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詳解均質壓燃HCCI:內燃機的未來就靠它了?

日期:2019年4月7日 標簽:[行業新聞] 來源:轉載 訪問統計:884
--本文轉載自  蓋世汽車網
 
  這次來說說「均質壓燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。

  HCCI其實并不是一個特別新的技術。這項技術應該很早就有人提出了,有些人叫他它CAIControlled Auto-Ignition、可控的自發點火……正式被叫作HCCI是在1989年。

  在HCCI發動機里,燃料和空氣是完全預混合的,并且混合氣是稀薄的,進氣道噴射,一般不用直噴。混合氣在缸內壓縮,壓縮時缸內混合氣的溫度和壓力都會迅速上升,到某個臨界點以后,混合氣會自發點火(autoignition)。因為缸內混合氣是均勻的,缸內氣體溫度也幾乎一樣,所以自發點火會迅速在缸內各處發生,快速完成燃燒。氣體的自發點火時刻和燃燒速率,由混合氣的熱力學和化學動力學決定,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,理想奧拓循環能夠實現最大的熱效率。再來看一看下面這張 p-V 圖,從1-2這是一瞬間的發生的,因為活塞不會停留在某一個位置。也就是說,如果在上止點瞬間完成燃燒,發動機熱效率最大。如果燃燒過早,那么在壓縮氣體時會需要做多余的功,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發動機是如何進行火焰傳播的。做一個簡單的假設:假設汽油空氣的混合氣在1100 K以上,會自發燃燒,而1100 K以下不會。下面手畫了一張示意圖,火花塞在左側,火焰從左至右傳播。在SI發動機里,壓縮過程中氣體溫度很低,決不會接近1100 K,假設只有800 K。在圖a中,左側的火花塞點火,燃燒開始。燃燒放熱會提高局部溫度,達到2500 K,高溫火焰會提高右側局部氣體的溫度,到達著火點,開始燃燒,火焰就這么傳播下去了。但是,遠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,未燃氣體的溫度會略有上升,如圖b所示,比如到了900 K,但還是低于自發點火溫度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很高,比如有900 K,在火焰傳播的過程中,未燃氣體的溫度有可能被壓縮至自發點火溫度1100 K以上,那么這些未燃氣體會瞬間點火,一起燃燒,這就發生了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,讓局部未燃氣體溫度提高到自發點火溫度之上,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發動機里,缸內的氣體溫度都在1100 K附近,有些氣體溫度高一點點,有些氣體溫度低一點點。溫度最高的氣體先燃燒,放出一些熱量,這個時候,那些溫度只是低一點點的氣體溫度就高于1100 K了,所以也開始燃燒。這個過程非常快。舉一個極端的例子,如果缸內氣體的溫度,正好都是1100 K,那么一瞬間,所有的氣體都會自發點火,并且完成燃燒——這個時候就會和理想奧拓循環一模一樣。但實際情況下,因為氣缸壁是冷的,氣體會有不同的溫度,所以點火時間略有先后,因為偏冷的氣體只要熱一點點,就能燒起來了,所以HCCI燃燒速度但仍然遠快于SI。下面放一張在光學發動機缸內拍攝的氣體溫度分布的照片,冷和熱的地方是隨機分布的。熱的點燒了,周圍一點點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

 

  壓縮比越高當然熱效率越高,HCCI一般會比SI壓縮比高很多。這有兩個原因:一是SI要保證氣體不會自發點火,而HCCI要保證氣體能自發點火,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,讓稀薄氣體自發燃燒的溫度壓力要求更高,所以HCCI可以用更高的壓縮比。實際上HCCI壓縮比提到16并不是很罕見的事情。

 

低溫燃燒

 

  HCCI和它的衍生技術其實經常被稱作低溫燃燒(Low Temperature CombustionLTC),因為它們的共同特點是燃燒溫度很低——SI往往燃燒溫度可以達到2500 KHCCI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,不是高溫熱源溫度越高,熱效率上限越高嗎?是的,沒錯,如果高溫熱源溫度是2500 K,卡諾效率是88%。但如果高溫熱源是1700 K,卡諾效率還有82%。都遠遠高于奧托循環的熱效率上限。因此,熱力學第二定律在這里不是特別的重要。事實上,很多時候提高“熱力學第二定律效率”和提高“熱力學第一定律效率”是矛盾的,而提高第一定律效率更有意義,也更實際。

 

  降低燃燒溫度,最大的優點就是,缸內溫度低了,散熱損失少了。理想奧托循環假設缸內絕熱,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。

 

  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——
 

 

  我來仔細解釋一下:縱坐標是空燃比,不同地方的空燃比定義不一樣,在這張圖里,空燃比小于1的時候是稀薄的,空燃比大于1的時候是濃的。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生。而柴油機燃燒路徑正好完美穿過有soot排放的島,所以柴油機的soot排放很要命。NOx會在高溫富氧的情況下產生,所以SICI發動機都會產生NOx。那么,如果使用低溫燃燒,把缸內溫度控制在2000 K以下,NOx排放就可以完全忽略不計。當然了,溫度也不能太低,1450 K有一個CO-CO2的臨界轉化溫度,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現HCCI。其次,適當稀薄的混合氣可以讓燃燒更完全,這可以提高發動機效率。另外,我在之前的文章中提到奧拓循環的公式的時候都說不要去管的參數嗎?現在我要說了,這個叫絕熱系數,或者比熱容比:

 

 

  這個值一般介于1.31.4之間,如果壓縮比是15,那么在1.31.4時,理想奧拓循環的效率分別是56%66%,差別還是挺大的。所以,這個值越大越好。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 變化規律背后的物理意義,需要一個統計熱力學甚至懂量子力學的物理大佬來解釋,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生的NOx

 

  限制HCCI應用的兩大原因——

 

  ·HCCI燃燒時刻難以控制

 

  很好理解,柴油機由噴油時刻來控制燃燒,不噴油就不燒,不可能噴了還不燒。汽油機由點火時刻來控制燃燒,不點火就不燒,但點火了一定燒(因為實際點火能量一般遠大所需求的最低能量)。HCCI呢?進氣道噴完,聽天由命。混合氣的自動點火對于溫度是很敏感的,不同進氣溫度下怎么保證燃燒時刻一樣?冷啟動的時候怎么辦?這都是問題。但說實話,盡管很麻煩,我認為控制問題還是能解決的,關鍵在于第二點。

 

  ·HCCI工作區間窄

 

  HCCI由于燃燒太快,所以混合氣其實并不能很濃,也就是說,稀薄混合氣對于HCCI來說是必須的。這導致了同樣排量的HCCI發動機,功率可能只有SI發動機的一半不到。看下面這張圖,左邊的BMEP可以認為是扭矩,大的框是SI,小的框是HCCI,如果發動機只能運行在小框里,顯然不能給車車輛用,扭矩轉速都不夠。但下面這張圖也可以看到,在低負荷,HCCI的優勢巨大,主要是SI低負荷的泵氣損失讓其熱效率極低。

 

  
  為了解決這個問題,有幾個方案。一是用混動,用高功率電機+電池來解決一些短暫的高功率需求。二是做SI-HCCI雙模的發動機,因為在高負荷情況下,SI的效率其實可以接受,兩田已經做到45%了,一般的HCCI熱效率其實也就45-55%。但是,雙模就有一個問題,HCCI壓縮比高,怎么辦?當然,有很多種解決方案,但都比較麻煩,以后有機會再講。

 

  所以,所有的HCCI衍生技術都是為了解決這兩個問題誕生的,各個技術各有優缺點。以后也可以分別詳細講一講。

 

  總結:

 

  前面兩句話重復一遍,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:均勻稀薄的預混合氣和低溫燃燒。

 

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