入進(jìn)氣管中，為了使柴油和空氣加速混合，還采用了進(jìn)氣管加熱和EGR。預(yù)混的稀混合氣經(jīng)壓縮后多點(diǎn)著火，消除了擴(kuò)散燃燒，稀薄混合氣降低了火焰溫度，可使NOX排放比普通柴油機(jī)減少98％，由于氣缸內(nèi)不存在局部混合氣過(guò)濃區(qū)，可使PM的排放減少27％，指示熱效率也有所改善。

圖1： SWRI使用的HCCI實(shí)驗(yàn)裝置

　　1992年，西南研究院研究者首次在實(shí)用的1.6LVW發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了HCCI，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷范圍從14％拓寬到34％。1996年，研究者又采用缸外預(yù)混的方法在柴油燃料HCCI燃燒過(guò)程的研究方面取得了突破性的進(jìn)展，研究發(fā)現(xiàn)，HCCI運(yùn)行工況對(duì)EGR率、壓縮比和空燃比依賴很大，可接受的、不發(fā)生爆震的HCCI工況被限制在了很小的參數(shù)范圍內(nèi)。1997年，研究者進(jìn)行了柴油燃料HCCI燃燒過(guò)程的研究，他們發(fā)現(xiàn)，在壓縮比為8~13:1的范圍內(nèi)，能否獲得滿意的HCCI運(yùn)行工況與進(jìn)氣溫度和EGR率密切相關(guān)；為了減少柴油在進(jìn)氣道壁面上的附著，進(jìn)氣溫度必須達(dá)到135~205℃；在HCCI燃燒工況和適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣溫度范圍內(nèi)，NOX和PM排放幾乎降至零，但是HC排放量非常高，導(dǎo)致燃燒效率很低；與直噴式柴油燃燒方式相比，燃油消耗率平均增加了28%；此外，他們還發(fā)現(xiàn)，即使采用較低的壓縮比，燃燒始點(diǎn)仍然非?？壳?。

　　1999年，日本交通安全研究院提出了HCDC缸外混合的燃燒方案。該方案是利用一個(gè)噴油壓力為5MPa的汽油直噴式噴油器，在進(jìn)氣沖程60°ATDC向進(jìn)氣道預(yù)噴射柴油，形成預(yù)混合氣，然后再利用高壓電控噴油器在壓縮上止點(diǎn)附近進(jìn)行主噴射。試驗(yàn)結(jié)果與其它缸外預(yù)混合柴油HCCI的研究結(jié)果相似，存在預(yù)混合氣的過(guò)分早燃和爆震燃燒。為了抑制早燃，他們采用減少進(jìn)氣道噴射燃油量的方法使預(yù)混合氣變稀，并通過(guò)優(yōu)化壓縮上止點(diǎn)附近（小于15°BTDC）的主噴射來(lái)控制燃燒過(guò)程，但效果不明顯。而在柴油中加入50%的MTBE(甲基叔丁基醚)后，能夠避免預(yù)混氣體在上止點(diǎn)附近的主噴射結(jié)束前發(fā)生自燃著火，實(shí)現(xiàn)了對(duì)著火過(guò)程的控制。

　　2002年，美國(guó)西南研究院提出一種混合模式柴油HCCI燃燒系統(tǒng)，其原理與HCDC缸外混合的燃燒方案基本相似。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1600～3000r/min，通過(guò)改變進(jìn)氣條件（壓力和溫度），平均指示壓力可以達(dá)到最大4.7bar，同時(shí)可以獲得很低的NOX和PM排放，分別小于4×10-6和0.02FSN，但HC和CO排放較高。

　　同期，日本新ACE研究院采用了柴油機(jī)缸內(nèi)早噴HCCI燃燒方案，即在壓縮沖程早期噴油，并提出了柴油機(jī)HCCI燃燒的PREDIC（PremixedleanDieselCombustion）燃燒方式。隨后，為了擴(kuò)展HCCI運(yùn)行工況范圍，又提出了MULDIC（MultiplestageDieselCombustion）燃燒方式。在預(yù)混燃燒階段，為了避免缸內(nèi)早期噴射油束撞壁，MULDIC系統(tǒng)采用了特殊的噴嘴和噴油器布置方案，即用2個(gè)側(cè)置噴油器向氣缸中心對(duì)噴，利用油束的碰撞減小貫穿度。在燃燒的第二階段，即上止點(diǎn)附近，布置在氣缸中心的噴嘴噴油，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。試驗(yàn)結(jié)果表明，NOX排放可大幅降低，但HC排放仍然較高。

　　日野公司的Hcimics（Homogeneouschargeintelligentmultipleinjectioncombustionsystem）缸內(nèi)早噴HCCI方案，采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，30％的燃油在30°BTDC前噴入氣缸作為預(yù)混合燃油量；70%的燃油在壓縮上止點(diǎn)附近噴入缸內(nèi)。同時(shí)，為了避免早噴燃油撞壁，采用了特殊噴油器噴嘴：噴孔數(shù)30，直徑0.1mm，三種噴霧錐角分別為12×155°、12×105°、6×55°。此外，還采用熱EGR和在燃料中也加入了MBTE。試驗(yàn)結(jié)果顯示，NOX排放降低了一半，HC排放降低了1/3，PM排放幾乎為零，燃油經(jīng)濟(jì)性也得到改善。

　　三菱汽車公司的PCI（PremixedCompression-IgnitedCombustion）缸內(nèi)早噴HCCI方案，專門設(shè)計(jì)了一種碰撞油束噴嘴，以減少油束碰壁。方案中兩個(gè)相互干涉的油束，碰撞后能夠有效的降低貫穿度。采用這種碰撞油束噴嘴的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在保持較低的NOX排放同時(shí)，HC排放下降500ppm以上，PM排放接近零，油耗也有所降低。

圖2：UNIBUS系統(tǒng)控制策略示意圖

　　豐田公司則開(kāi)發(fā)出了UNIBUS(UniformBulkycombustionSystem)系統(tǒng)。該系統(tǒng)與MULDIC系統(tǒng)類似，也采用兩次噴油。圖2為UNIBUS系統(tǒng)的控制策略示意圖。第一次噴油的定時(shí)范圍為-54°ATDC~-4°ATDC。第一次噴油量為5~15mm3/st。當(dāng)油量為15mm3/st時(shí)，噴油定時(shí)早于-54°ATDC將發(fā)生油束碰壁。通過(guò)對(duì)第1次噴油的定時(shí)和油量的控制來(lái)抑制預(yù)噴燃油的劇烈放熱，使預(yù)噴燃油在第2次噴射之前，始終處于低溫反應(yīng)狀態(tài)。UNIBUS是最早實(shí)用化的缸內(nèi)早噴柴油HCCI技術(shù)。圖3給出了裝備UNIBUS系統(tǒng)的1KD-FIV發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況范圍，可見(jiàn)，UNIBUS燃燒模式主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的中、低負(fù)荷工況。2000年年底1KD-FIV發(fā)動(dòng)機(jī)正式小批量生產(chǎn)并投放日本市場(chǎng)。

圖3：UNIBUS的運(yùn)行工況范圍

　　日產(chǎn)公司開(kāi)發(fā)的MK（ModulatedKinetics）燃燒系統(tǒng)是采用缸內(nèi)晚噴柴油HCCI的燃燒方式，即在壓縮上止點(diǎn)后開(kāi)始噴油，并結(jié)合提高噴射壓力和進(jìn)氣渦流，以及高EGR率，提高柴油與空氣的混合速率，延長(zhǎng)滯燃期，以保證在滯燃期內(nèi)完成噴射形成混合氣。采用MK系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在1998年就開(kāi)始投入批量生產(chǎn)，進(jìn)入日本市場(chǎng)。MK系統(tǒng)通過(guò)推遲噴油（7°BTDC～3°ATDC），大EGR率（使氧濃度降至15~16%），以延長(zhǎng)著火滯燃期，使噴油能完全在著火滯燃期內(nèi)完成，著火前形成比較均勻的預(yù)混合氣。為了提高混合率，MK發(fā)動(dòng)機(jī)的渦流比被提高到12。然而隨著負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的增加，噴油量加大，持續(xù)期加長(zhǎng)，不可能保證在著火滯燃期內(nèi)完成噴油，因此采用VE泵的第一代MK系統(tǒng)的運(yùn)行工況范圍只能達(dá)到原機(jī)1/3負(fù)荷和1/2轉(zhuǎn)速。為此第二代MK系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，其中，為了縮短噴油持續(xù)期，MK系統(tǒng)采用了高壓共軌噴油系統(tǒng)。為了延長(zhǎng)著火滯燃期，將發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比從18:1降到16:1，并且采用冷卻的EGR。同時(shí)為了避免壓縮比降低后液態(tài)油束撞壁的傾向加大，燃燒室直徑被從47mm增加到56mm。這一改進(jìn)也大幅度降低了冷啟動(dòng)時(shí)的HC排放，但PM的排放（小于1.0BSU）仍要進(jìn)一步降低。

　　法國(guó)IFP公司在2002年開(kāi)發(fā)出缸內(nèi)早噴柴油HCCI方案--NADI(NarrowAngleDirectInjection)。該方案的主要特點(diǎn)有二個(gè)：第一，采用噴錐角小于100°的高壓共軌噴油器；第二，燃燒室能夠適應(yīng)窄噴錐角噴油器以傳統(tǒng)直噴的方式工作。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于所有的HCCI工況，NADI方案的NOX排放減少了100倍，PM排放減少了10倍，HC和CO排放則相當(dāng)于直噴汽油機(jī)的水平，IMEP最高達(dá)到0.6MPa。

　　同期，瑞典查爾摩斯技術(shù)大學(xué)在一種單缸機(jī)上也進(jìn)行了早噴柴油HCCI研究。利用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，在壓縮沖程早期90oBTDC，以五次小油量的燃油噴射產(chǎn)生預(yù)混合氣。為進(jìn)一步減少燃油撞壁和改善燃油與空氣的混合情況，使用的噴油器噴孔直徑減小到0.111mm，噴孔數(shù)由5增加到10，噴霧錐角為60o。為控制著火時(shí)刻和放熱速率，采用冷卻的EGR和降低壓縮比（增加活塞到缸蓋的余隙）的方法。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于原機(jī)，NOX和PM排放分別減少了95％和98％，但HC和CO排放急劇增加，油耗比原機(jī)增加約10～20％。

　　以上是筆者從有關(guān)國(guó)外文獻(xiàn)上搜集到的近10年前的HCCI技術(shù)研究成果，實(shí)際上，如本文開(kāi)頭所述，目前HCCI技術(shù)研究已到了實(shí)用化的階段，歐洲商用車巨頭曼甚至稱最快有望在歐Ⅵ實(shí)施時(shí)推出含HCCI技術(shù)的產(chǎn)品。由于國(guó)外企業(yè)的研究均處于絕對(duì)保密階段，沒(méi)有公開(kāi)資料借鑒、參考，這里就沒(méi)法深入展開(kāi)了。

　　5.國(guó)內(nèi)HCCI的研究現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)對(duì)柴油HCCI的研究較少，多以綜述性的論文發(fā)表，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性研究成果。天津大學(xué)和上海交通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究代表了國(guó)內(nèi)HCCI的最高水平。

圖4：多脈沖噴射示意圖

　　2004年，天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了基于多脈沖噴射和BUMP燃燒室的復(fù)合燃燒系統(tǒng)（MULINBUMP），其屬于缸內(nèi)早噴柴油來(lái)實(shí)現(xiàn)HCCI的實(shí)驗(yàn)研究。圖4是多脈沖噴射的示意圖。

　　其中多脈沖噴射定時(shí)、多脈沖噴射次數(shù)、各脈沖寬度和脈沖間隔均可獨(dú)立、靈活調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，可以控制預(yù)混合的形成過(guò)程，包括防止燃料在缸壁的粘附，控制混合氣的溫度和濃度分層，進(jìn)而控制自燃著火速率、燃燒相位、放熱率。主噴射定時(shí)通常選擇在3、6、8和10°ATDC。主噴射燃料在BUMP燃燒室高混合率作用下，形成"稀擴(kuò)散燃燒"。MULINBUMP系統(tǒng)是在多脈沖噴射下形成的預(yù)混燃燒與BUMP燃燒室內(nèi)的稀擴(kuò)散燃燒的結(jié)合。前者能夠大幅度降低NOX和PM排放，后者可以把前者產(chǎn)生的大量的HC和CO觸發(fā)進(jìn)一步燃燒，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)HC和CO排放，同時(shí)燃燒效率大大提高。這種柴油機(jī)HCCI復(fù)合燃燒技術(shù)，可顯著擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍，目前復(fù)合燃燒IMEP可達(dá)0.93MPa。隨后，又在前期BUMP燃燒室研究的基礎(chǔ)上提出了一種能大幅提高燃燒后期混合率的導(dǎo)流沿形燃燒室。該燃燒室的導(dǎo)流、突變結(jié)構(gòu)形成的二次射流在缸內(nèi)誘導(dǎo)出一對(duì)旋向相反的渦團(tuán)，消除壁面濃區(qū)，中后期燃燒得以強(qiáng)化，碳煙（Soot）的氧化過(guò)程增強(qiáng)，相比原始ω燃燒室，PM的排放下降了55％。

　　2004年，上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了可變進(jìn)排氣正時(shí)控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)的調(diào)節(jié)，采用在進(jìn)氣上止點(diǎn)前進(jìn)行柴油燃料的噴射，利用缸內(nèi)殘余高溫廢氣余熱加速燃油蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了柴油燃料的HCCI燃燒，同時(shí)，研究了不同氣門重疊期下HCCI燃燒的燃燒特性，不同負(fù)荷的工作穩(wěn)定性和排放特性。結(jié)果表明，對(duì)于低溫自燃性好的柴油燃料，排氣門早關(guān)和進(jìn)氣門晚開(kāi)引起的缸內(nèi)溫度升高比由此引起的殘余廢氣增加對(duì)工質(zhì)的稀釋效果更大，使HCCI燃燒的著火始點(diǎn)提前，易引起大負(fù)荷工況HCCI燃燒的工作粗暴，但有利于小負(fù)荷工況HCCI燃燒的工作穩(wěn)定性。2005年，他們繼續(xù)研究了內(nèi)部EGR和外部EGR模式對(duì)柴油燃料HCCI燃燒的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著內(nèi)部EGR率的增大，HCCI燃燒的著火始點(diǎn)提前，在相對(duì)較小的負(fù)荷下，-40°CA氣門重疊期的著火始點(diǎn)比-20°CA氣門重疊期的著火始點(diǎn)提前5～7°CA，內(nèi)部EGR的加熱作用大于其對(duì)混合氣的稀釋作用；內(nèi)部EGR增大有利于均質(zhì)混合氣的形成，使柴油燃料HCCI燃燒的煙度排放減小，但使低NOX排放的負(fù)荷范圍減小；外部EGR起到了推遲著火始點(diǎn)的作用，是一種有效的擴(kuò)展運(yùn)行范圍負(fù)荷上限的方法。

　　6.HCCI柴油發(fā)動(dòng)機(jī)商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景展望

　　目前，在商業(yè)化車載柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)HCCI及其衍生技術(shù)面臨著諸多困難和挑戰(zhàn)，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?。?）著火時(shí)刻的控制問(wèn)題

　　目前缺乏直接有效的手段控制HCCI燃燒速率和著火時(shí)刻，燃燒相位控制只能通過(guò)間接的方法進(jìn)行。HCCI燃燒的著火時(shí)刻主要受到混合氣本身化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，受負(fù)荷、轉(zhuǎn)速的影響較小，因此不能通過(guò)常規(guī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等反饋信號(hào)來(lái)加以控制，只能通過(guò)試驗(yàn)手段間接測(cè)量，獲取經(jīng)驗(yàn)。目前還沒(méi)有單獨(dú)的切實(shí)可行的方法控制HCCI燃燒始點(diǎn)，又由于燃油火焰前的氧化反應(yīng)機(jī)理還未完全清楚，數(shù)值模擬方法進(jìn)行HCCI燃燒始點(diǎn)控制的研究工作只是定性的與試驗(yàn)取得了一致，還無(wú)法實(shí)際應(yīng)用于指導(dǎo)HCCI燃燒始點(diǎn)的控制。

　?。?）運(yùn)行工況的拓展問(wèn)題

　　由于HCCI燃燒反應(yīng)較快，一般采用較大的空燃比或較高的EGR率來(lái)減緩燃燒速率，以防爆震的發(fā)生，但同時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的平均指示壓力難以達(dá)到較高的水平，這就使HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷工況時(shí)混合氣濃度過(guò)稀，發(fā)動(dòng)機(jī)易"失火"；而大負(fù)荷工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)放熱速率過(guò)快，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，可操作范圍不寬。在高負(fù)荷實(shí)現(xiàn)HCCI是國(guó)際上尚未解決的技術(shù)難點(diǎn)。

　?。?）HC和CO排放的控制問(wèn)題

　　HCCI在中小負(fù)荷工況燃燒時(shí)缸內(nèi)溫度過(guò)低(＜2000K)，燃燒效率低，導(dǎo)致高的HC和CO排放。

　?。?）輸出功率的密度較低。

　　（5）熱量的釋放速度較快導(dǎo)致較高的燃燒噪聲。

　?。?）冷啟動(dòng)困難。

　　美國(guó)GM公司在2007年9月推出了汽油HCCI示范車，油耗較常規(guī)汽油機(jī)降低15%到20％，在部分負(fù)荷下，NOX排放可以達(dá)到10ppm以下水平。由于技術(shù)條件的限制，HCCI柴油車暫時(shí)還沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品面世。

　　據(jù)上分析可知，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒過(guò)程具有相當(dāng)大的困難，從實(shí)用化角度來(lái)看，目前有兩種可行的解決方案：

　　第一，采用準(zhǔn)HCCI系統(tǒng)的折衷辦法，即在混合氣的準(zhǔn)備和對(duì)燃燒過(guò)程的控制等方面部分采用HCCI的方法。這一方案使系統(tǒng)既能得到HCCI的某些優(yōu)點(diǎn)又能避開(kāi)一些復(fù)雜的控制，如日產(chǎn)公司的MK系統(tǒng)和本田公司的UNIBUS系統(tǒng)。

　　MK和UNIBUS系統(tǒng)并不是真正的HCCI，它只不過(guò)是為了獲得HCCI在排放和燃燒效率等方面的優(yōu)點(diǎn)而借用了HCCI的某些概念，它是在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)HCCI的極好范例。二者在日本市場(chǎng)上均已投入使用。

　　第二，使用雙模式運(yùn)行方案，即在中低負(fù)荷采用HCCI燃燒方式，在高負(fù)荷仍然采用傳統(tǒng)的柴油燃燒方式。這種方案具有極高的應(yīng)用價(jià)值，但在雙模式下，會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前還處在試驗(yàn)階段。

　　歐Ⅵ與EPA2010排放法規(guī)對(duì)NOx和PM提出了極為嚴(yán)格的要求，因?yàn)椴裼蜋C(jī)HCCI燃燒具有超低的NOx和PM排放，且具有很高的能量轉(zhuǎn)換率，因此燃油經(jīng)濟(jì)性更好，這無(wú)疑對(duì)汽車界具有極大的誘惑力。不過(guò)，因柴油機(jī)HCCI燃燒的HC和CO排放偏高，同時(shí)，影響柴油HCCI燃燒的因素較多，控制起來(lái)十分困難。所以，這種發(fā)動(dòng)機(jī)要真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有很多課題要攻克。不過(guò)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有理由相信，柴油機(jī)HCCI技術(shù)的最終實(shí)用化和商業(yè)化將為期不遠(yuǎn)。業(yè)內(nèi)專家預(yù)言，柴油機(jī)HCCI技術(shù)將會(huì)在2015年左右成熟，商業(yè)化產(chǎn)品將不會(huì)遲于2020年。