详解均质压燃HCCI:内燃机的未来就靠它了?| 特约评论

这次来说说「均质压燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。

HCCI其实并不是一个特别新的技术。这项技术应该很早就有人提出了,有些人叫他它CAI、Controlled Auto-Ignition、可控的自发点火……正式被叫作HCCI是在1989年。

在HCCI发动机里,燃料和空气是完全预混合的,并且混合气是稀薄的,进气道喷射,一般不用直喷。混合气在缸内压缩,压缩时缸内混合气的温度和压力都会迅速上升,到某个临界点以后,混合气会自发点火(autoignition)。因为缸内混合气是均匀的,缸内气体温度也几乎一样,所以自发点火会迅速在缸内各处发生,快速完成燃烧。气体的自发点火时刻和燃烧速率,由混合气的热力学和化学动力学决定,没有任何外界因素可以直接控制它们。

理论上HCCI可以烧任何燃料,但主流研究的燃料为汽油、天然气、醇类。这类燃料辛烷值都很高,有利于提高压缩比。

我先用两句话说清楚HCCI高效率低排放的原因,然后再慢慢解释——

HCCI高效率的主要原因有: 接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失;

HCCI低排放的主要原因有: 均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。

HCCI的高速燃烧

首先可以确定的是,在相同压缩比下,理想奥拓循环能够实现最大的热效率。再来看一看下面这张 p-V 图,从1-2这是一瞬间的发生的,因为活塞不会停留在某一个位置。也就是说,如果在上止点瞬间完成燃烧,发动机热效率最大。如果燃烧过早,那么在压缩气体时会需要做多余的功,如果燃烧过晚,那么高温气体有一部分能量没有被充分利用。

 所以在上止点附近快速完成燃烧,热效率最高,而HCCI就有这样的特性。那么为什么HCCI燃烧快呢? 

我再解释一下SI发动机是如何进行火焰传播的。做一个简单的假设:假设汽油空气的混合气在1100 K以上,会自发燃烧,而1100 K以下不会。下面手画了一张示意图,火花塞在左侧,火焰从左至右传播。在SI发动机里,压缩过程中气体温度很低,决不会接近1100 K,假设只有800 K。在图a中,左侧的火花塞点火,燃烧开始。燃烧放热会提高局部温度,达到2500 K,高温火焰会提高右侧局部气体的温度,到达着火点,开始燃烧,火焰就这么传播下去了。但是,远处未燃烧的气体温度还是很低,所以并不会自己烧起来。燃烧过程中,气体会膨胀,压缩那些没有燃烧的气体,所以,未燃气体的温度会略有上升,如图b所示,比如到了900 K,但还是低于自发点火温度1100 K,直到燃烧完成。特殊情况下,如果可燃混合气温度在燃烧前温度已经很高,比如有900 K,在火焰传播的过程中,未燃气体的温度有可能被压缩至自发点火温度1100 K以上,那么这些未燃气体会瞬间点火,一起燃烧,这就发生了end gas knocking。

所以,SI的燃烧需要局部的火焰(正在燃烧的气体)和未燃烧气体混合,让局部未燃气体温度提高到自发点火温度之上,才能燃烧。燃烧速度取决于局部气体混合的速度,这相对比较慢。 

但HCCI不是这样。在HCCI发动机里,缸内的气体温度都在1100 K附近,有些气体温度高一点点,有些气体温度低一点点。温度最高的气体先燃烧,放出一些热量,这个时候,那些温度只是低一点点的气体温度就高于1100 K了,所以也开始燃烧。这个过程非常快。举一个极端的例子,如果缸内气体的温度,正好都是1100 K,那么一瞬间,所有的气体都会自发点火,并且完成燃烧——这个时候就会和理想奥拓循环一模一样。但实际情况下,因为气缸壁是冷的,气体会有不同的温度,所以点火时间略有先后,因为偏冷的气体只要热一点点,就能烧起来了,所以HCCI燃烧速度但仍然远快于SI。下面放一张在光学发动机缸内拍摄的气体温度分布的照片,冷和热的地方是随机分布的。热的点烧了,周围一点点的也很快就烧起来了,而不是像SI那样,从中心向外传播的。

John Dec, SAE, 2009-01-0650

高压缩比

压缩比越高当然热效率越高,HCCI一般会比SI压缩比高很多。这有两个原因:一是SI要保证气体不会自发点火,而HCCI要保证气体能自发点火,自然HCCI的压缩比更高;另外,HCCI的混合气一般是稀薄的,那么可以想象,让稀薄气体自发燃烧的温度压力要求更高,所以HCCI可以用更高的压缩比。实际上HCCI压缩比提到16并不是很罕见的事情。 

低温燃烧

HCCI和它的衍生技术其实经常被称作低温燃烧(Low Temperature Combustion,LTC),因为它们的共同特点是燃烧温度很低——SI往往燃烧温度可以达到2500 K,HCCI一般在1900 K以下。 

前面说的快速燃烧和高压缩比,主要是可以提高效率,对排放影响不是很大。而这里说的低温燃烧,对效率、排放影响都很大。

说到这里,有人会问,我之前有一篇文章说卡诺效率,不是高温热源温度越高,热效率上限越高吗?是的,没错,如果高温热源温度是2500 K,卡诺效率是88%。但如果高温热源是1700 K,卡诺效率还有82%。都远远高于奥托循环的热效率上限。因此,热力学第二定律在这里不是特别的重要。事实上,很多时候提高“热力学第二定律效率”和提高“热力学第一定律效率”是矛盾的,而提高第一定律效率更有意义,也更实际。

降低燃烧温度,最大的优点就是,缸内温度低了,散热损失少了。理想奥托循环假设缸内绝热,也就是没有散热损失。所以散热损失越小,热效率越接近理想奥托循环。 

另外,降低燃烧温度还能有效降低NOx排放。下面这张图,是一张非常非常有名的图,你如果看懂这张图了,那说明你对HCCI的理解入门了—— 

我来仔细解释一下:纵坐标是空燃比,不同地方的空燃比定义不一样,在这张图里,空燃比小于1的时候是稀薄的,空燃比大于1的时候是浓的。Soot排放是碳烟,很明显,soot只会在浓混合气、温度不高不低的情况下产生。而柴油机燃烧路径正好完美穿过有soot排放的岛,所以柴油机的soot排放很要命。NOx会在高温富氧的情况下产生,所以SI和CI发动机都会产生NOx。那么,如果使用低温燃烧,把缸内温度控制在2000 K以下,NOx排放就可以完全忽略不计。当然了,温度也不能太低,1450 K有一个CO-CO2的临界转化温度,所以温度太低也不好,燃烧会不完全,从而降低燃烧效率,提高CO排放。 

稀薄、均匀的混合气

从效率角度来说: 首先要均匀的混合气才能实现HCCI。其次,适当稀薄的混合气可以让燃烧更完全,这可以提高发动机效率。另外,我在之前的文章中提到奥拓循环的公式的时候都说不要去管的参数

吗?现在我要说了,这个叫绝热系数,或者比热容比:

这个值一般介于1.3和1.4之间,如果压缩比是15,那么

在1.3和1.4时,理想奥拓循环的效率分别是56%和66%,差别还是挺大的。所以,这个值越大越好。那么怎让它更大?用稀薄混合气,让燃烧温度更低。(比热容比
\gamma 变化规律背后的物理意义,需要一个统计热力学甚至懂量子力学的物理大佬来解释,我不是很清楚。) 

从排放角度来说: 稀薄均匀的混合气可以避免soot排放。也可以避免局部高温产生的NOx。 

限制HCCI应用的两大原因—— 

·HCCI燃烧时刻难以控制

很好理解,柴油机由喷油时刻来控制燃烧,不喷油就不烧,不可能喷了还不烧。汽油机由点火时刻来控制燃烧,不点火就不烧,但点火了一定烧(因为实际点火能量一般远大所需求的最低能量)。HCCI呢?进气道喷完,听天由命。混合气的自动点火对于温度是很敏感的,不同进气温度下怎么保证燃烧时刻一样?冷启动的时候怎么办?这都是问题。但说实话,尽管很麻烦,我认为控制问题还是能解决的,关键在于第二点。 

·HCCI工作区间窄

HCCI由于燃烧太快,所以混合气其实并不能很浓,也就是说,稀薄混合气对于HCCI来说是必须的。这导致了同样排量的HCCI发动机,功率可能只有SI发动机的一半不到。看下面这张图,左边的BMEP可以认为是扭矩,大的框是SI,小的框是HCCI,如果发动机只能运行在小框里,显然不能给车车辆用,扭矩转速都不够。但下面这张图也可以看到,在低负荷,HCCI的优势巨大,主要是SI低负荷的泵气损失让其热效率极低。


为了解决这个问题,有几个方案。一是用混动,用高功率电机+电池来解决一些短暂的高功率需求。二是做SI-HCCI双模的发动机,因为在高负荷情况下,SI的效率其实可以接受,两田已经做到45%了,一般的HCCI热效率其实也就45-55%。但是,双模就有一个问题,HCCI压缩比高,怎么办?当然,有很多种解决方案,但都比较麻烦,以后有机会再讲。 

所以,所有的HCCI衍生技术都是为了解决这两个问题诞生的,各个技术各有优缺点。以后也可以分别详细讲一讲。

 总结:

前面两句话重复一遍,记住这两句话就行了——

HCCI高效率的主要原因有:接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失。

HCCI低排放的主要原因有:均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。

 

作者介绍:

阿葱葱葱,前上海交通大学赛车队技术负责人,美国石溪大学内燃机相关专业在读博士,研究领域主要包括先进内燃机和动力总成。


图片来源:https://www.enginelabs.com/news/video-hcci-future-internal-combustion-engine/

图片来源:https://www.wiley.com/college/moran/CL_0471465704_S/user/tutorials/tutorial9/tut9c_content.html 

Lawler BJ, Filipi ZS. Integration of a Dual-Mode SI-HCCI Engine Into Various Vehicle Architectures. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. 2013;135(5):052802-052802-8. doi:10.1115/1.4022990. 

 



*本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写,他们为本文的真实性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。本文版权归原创作者和盖世汽车所有,禁止转载,违规转载法律必究。

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