汽车超稀薄燃烧技术研究论文

目录

1 绪论 (2)

2 超稀薄燃烧技术的概念 (3)

3 缸外喷射稀燃系统(PFI) (5)

4 直接喷射稀燃系统(GDI) (7)

5.1 GDI发动机的燃油喷射系统 (8)

5.2 GDI发动机与PFI发动机燃油喷射系统的对比 (9)

5.3 GDI发动机的缸内流场 (9)

4.4 GDI发动机的超稀薄燃烧系统 (10)

4.5 GDI发动机的特点 (12)

5 均质混合气压燃系统(HCCI) (15)

5.1 HCCI概念 (15)

5.2 HCCI的燃烧特性 (16)

5.3 HCCI发动机对电控系统的要求 (20)

5.4 HCCI技术的应用 (20)

6 国内外超稀薄燃烧技术发展趋势 (22)

6.1 我国超稀薄燃烧技术发展趋势 (22)

6.2 国外超稀薄燃烧技术发展趋势 (22)

结论 (24)

致谢 (25)

参考文献 (26)

1 绪论

由于全球经济的发展，汽车拥有量迅速增加，成为非常严重的大气污染源。全球机动车保有量的增长比人口增长快得多。有关资料表明，1950年，全世界只有5000万辆汽车；到1995年，全球汽车总量已经超过6.5亿辆，平均每100人拥有10辆汽车；2010年全世界机动车数量达到8.2亿辆（不包括两轮和三轮机动车）。目前世界上大部分汽车集中在发达国家和地区，如ECD （Organizationfor Economic ooperation and Development ）成员国拥有世界汽车的70%，人均拥有汽车数很高，而且这些国家的汽车保有量仍在缓慢上升。如图1-1所示，我国汽车的生产量从1978年的14.9万辆增加到2010年的1826万辆，增加了近123倍，年增加率为19%。轿车年产量从1978年的4千辆增加到1997年的48.1万辆。到2003年底，中国汽车总保有量已超过了2400万辆，2010年底已超过7523万辆。

汽车保有量的持续快速增长加剧了城市环境的污染程度，在发达国家的城市中，汽车排放成为CO 2、CO 、NOx 、SO 2或者微粒等超过标准的大气环境中，每天约有800人因呼吸污染空气而死亡，患肺空气污染的最主要来源，成为人类健康和城市环境的

507

571

728

888

961

1379

1826

2742

3160

4985

5697

6467

7619

8616

1365

2365

2925

3534

4173

5218

7523

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

2004年

2005年

2006年

2007年

2008年

2009年

2010年

单位（万辆）

汽车生产量

民用汽车保有量

私人汽车

图1-1 我国汽车的年产量和汽车保有量

最大威胁。世界城市约有一半的人生活在癌的人的比例逐年增加，控制汽车发动机的 有害排放已刻不容缓。从上世纪70年代开始，各个国家相继对车辆和发动机的尾气

排放进行了严格的控制，并建立了相应的排放法规，随着人们对环保的认识日益加深，对车辆与发动机的排放控制也越来越苛刻。目前，国际上的车辆排放标准主要有三大体系：美国体系、欧洲体系（表1-1）、日本排放标准体系。各国排放法规中对排放测试装置、取样方法、分析仪等方面，大都取得了一致，但测试规范和排放量限值仍有很大差异。欧洲各国自1994年实行欧I排放标准以来，目前已开始实施欧IV标准。而我国自2000年1月1日起开始实施汽车排放标准，采用的是等效欧I的国1排放标准，2004年开始实施国2标准，以后还将逐步等效采用欧洲的排放法规体系。

表1-1轿车（passenger cars）的欧洲汽车废气排放标准（类别M1*），克每公里（g/km）标准等级开始实施日期CO THC NMHC NOx HC+NOx PM P

柴油

欧盟一期1992年7月 2.72

(3.16) - - - 0.97

(1.13)

0.14

(0.18)

-

欧盟二期1996年1月 1.0 - - - 0.7 0.08 - 欧盟三期2000年1月0.64 - - 0.50 0.56 0.05 - 欧盟四期2005年1月0.50 - - 0.25 0.30 0.025 -

欧盟六期(将来) 2014年9月0.500 - - 0.08

0.170 0.005 -

汽油

欧盟一期1992年7月

2.72

(3.16)

- - -

0.97

(1.13)

- -

欧盟二期1996年1月 2.2 - - - 0.5 - - 欧盟三期2000年1月 2.3 0.20 - 0.15 - - - 欧盟四期2005年1月 1.0 0.10 - 0.08 - - -

欧盟五期2009年9月 1.000 0.100 0.068 0.06

-

0.005*

*

-

欧盟六期(将来) 2014年9月 1.000 0.100 0.068 0.06

-

0.005*

*

-

2 超稀薄燃烧技术的概念

要了解超稀薄燃烧就必须先了解什么是稀薄燃烧，稀薄燃烧就是就是发动机在空燃比A/F大于理论空燃比的情况下燃烧。这样，燃料就可以燃烧完全，由于稀薄燃烧

时燃烧室内的主要成份为N

2和O

2

，它们的比热比较小，多变指数k较高，因而热效率

高，燃油经济性好，实现稀薄燃烧技术的关键是点火瞬时在火花塞处形成易于着火的浓混合气，空燃比A/F=12～13.5，其余处为稀的混合气。

在传统的汽车发动机上,为了保证发动机稳定可靠地运转,汽油机正常工作时,其所用混合气成分的空燃比应在12-18范围内调节。超稀薄燃烧是空燃比大于20∶1的

混合气的燃烧过程，它可以使燃料的燃烧更加完全。燃用稀混合气,由于其燃烧后最高温度降低,一方面使通过气缸壁的传热损失较小,另一方面燃烧产物的离解现象减少,使热效率也得以提高。从另一角度分析,采用稀混合气,由于气缸内压力、温度低,不易发生爆震,则可以提高压缩比,增大混合气的膨胀比和温度,减少燃烧室废气残余留量,因而可以提高燃油的能量利用效率。在采用稀混合气的同时,辅以相应的排放控

制措施,汽油机的有害排放物CO、HC、NO

X 、CO

2

将大大地减少,且稀燃时燃烧室内的主

要成分O

2和N

2

的比热较小,多变指数K较高,因而发动机的热效率高,燃油经济性好[1]。

迄今为止，汽油机的发展历时三代（图2-1）。传统化油器式和进气道喷射式汽

图2-1 汽油机发展的三个阶段

油机都是在气缸外形成混合气，然后进入气缸内燃烧，而GDI发动机则将汽油直接喷入到气缸内，利用缸内气流运动、燃油喷射雾化、燃烧室表面引导形成混合气后进行燃烧。表2-1比较了这三代汽油机的工作方式及优缺点：

表2-1 三代汽油机的工作方式及优缺点

GDI发动机PFI汽油机化油器汽油机

喷油方式混合气形成缸内直喷

均质混合气或者分

层稀薄混合气

进气道喷射

均质混合气

无

均值混合气

空燃比范围12～50，甚至更高化学计量比附近12～17

充气效率较较高（取消节流，燃

油汽化对进去冷却）一般（节气门）较低（节气门和喉

管）

压缩比10～13 7～9 6～8

控制精度和响应速度控制精度高，响应速

度快

稳态工况较好，过渡

工况和冷起动则较差

机械系统控制精度

和响应速度最慢

优化潜力可进行全方位的优

化进气管及燃烧的局

部优化

优化潜力小

发动机排放HC 冷起动较少，中小负

荷较多

较多较多NOx 较少高高CO 较多较多较多

现如今人们所知道的车用发动机稀薄燃烧系统包括缸外喷射稀燃系统(PFI)、直接喷射稀燃系统(GDI)和均质混合气压燃系统(HCCI).本课题将对以上三种系统的经济性能、环保性能、工作方式等方面进行对比分析，指出以后汽车发动机的发展方向和可能趋势，为国内的汽车制造企业以后的发展提出合理建议，已达到本课题的研究目的[2]。

3 缸外喷射稀燃系统(PFI)

在普通的PFI系统中进气为均质混合器，其空燃比一般在14.7，不能达到超稀薄燃烧，但是通过组织进气气流就可以达到超稀薄燃烧的效果，进气道喷射稀燃系统根据进气流在气缸内的流动形式不同,可分为涡流分层（如图3-1）和滚流分层（如图3-2）两种

1）涡流分层燃烧：这种燃烧方式一般是通过对进气系统的合理配置，使缸内产生强烈的涡流运动。在进气冲程初期，随着活塞向下运动，缸内形成较强的涡流。通过控制喷油时刻使喷油器在进气后期喷油，进入气缸的燃油大部分就保持在气缸的上部，气缸内的强涡流起到维持混合气分层的作用，气缸内将形成上浓下稀的分层效果，火花塞周围有较浓的混合气。这样形成的涡流在压缩后期虽然随着活塞的上行逐渐衰减，但涡流的分层效果仍可大体一直保持到压缩上止点，有利于点火燃烧。

图3-1 涡流分层燃烧系统

2）滚流分层燃烧：滚流分层多用于进气道对称布置的多气门发动机，当进气门升程较小时，进气流在缸内的流动紊乱，有规律的流动不明显。此时存在两个旋转轴相互平行而垂直于气缸轴线的涡团，一个在进气门下方靠近进气道一侧，另一个在进气道对侧，大致位于排气门下方，此为非滚流期。当气门升程加大时，位于进气道对侧的涡团突然加强，进而占据整个燃烧室，与此同时另一个涡团逐渐消失，此为滚流产生期。随着气门升程的加大和活塞下移，滚流不断加强。在进气行程下止点附近滚流达到最强，此为滚流发展期。压缩行程属滚流的持续期。在压缩行程后期，由于燃烧室空间扁平，不适于滚流发展而遭破坏。在上止点附近，滚流几乎被压碎而成为小尺度的湍流，此为破碎期。滚流的生命周期短，点火后将很快在燃烧过程中消失。正是由于滚流在上止点附近破碎为湍流，将进气流动的动能转化为湍动能，才有利于发动机性能的提高[3]。

图3-2 滚流分层燃烧系统

4 直接喷射稀燃系统(GDI)

目前市场上的GDI汽油机存在两种主要工作模式：1）非均质、充量分层的稀薄燃烧；2）均质当量混合气燃烧。大多数采用充量分层稀薄燃烧的GDI发动机根据工况不同采用混合燃烧模式：中小负荷时，为了获得较好的燃油经济性，GDI发动机的节气门保持全开，燃油在压缩冲程后期喷入燃烧室，形成非均质的混合气，在火花塞周围的混合气较浓，远离火花塞区域为稀薄混合气，全局空燃比为25

~

40，为分层稀薄燃烧，燃油消耗下降率高达35%；在大负荷时，为了得到较高的动力性，采用化学计量的混合气，燃油在进气冲程早期喷入燃烧室，燃油与空气在燃烧室内充分的混合，为均质当量燃烧(图4-1)；当GDI发动机全部采用均质当量混合燃烧模式时，它可以使用目前PFI发动机上广泛使用的、技术成熟的TWC满足严格排放法规的要求，从而避免了使用技术尚未成熟、对汽油硫含量要求较高的稀燃NOx催化转化器，尽管均质当量GDI发动机的节油效果不如分层稀燃的GDI，但在与其它先进技术结合下，也能获得较好的节油效果，因而成为目前国际上GDI发动机的发展主流[4]。

图4-1 GDI发动机不同工况下工作模式的选择

表4-1GDI发动机的工作模式

工况主要目

标空燃比节气门充量负荷调

节

喷油正

时

喷油

压力

油速穿

透

燃油雾

化

中低负荷经济性25-40 节气门

全开

分层质调节压缩行

程晚期

高浅好

大负荷动力性14.7左

右开度变

化

均质量调节进气行

程早期

低深差

5.1 GDI发动机的燃油喷射系统

GDI发动机的不同工作模式对其喷射系统提出的要求为：既要满足全负荷时在进气行程内的喷射，而且还要满足部分负荷时在压缩行程后期即活塞接近上止点时的喷射，因此它的喷射压力要达到5-12MPa，同时为确保快速形成良好的混合气，GDI喷油器能够产生雾化程度较高的喷注，即大多数GDI若要达到较低的未燃碳氢（UBHC）排放和循环变动，其油滴的SMD应小于25μm，而进气道喷射的喷雾特性对燃烧过程的影响较小，SMD在200μm时即可满足要求；喷油器还应具有较高的动态响应性，晚喷时，它能在较窄的喷射脉宽内喷出预期数量的燃油，实现分层燃烧；此外，喷油器位于缸内，工作条件恶劣，要求它对嘴端沉积物的生成和高温有更强的耐受力。

喷油器的结构形式对喷雾质量的影响很大。常见的喷油器有三种：多孔喷油器（multihole injector）、外开轴针式喷油器（outwardly opening pintle injector）和内开旋流式喷油器（inwardly opening swirl inector），各种喷油器结构(见图4-2)。由于GDI发动机的喷射压力远低于柴油机，使多孔式喷油器的喷嘴易于积碳、堵塞、雾化不良，导致燃烧时火焰传播不稳定，容易产生碳烟排放，因此GDI上使用不多；类似于伞喷的外开单孔轴针式喷嘴，能够改善喷雾质量，不易积碳和堵塞，可以取消压力室容积，设计出燃油的旋流运动，同时兼顾喷雾锥角、贯穿距离和燃油粒度的不同要求，但它的密封性较差。目前在GDI发动机上得到广泛使用的是内开旋流式喷油器[5]。

图4-2 各种喷油器的结构

5.2 GDI发动机与PFI发动机燃油喷射系统的对比

GDI发动机的喷油特性大多数和进气道喷油是一样的，他们有共同的特点，但是GDI发动机比PFI发动机要求更加严格，表4-2是它们喷油特性的对比。

表5-2 GDI发动机与PFI发动喷油特性对比

GDI的燃油控制与PFI 的共同要求GDI的燃油控制比PFI要求更加严格之处

1. 精确的燃油计量（通常在线性流量范围的±2％之内）；

2 要求喷射油束有最小的喷射方位偏差；

3 在整个运行范围，具有良好的喷雾轴对称性；

4 最小的滴漏和零燃油泄漏，尤其在冷起动运行时；

5 喷油量和喷油脉宽之间，有较好的线性关系；

6 油路油压脉动时对喷射特性的影响小；

7 循环之间，以上参数变化小。1 提高雾化水平；喷雾的SMD（索特平均直径）小；

2 动态响应快；

3 喷油器密封状态好，不得泄漏；

4 避免因针阀弹跳而造成不希望的二次喷油；

5 喷油器流量特性线性度高，偏差小；

6 更强调对喷射穿透度的控制；

7 更强调对喷射压力的控制；

8 提高抑制沉淀物形成的能力；

9 在热负荷梯度下，有较小的流动变化；

10 喷油器能耐高温；

11 严格定位安装喷油器；

12 满足不同燃烧系统的需要，能灵活地在变化的倾斜轴上产生倾斜轴喷射。

5.3 GDI发动机的缸内流场

汽油机缸内流场结构一般有三种：涡流（旋转轴线平行于气缸中心线）、滚流（旋转轴线垂直于气缸中心线）和挤流（压缩冲程后期活塞接近上止点时，与缸盖间隙处的径向气体流动，它有助于加强压缩终了的缸内湍流强度）。[6]

GDI发动机的超稀薄燃烧需要合适的气流运动帮助形成预期的混合气分层。其中

涡流比滚流具有更小的粘性耗散，生存期较长，可以充分利用它来维持压缩冲程的混合气分层；滚流在燃烧室的曲面引导下容易衰减成大尺度二次滚流结构，很难保持稳定的混合气分层，但滚流在上止点附近有助于加强湍流强度，同时在压缩冲程中它所具有的加速旋转特性能提高壁面处的气流速度，从而促进壁面油膜的蒸发。

三菱公司GDI发动机利用进气滚流配合优化设计的活塞顶曲面形状实现混合气的分层，(如图4-3所示)。立式进气道取代了传统发动机中使用的横向进气道，进气行程中吸入的空气在立式进气道的引导下沿气缸壁向下流动，产生了大尺度的逆滚流，活塞顶面为成弧状曲面，其上有小型的球形燃烧室，当喷油器将油束直接喷射到燃烧室内时，借助于球型燃烧室凹坑壁面以及立式进气道产生的逆滚流，将燃油蒸汽导向火花塞。直立气道具有较高的流量系数，发动机高转速时的性能得到提高，同时喷油器的喷射角度更加容易安排；另外油束和活塞顶凹坑的相互作用对曲轴转角的依赖性变小，可在更宽的转速范围内实行混合气分层[6]。

图4-3 三菱GDI发动机与传统进气道喷射发动机缸内流场的比较

4.4 GDI发动机的超稀薄燃烧系统

在GDI发动机中，为了使混合气在中小负荷实现分层，燃烧系统的设计非常重要。它依靠燃烧室形状、气流运动和喷雾形态的相互配合形成所需的分层混合气。按混合气形成的方式不同，可以分为三种。如图4-4所示。

图4-4 GDI发动机的燃烧系统

4.4.1 喷雾引导

采用喷雾引导的GDI发动机将火花塞与喷油器布置得很近，并位于燃烧室中心或附近。这样布置结构简单，火花塞周围容易形成较浓的混合气，并在较小的空间范围内产生有效的混合气分层，同时采用强涡流保持混合气分层的稳定性。然而火花塞与油束间距离过短，限制了进气门面积，影响充气效率的提高，同时油雾也容易打湿火花塞，造成积炭和点火困难，火花塞使用寿命下降。然而，喷束引导型燃烧系统却有着实现更稀燃烧和扩大稀燃区域的潜力，喷束引导燃烧系统成为许多厂家和科研机构开发的下一代燃烧系统，是目前分层稀燃直喷燃烧系统发展的一个重要方向。[8]

4.4.2 壁面引导

在壁面引导的GDI发动机中，中间布置火花塞，侧面安装喷油器。喷油器将油束直接喷射到燃烧室内，利用特殊的活塞凹坑形状配合气体滚流运动，将燃油蒸汽导向火花塞，并在火花塞周围形成合适浓度的混合气。三菱、丰田、Nissan、大众等公司开发的机型均采用此燃烧系统。

4.4.3 气流引导

气流引导的GDI发动机将喷油器和火花塞远距离布置。与壁面引导相比：喷油器不再把燃油直接喷向活塞顶凹坑内，而是对准燃烧室的中心喷向火花塞（但不朝向火花塞电极），综合利用进气道和活塞表面在缸内形成的滚流与涡流运动实现混合气的分层。FEV公布的一些开发方案采用的就是这种燃烧系统[7]。

4.5 GDI发动机的特点

4.5.1 GDI汽油机相对于PFI汽油机的优越性

对于缸内直喷汽油机，在进气过程中喷入气缸内的汽油蒸发吸热，可降低进气温度，所以缸内直喷技术可提高汽油机的抗爆性，直喷汽油机可以采用更高的压缩比。同时由于进气被冷却，直喷汽油机的充气效率更高。高的压缩比和燃烧过程的改善，使得GDI发动机燃油经济性能够得到显著改善。对于不同的测试循环，GDI发动机燃油经济性最大可以提高15%～20%。图4-5是一台日本三菱直喷式汽油机在转速为2000r/min时的试验结果。由于应用分层燃烧，空燃比可达40，燃油经济性改善30%。

图4-5 GDI与PFI发动机的对比

对于传统的PFI汽油机，20%的喷油器装在气缸盖上，另外80%的喷油器安装在靠近气缸盖的进气歧管上。在汽油机起动时，喷出的燃油会在进气门上和进气道内形成液态油膜，这些沉积的燃油在进气过程中逐渐蒸发后进入气缸燃烧，导致汽油机起动阶段缸内混合气的浓度难以精确控制。冷起动时，部分燃油蒸发现象导致供油延迟和计量偏差，加上燃油蒸发困难，使得实际供油量远大于实际所需的以实现稳定起动。通常PFI汽油机冷起动时有4～10个不稳定燃烧循环，这显著地加大了发动机未燃HC 排放。

GDI汽油机可以避免PFI汽油机进气道燃油湿壁现象，实现缸内混合气的准确控制，降低各缸之间、各循环之间的燃烧变动。GDI汽油机采用高压燃油喷射技术，提高了燃油的雾化质量，使得汽油机能在前两个循环无需额外供油就能起动，并能实现稳定燃烧，这样GDI发动机冷起动时的HC排放迅速降低。

PFI发动机在中、小负荷时采用节气门来控制负荷，导致节流损失增大（如图4-6）。GDI发动机在中、小负荷时可以采用分层充气工作模式，通过控制喷入气缸内的油量来控制发动机的负荷，降低了泵气损失和传热损失。

图4-6 示功图-泵气损失

此外，GDI汽油机还可以实现减速断油，不但能提高燃油经济性，而且还能降低HC排放。但减速断油技术在PFI发动机上是不可行的，因为它会减少或消除进气道内的油膜，而在汽油机转速增加时又需要几个循环的过渡才能在进气道内建立稳定的油膜。如果在这个过程中燃烧室内形成很稀的混合气，导致失火，则未燃HC排放迅速增大[8]。

4.5.2 GDI发动机相对于PFI发动机的局限性

相对于技术成熟的PFI发动机，稀燃GDI发动机具有显著的燃油经济性，但是它的排放控制等问题在一定程度上限制了它的应用范围。目前，GDI发动机面临的挑战有：

a)排放控制

分层混合气浓度非均匀分布，存在较浓的混合气，在这些区域中局部燃烧温度仍然较高，导致NO

排放较多，然而总体混合气较稀不能有效利用三效催化器；分层混

X

合气外边界较稀的部分易发生火焰熄灭现象，同时缸内喷油在活塞顶部和气缸壁上形

成湿壁现象，使得小负荷时直喷汽油机的HC排放相对较高；分层燃烧工况由于混合气浓度分布不均匀，GD I发动机的微粒排放也会增加。

b)稳定燃烧控制

GDI发动机分层充气稀燃区域的稳定燃烧控制难度较大，部分负荷分层稀燃和大负荷均质燃烧模式转变时的控制也非常复杂；为了降低NO

X

排放GDI发动机采用较高的EGR率，且喷油嘴沉积物增加，都增加了稳定燃烧控制的难度。

c)燃油经济性

燃油缸内直喷需要较高的供油压力，这不但增加了发动机的机械损失，而且喷嘴、油泵驱动增加了额外的电能消耗，催化器快速起燃和再生补偿也会增加燃油消耗。

d)可靠性

相对PFI发动机，GDI发动机喷嘴沉积物和积炭增多，并且由于提高了系统压力，降低了燃油的润滑性，增加了供油系统的磨损；由于使用较稀的混合气，缸套的磨损增加，进气门和燃烧室的沉积物也增加。

e)控制复杂性

GDI发动机从冷起动到全负荷各种工况需要复杂的供油和燃烧控制，并需要复杂的排放控制系统和控制策略，同时也增加了系统优化的标定参数。

GDI发动机要求复杂的供油系统硬件，需要高压油泵和更复杂的控制系统。虽然

GDI发动机稀燃能够降低NO

X 的排放，但是达不到三效催化器降低NO

X

排放90%的水平。

因此，稀燃GDI发动机面临的重要问题是NO

X

排放控制。世界范围内正在开发的稀燃

催化器，其NO

X

转化效率仍低于三效催化器。此外，小负荷时GDI汽油机的HC排放仍待解决[9]。

由上述分析可知，GDI发动机面临排放、燃烧稳定性、燃油经济性、可靠性以及电子控制复杂性等方面的挑战。为了提高经济性和解决排放问题，GDI发动机技术近期将可能按照图4-7所示的方向发展。

图4-7 GDI 发动机近期发展的趋势

5 均质混合气压燃系统(HCCI)

HCCI 发动机就是均质混合气压燃发动机。早在1979年，Onishi 等人即在二冲程发动机上第一次研究HCCI ；1992年，Stock inger 等人在一个真实产品发动机上研究HCCI ；1994年，Iida 用甲醇作为燃料也做了HCCI 试验；Thring 提出在四冲程客车发动机上使用HCCI 和SI 混合的双工作模式发动机；在1997年，Christenson 等人在一个1.6升单缸四冲程发动机上做了压缩比为21的HCCI 试验，试验中使用了正辛烷、乙醇和天然气三种燃料；Suzuki 等人用柴油作燃料在大负荷下做了HCCI 试验[10]。

5.1 HCCI 概念

发动机HCCI 的燃烧，需要燃油与空气均质混合，混合气在压缩冲程活塞接近上止点的时刻，自动着火燃烧。这种燃烧方式的特征，既有传统汽油机的混合气均质混合，又有传统柴油机的压燃式工作。

传统柴油机采用高压缩比压燃式工作，不用节气门，泵气损失小，其热效率和部分负荷燃油经济性优于普通汽油机，但是柴油喷射形成非均匀的混合气，燃烧温度高产生NOx 排放物，局部缺氧造成碳烟和微粒排放；传统汽油机采用均质混合气燃烧，燃料与空气混合均匀，燃烧完善，通常不产生碳烟微粒，但是需要节气门，在部分负荷时泵气损失大，燃油经济性差。有关研究已经证明，HCCI 发动机兼有传统汽油机和

分层稀薄燃烧系统

避免引导系统

喷雾引导系统

进气引导系统

采用λ=1的均质混合燃烧方式

实现GDI 发动机 的HCCI 燃烧

优化燃烧系统扩

大分层稀燃区域

采用分层充气或均质（λ =1）充气的涡轮增压技术

柴油机的优点[11]。

5.2 HCCI的燃烧特性

HCCI燃烧的过程可以分为两个阶段，即冷焰阶段和主要放热阶段。大约在活塞到达压缩上止点之前20度曲轴转角处，出现冷焰。它们非常微弱，均匀分布在整个燃烧室中。在冷焰和主要放热阶段开始之间，没有火光。活塞接近压缩上止点处，主要放热阶段开始。混合气在燃烧室任意之处同时开始燃烧如图5-1。但燃烧室壁面附近，由于温度较低，放热被延迟，从而导致总的放热过程被减慢。

图5-1 HCCI缸内燃烧过程

从理论上而言，在HCCI燃烧过程中，均匀混合气被压缩燃烧，同时在许多点处开始着火，没有明显可看见的火焰前锋面，也没有限于一处的高温反应区，这样抑制了NOx和颗粒物质的产生。但是，HCCI燃烧在内燃机中的使用仍有两个最主要的困难，即燃烧着火点的控制和在整个发动机运行范围内燃烧率的控制。而这两方面还没有直接的方法可以控制，只有从影响燃烧的参数入手进行间接调节[12]。

5.2.1 在汽油机上实施HCCI的条件

从汽油的理化特性分析，汽油的沸点低，蒸发性能好，因而在常温或稍加热的条件下容易与空气形成预制均质混合气。然而汽油的燃点高，难自燃。预制均质混合气若实现压燃，需要压缩温度高于启燃温度。研究表明，包括汽油在内的常见液体燃料，在一定压力和温度下都可以自燃，只是燃点不同。在高压缩比汽油机上，汽油在压缩温度900K以上可以着火燃烧。（如图5-2）我们知道，传统汽油机的爆震燃烧，正是由汽油的自燃现象而引起。

图5-2 三种燃烧方式对比

传统汽油机，利用火花塞点火，需要混合气稳定性好、抗爆性好，无自燃现象的干扰。传统汽油机上的汽油自燃现象，常表现为爆震燃烧，工作粗暴，对发动机的破坏性大。一般认为爆震机理是：可燃混合气在燃烧室被点燃后，一部分可燃混合气正常燃烧，而末端混合气因受已燃混合气的高温、高压作用，其物理及化学准备过程加剧，生成大量不稳定的过氧化物，在正常的火焰前锋面还未到达之前形成多个新的火焰中心，便自行发火并以爆炸性的燃烧向四周传播，形成爆震。如果没有火花点火或推迟点火，常规汽油机的爆震就能消失。说明火花点火燃烧与汽油自燃现象的同时发生是出现爆震的关键条件。

HCCI汽油机要利用汽油的自燃能力，实现均质混合气压缩着火。没有火花引燃的已燃混合气的高温、高压作用，并避免压缩压力和温度过高，可以实现混合气压燃而不爆震。使用HCCI燃烧方式，燃烧室内混合气多点同时着火，如果燃烧速度过快，就会成为爆炸性燃烧，工作粗暴，燃烧噪声大。实验证明，汽油机在较稀混合气的情况下，选择适当的进气温度和压缩比，可以实现可靠压燃，柔和工作，得到良好的性能指标。

5.2.2 性能优越性

试验证明，无论燃用汽油还是柴油，HCCI发动机热效率高，燃油经济性好，NOx 排放浓度低，无微粒排放。

(1)热效率较高，燃油经济性好

即使使用汽油作燃料，HCCI发动机的有效热效率也不低于传统柴油机，通常可以达到40%以上。相对传统汽油机来说，主要原因有三方面，一是不用节气门，减少了泵气损失；二是燃烧持续期短，热损失少；三是混合气稀，燃烧充分。此外，在不用特殊高温进气措施时，HCCI汽油机需要提高压缩比才能实现压缩自燃，对提高热效率也有利。

(2)NOx浓度较低、无微粒排放

NOx的产生条件是高温、富氧、持续时间长。HCCI发动机，目前常用较稀的混合气，其均质混合气在燃烧室内多处同时燃烧，燃烧速率快，火焰温度低，有利于抑制NOx的生成。（如图5-2、5-3）和空气混合均匀，而且氧气充足，避免了燃料缺氧而排放碳烟的现象的发生。

图5-3 HCCI的排放区间对比

5.2.3HCCI发展面临的关键问题

HCCI发动机的实用化，面临的关键技术问题是：着火时刻的控制、工况范围的局限性以及冷起动的着火难等。

(1)着火时刻的控制难

HCCI发动机要稳定而不粗暴的工作，必须保证着火时刻稳定，而且不得过早或过晚。着火时刻由混合气的启燃能力决定。如果混合气过早达到启燃温度，着火燃烧，最高爆发压力太接近上止点，则造成燃烧压力升高率过高，工作粗暴；如果混合气达

到启燃温度的时刻过晚，譬如上止点之后，则燃烧效率低而且容易出现失火。

传统汽油机燃用均质混合气，由火花塞点燃着火，着火时刻由火花点火时间控制；传统柴油机采用压燃式着火，燃油喷射时刻接近压缩冲程上止点，非均匀分布的燃油在燃烧室内滞留时间短，启燃发生在最先喷入的燃油所处的位置，着火时刻由喷油时刻控制。但是HCCI 燃烧采用预混合，形成均质混合气，混合气在压缩冲程末期受压缩升温自燃。着火时刻受进气温度、进气量、空燃比、压缩比、燃烧室温度、缸内废气系数、配气相位、发动机转速、燃料成分等因素的影响，这些影响因素随时多变而又相互影响，要在稳定工况确保着火时刻的稳定性比较困难。已有文献报道的着火时刻的控制策略(如图5-4)所示。在一定燃料品质、一定发动机结构参数情况下，实现HCCI 发动机的关键是精确控制喷油时刻和喷油量。

图5-4 控制HCCI 着火时刻的方法

(2)工况范围有局限

HCCI 燃烧方式，目前仅能应用于中低负荷工况，不能用于大负荷工况。在大负荷工况时，由于燃烧速度快，燃烧噪声大，工作过分粗暴，并生成大量NOx 。在大负荷工况时，若使用稀混合气、大量废气再循环或缸内喷水的方法，以柔化燃烧，必然影响功率输出。从火花点火式发动机的研究经验得知，混合气过浓或过稀，都能降低燃烧速度，但混合气过浓，必将影响燃油经济性甚至出现缺氧冒烟现象。迄今尚未见HCCI 应用于大负荷工况的成功实例。

(3)冷起动的着火难

控制HCCI 燃烧的方法

改变混合气的自燃特性 改变混合气的物理状态

1.采用多种燃料混合

2.加入燃油添加剂

3.燃油前处理

4.EGR

1.调节进气温度或压力

2.缸内喷油定时

3.水喷法

4.采用可变压缩比

5.采用可变配气相位

6.采用内部或外部EGR

HCCI的着火，需要混合气压缩温度高于启燃温度，汽油的启燃温度大致在1000K 左右。在冷起动时，燃烧室壁面温度低，也没有可用的高温废气，要在燃烧室内得到高温均质混合气比较困难。低温进气供油，仅有轻馏分形成混合气，要实现混合气着火，需要供给更多的燃油，燃烧便不是HCCI了。

5.3 HCCI发动机对电控系统的要求

HCCI发动机对电控系统的要求比GDI发动机更加严格。

1)雾化要求高

如果在缸内直喷式发动机基础上实现HCCI，为实现均匀混合气压燃，就必须采用喷雾质量高的喷油器；

2)喷油正时精确

因为是压缩燃烧，着火时间对温度、EGR量、喷油量和喷油雾化效果等很多因素都很敏感，每缸循环变化都很大，所以对于每缸的喷油量最好采用独立精确控制。

3)便于实现双工作模式

为解决HCCI发动机工况范围受局限和冷启动困难的问题，多采用双工作模式。要求发动机电控系统根据工况变化，实时控制点火信号，便于实现双工作模式的切换[13]。

5.4 HCCI技术的应用

在HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiseOtto 1.8T直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后（如图5-5），输出功率达到238hp，最大扭矩达到400Nm，完全就是一台3.5L V6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧化碳排放仅127g/100km。

采用HCCI技术的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油机的油耗也仅为4.3L/100km，比常规技术降低15％以上。相信随着技术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份贡献。