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詳解均質(zhì)壓燃HCCI:內燃機的未來(lái)就靠它了?
來(lái)源:
萍鄉德博科技股份有限公司
日期:
2019-04-07 17:07:37
點(diǎn)擊:
4522
屬于:
行業(yè)新聞
--本文轉載自 蓋世汽車(chē)網(wǎng)
這次來(lái)說(shuō)說(shuō)「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)。這項技術(shù)應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)機里,燃料和空氣是完全預混合的,并且混合氣是稀薄的,進(jìn)氣道噴射,一般不用直噴?;旌蠚庠诟變葔嚎s,壓縮時(shí)缸內混合氣的溫度和壓力都會(huì )迅速上升,到某個(gè)臨界點(diǎn)以后,混合氣會(huì )自發(fā)點(diǎn)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(fā)點(diǎn)火會(huì )迅速在缸內各處發(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(méi)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(lèi)。這類(lèi)燃料辛烷值都很高,有利于提高壓縮比。
我先用兩句話(huà)說(shuō)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(méi)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(huán)能夠實(shí)現最大的熱效率。再來(lái)看一看下面這張 p-V 圖,從1-2這是一瞬間的發(fā)生的,因為活塞不會(huì )停留在某一個(gè)位置。也就是說(shuō),如果在上止點(diǎn)瞬間完成燃燒,發(fā)動(dòng)機熱效率最大。如果燃燒過(guò)早,那么在壓縮氣體時(shí)會(huì )需要做多余的功,如果燃燒過(guò)晚,那么高溫氣體有一部分能量沒(méi)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)機是如何進(jìn)行火焰傳播的。做一個(gè)簡(jiǎn)單的假設:假設汽油空氣的混合氣在1100 K以上,會(huì )自發(fā)燃燒,而1100 K以下不會(huì )。下面手畫(huà)了一張示意圖,火花塞在左側,火焰從左至右傳播。在SI發(fā)動(dòng)機里,壓縮過(guò)程中氣體溫度很低,決不會(huì )接近1100 K,假設只有800 K。在圖a中,左側的火花塞點(diǎn)火,燃燒開(kāi)始。燃燒放熱會(huì )提高局部溫度,達到2500 K,高溫火焰會(huì )提高右側局部氣體的溫度,到達著(zhù)火點(diǎn),開(kāi)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(huì )自己燒起來(lái)。燃燒過(guò)程中,氣體會(huì )膨脹,壓縮那些沒(méi)有燃燒的氣體,所以,未燃氣體的溫度會(huì )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,在火焰傳播的過(guò)程中,未燃氣體的溫度有可能被壓縮至自發(fā)點(diǎn)火溫度1100 K以上,那么這些未燃氣體會(huì )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,讓局部未燃氣體溫度提高到自發(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)機里,缸內的氣體溫度都在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(kāi)始燃燒。這個(gè)過(guò)程非???。舉一個(gè)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(huì )自發(fā)點(diǎn)火,并且完成燃燒——這個(gè)時(shí)候就會(huì )和理想奧拓循環(huán)一模一樣。但實(shí)際情況下,因為氣缸壁是冷的,氣體會(huì )有不同的溫度,所以點(diǎn)火時(shí)間略有先后,因為偏冷的氣體只要熱一點(diǎn)點(diǎn),就能燒起來(lái)了,所以HCCI燃燒速度但仍然遠快于SI。下面放一張在光學(xué)發(fā)動(dòng)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(diǎn)燒了,周?chē)稽c(diǎn)點(diǎn)的也很快就燒起來(lái)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(huì )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(huì )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(jiàn)的事情。
低溫燃燒
HCCI和它的衍生技術(shù)其實(shí)經(jīng)常被稱(chēng)作低溫燃燒(Low Temperature Combustion,LTC),因為它們的共同特點(diǎn)是燃燒溫度很低——SI往往燃燒溫度可以達到2500 K,HCCI一般在1900 K以下。
前面說(shuō)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(shuō)的低溫燃燒,對效率、排放影響都很大。
說(shuō)到這里,有人會(huì )問(wèn),我之前有一篇文章說(shuō)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(méi)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(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,缸內溫度低了,散熱損失少了。理想奧托循環(huán)假設缸內絕熱,也就是沒(méi)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(shuō)明你對HCCI的理解入門(mén)了——
我來(lái)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(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(huì )在濃混合氣、溫度不高不低的情況下產(chǎn)生。而柴油機燃燒路徑正好完美穿過(guò)有soot排放的島,所以柴油機的soot排放很要命。NOx會(huì )在高溫富氧的情況下產(chǎn)生,所以SI和CI發(fā)動(dòng)機都會(huì )產(chǎn)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(gè)CO-CO2的臨界轉化溫度,所以溫度太低也不好,燃燒會(huì )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(lái)說(shuō): 首先要均勻的混合氣才能實(shí)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(fā)動(dòng)機效率。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(shuō)不要去管的參數嗎?現在我要說(shuō)了,這個(gè)叫絕熱系數,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 變化規律背后的物理意義,需要一個(gè)統計熱力學(xué)甚至懂量子力學(xué)的物理大佬來(lái)解釋?zhuān)也皇呛芮宄?。?br />
從排放角度來(lái)說(shuō): 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應用的兩大原因——
·HCCI燃燒時(shí)刻難以控制
很好理解,柴油機由噴油時(shí)刻來(lái)控制燃燒,不噴油就不燒,不可能?chē)娏诉€不燒。汽油機由點(diǎn)火時(shí)刻來(lái)控制燃燒,不點(diǎn)火就不燒,但點(diǎn)火了一定燒(因為實(shí)際點(diǎn)火能量一般遠大所需求的最低能量)。HCCI呢?進(jìn)氣道噴完,聽(tīng)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(wèn)題。但說(shuō)實(shí)話(huà),盡管很麻煩,我認為控制問(wèn)題還是能解決的,關(guān)鍵在于第二點(diǎn)。
·HCCI工作區間窄
HCCI由于燃燒太快,所以混合氣其實(shí)并不能很濃,也就是說(shuō),稀薄混合氣對于HCCI來(lái)說(shuō)是必須的。這導致了同樣排量的HCCI發(fā)動(dòng)機,功率可能只有SI發(fā)動(dòng)機的一半不到??聪旅孢@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(fā)動(dòng)機只能運行在小框里,顯然不能給車(chē)車(chē)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(yōu)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(gè)問(wèn)題,有幾個(gè)方案。一是用混動(dòng),用高功率電機+電池來(lái)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,因為在高負荷情況下,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(wèn)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(huì )再講。
所以,所有的HCCI衍生技術(shù)都是為了解決這兩個(gè)問(wèn)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講一講。
總結:
前面兩句話(huà)重復一遍,記住這兩句話(huà)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(méi)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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