柴油机HCCI燃烧特点及影响因素

本文简要介绍了发动机均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的概念和特点,并进一步着重分析了柴油机HCCI燃烧的特点,以及影响柴油机HCCI燃烧的一些重要因素,如混合气形成方式、进气温度、负荷、废气再循环(EGR)、气门正时及压缩比等因素。     

HCCI——一种大有前途的清洁汽车技术(一)

1 HCCI控制发动机排放的基本原理 HCCI,亦称可控自燃着火(CAI,Controlled Auto Ignition),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.     

均质充气压缩点燃(HCCI)技术及其在汽油机上的应用

均质充气压缩点燃着火HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)作为新一代的内燃机燃烧方式,具有传统火花点火汽油机均质混合气特质,同时具有与传统压燃柴油机相当的高效率,具有实现高效、低排放燃烧的巨大潜力。在汽油机普遍采用电控技术,发动机性能得到较大改善的今天,稀薄燃烧技术为汽油机性能的提高提供了广阔的前景。文中在介绍HCCI燃烧技术的基础上,分析了汽油机实施HCCI的可行性及其实用化所面临的问题。     

天然气发动机燃烧方式分析

根据混合气形成和着火方式将天然气发动机的燃烧模式分成均质混合气点燃、非均质混合气点燃、均质混合气压燃和非均质混合气压燃/引燃4种。分析了这4种燃烧模式针对发动机性能和排放方面的特点,讨论了目前存在的问题。认为目前最有实用价值的模式为柴油引燃天然气非均质扩散燃烧,因为其热效率高于火花点火发动机,与传统柴油机相当,而有害排放物排放却较柴油机明显降低,并且相对于HCCI更易实现。     

EGR对乙醇HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

在乙醇HCCI发动机中，随着EGR率的提高，燃烧始点提前。并且在引入EGR后，燃烧变得柔和，有效地避免了爆震的发生。但由于引入EGR后缸内燃烧温度升高，使得氮氧化物的排放增加。加入EGR后，混合气中二氧化碳、水、惰性气体等成分浓度的变化对燃烧有一定的影响。在增加混合气中二氧化碳和水的含量后，缸内的压力和温度都有所降低，且着火始点也都有延迟。混合气中惰性气体的作用则相反，惰性气体使得燃烧始点提前，且缸内压力、温度都升高。     

预燃室催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响

对预燃室壁涂有催化剂的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,分析了催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响;同时分析了预燃室内催化剂种类、过量空气系数、进气温度、进气速度、缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机燃烧特性的影响。结果表明,预燃室存在催化燃烧时对HCCI发动机的着火时刻有很大的影响:随着过量空气系数及预燃室进气速度的增加,HCCI发动机的着火时刻提前;催化剂种类、预燃室缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机着火时刻影响不显著,但对缸内燃烧温度影响显著。     

柴油机预混合燃烧技术

介绍了近年来在柴油机上进行了一系列实现均质预混合燃烧技术的研究 ,包括预混稀薄狄塞尔燃烧系统 ,UNIBUS燃烧系统 ,均质充气压缩着火 (HCCI)燃烧系统 ,准均质预混合气充气压缩点燃 (QHCCI)燃烧系统 ,提出这些研究对于根本解决扩散燃烧的缺陷所具有的重要意义。     

汽油机稀薄燃烧研究的新进展——从GDI到HCCI

论述了GDI采用分层稀薄燃烧的工作特点,详细分析了其开发使用中的难点问题。同时,对被称为第4种燃烧方式的均质混合气压燃模式进行了介绍,总结和分析了它有可能大幅度提高汽油机热效率和降低NOx排放的特点和原因,并提出它在全工况平面内的着火燃烧控制方面的难度。通过分析认为,GDI与HCCI方式的有机结合可能是未来高效低污染汽油机的发展方向。     

二甲醚均质压燃燃烧的详细化学动力学模拟研究

采用由美国Lawrence Livermore国家实验室提出的二甲醚(DME)详细化学动力学反应机理及其开发的HCT化学动力学程序，对均质充量压缩着火(HCCI)发动机燃用DME的着火和燃烧过程进行了分析。为考虑壁面传热的影响，在HCT程序中增加了壁面传热子模型。采用该方法研究了燃空当量比、进气充量加热、发动机转速和EGR等因素对HCCI着火和燃烧的影响。结果表明，DME的HCCI燃烧过程有明显的低温反应放热和高温反应放热两阶段；增大燃空当量比、提高进气充量温度使着火提前；提高发动机转速和采用冷却EGR使着火滞后。     

基于2阶段喷射的缸内直喷汽油机HCCI燃烧的研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用2阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气形成和燃烧，在GDI发动机上实现了均质混合气压燃（HCCI）燃烧方式，研究了缸内2阶段汽油喷射对HCCI燃烧特性的影响。结果表明，压缩行程中的第2次喷油时间可以有效地控制燃烧始点，二次喷油持续期可以控制燃烧速率、燃烧相位和拓宽发动机负荷。     

柴油机均质混合气制备过程的数值模拟

针对复合式进排气系统燃油喷射混合新技术,对均质压燃(HCCI)柴油机的均质混合气制备过程进行了数值分析。建立了研究对象的物理模型和空气—燃油雾化混合的数学模型,对HCCI柴油机混合气形成过程特点与相关参数进行了详细的数值计算,并对复合式进排气系统内柴油喷雾蒸发和混合气形成过程以及影响因素进行了分析。数值研究表明,提出的复合进排气系统燃油喷射混合气制备技术能有效形成较均匀的预混合气,对进一步开发HCCI柴油机具有指导意义。     

火花助燃HCCI燃烧最小点火能量的研究

建立了包括进气温度、进气压力、混合气浓度、EGR率等影响因素的火花点燃过程最小点火能量的计算模型,研究了均质压燃的控制参数(进气温度、压缩比、EGR率)对最小点火能量的影响规律。研究结果表明,使混合气实现压缩自燃的手段,同样也降低了最小点火能量;在火花助燃HCCI过程中,存在产生火花点燃过程的条件;提高点火能量可以降低对进气加热温度的要求。     

EGR对二甲醚HCCI着火过程的数值模拟研究

从化学反应动力学的角度,应用单区燃烧模型和已建立的二甲醚（DME）化学反应机理,对DME均质充量压燃（HCCI）的着火过程进行了数值模拟,分析了不同EGR率对其着火过程的影响,并从热效应及化学效应两方面分析了内部热EGR对燃料着火过程的影响。研究结果表明：内部热EGR对DME的HCCI着火过程有着显著影响。     

混合气分层对HCCI汽油机极限负荷和燃烧特性的影响

对比研究HCCI汽油机在不同空燃比下采用混合气分层策略时的极限负荷、NOx排放量和燃油经济性,考察了在此策略下过量空气系数λ和EGR率对HCCI发动机燃烧特性的影响。结果表明,混合气分层压缩燃烧模式能有效降低HCCI燃烧的压力升高率,具有拓展负荷范围的潜力,但同时也使NOx排放增加;适当的过量空气系数能在一定程度上改善HCCI发动机的燃烧特性,采用9%的EGR率时发动机油耗率最低,具有明显节油效果。     

气缸壁涂加催化剂对均质压燃发动机燃烧特性的影响

通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对气缸壁涂有催化剂的HCCI燃烧过程进行了数值计算。对比分析了缸内催化燃烧对HCCI发动机的着火时刻及NOx排放的影响;讨论了当气缸壁涂有催化剂时进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数及催化剂种类等多种工况参数对HCCI燃烧特性的影响。     

Simulation of HCCI combustion with spatial inhomogeneities via a locally deterministic approach

There has been recent interest in a new engine type, Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), to combine the advantages of SI and CI engines. In this paper, a locally deterministic approach is employed to consider spatial inhomogeneities using the KIVA-CHEMKIN package. Validation is performed for two experimental HCCI engines fueled, respectively, by hydrogen and n-heptane. The full mechanism for hydrogen and a skeletal mechanism for n-heptane are used for combustion chemistry. Differences in the reaction flow paths are shown at ignition and the heat release reaction stages of the two fuels. Results show good agreement between measured and calculated pressures for different initial mixture temperatures with estimated residual fractions. A parametric study is performed in both engines to consider the influences of the physical parameters wall temperature, swirl ratio and global equivalence ratio. The ignition time of n-heptane is shown to be relatively insensitive to variations in these parametric due to its two-stage ignition behavior.     

HCCI combustion characteristics during operation on DME and methane fuels

The Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine has attracted much interest because it can simultaneously achieve high efficiency and low emissions. However, the ignition timing is difficult to control because this engine has no physical ignition mechanism. In addition, combustion proceeds very rapidly because the premixed mixture ignites simultaneously at multiple locations in the cylinder, making it difficult to increase the operating load. In this study, an HCCI engine was operated using blended test fuels comprised of dimethyl ether (DME) and methane, each of which have different ignition characteristics. The effects of mixing ratios and absolute quantities of the two types of fuel on the ignition timing and rapidity of combustion were investigated. Cool flame reaction behavior, which significantly influences the ignition, was also analyzed in detail on the basis of in-cylinder spectroscopic measurements. The experimental results revealed that within the range of the experimental conditions used in this study, the quantity of DME supplied substantially influenced the ignition timing, whereas there was little observed effect from the quantity of methane supplied. Spectroscopic measurements of the behavior of a substance corresponding to HCHO also indicated that the quantity of DME supplied significantly influenced the cool flame behavior. However, the rapidity of combustion could not be controlled even by varying the mixing ratios of DME and methane. It was made clear that changes in the ignition timing substantially influence the rapidity of combustion.