均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇均质压燃与低温燃烧的燃烧技术研究进展与展望范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要 ：从“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧理论的演化，汽油燃料“均质压燃、低温燃烧”技术发展，柴油燃料“均质压燃、低温燃烧”和“均质压燃、低温燃烧”燃料特性等4个方面，介绍了国内外“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术的研究进展。在此基础上，对未来新一代内燃机燃烧技术的发展进行了展望。文章认为，除满足日益严格的有害排放法规外，内燃机节能成为内燃机燃烧技术进步的另一重要驱动力，扩展高效清洁运行工况范围仍是“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术需要解决的一个难题，基于“超高燃烧压力、废气稀释、低散热低温燃烧和可变热力循环”是未来“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术发展的重要方向，燃烧过程“精细化”控制是实现高效清洁燃烧目标的关键。
关键词：均质压燃；低温燃烧；燃料特性；汽油燃料；柴油燃料
中图分类号：TK411+.2文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.02.001
Review and Prospect of the Combustion Technology of Homogeneous Charge Compression Ignition and Low Temperature Combustion
Yao Mingfa，Liu Haifeng
（State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract：Combustion technologies of homogeneous charge compression ignition(HCCI) and low temperature combustion(LTC) were reviewed in this paper which consists four parts, i.e., the evolvement of combustion theory based on HCCI and LTC, the development of HCCI and LTC using gasoline fuel, the development of HCCI and LTC using diesel fuel, and the effect of fuel properties on HCCI and LTC. On the basis of review, the future research directions in combustion technologies of a new generation of engines were discussed. It is obvious that energy saving is another impetus on the development of combustion technology of engines besides achieving the increasingly stringent emission regulations. Extending the operating range of high efficiency and clean combustion is still a difficult thing to solve. The important development directions on HCCI and LTC are super-high combustion pressure, exhaust gas dilutions, combustion process with lower heat loss, and variable thermodynamic cycles. The sophisticated control on combustion processes is the key problem to achieve the high efficiency and clean combustion.
Keywords：homogeneous charge compression ignition；low temperature combustion；fuel properties；gasoline；diesel
燃烧技术是内燃机的核心技术，回顾内燃机过去30余年的发展历程可以清晰看到，满足日益严格的排放法规已成为内燃机燃烧技术进步的主要推动力。以美国重型商用柴油机为例，EPA 2010年法规微粒限值（0.01 g/hp•h）和NOx限值(0.2 g/hp•h)都仅相当于1978年法规限值的1%(微粒：1.0 g/hp•h；NOx：20 g/hp•h）。在满足每一阶段越来越严格的排放法规中，内燃机高效清洁燃烧技术发挥着关键作用，燃烧技术的进步总是超出人们的预期。Richards[1]和Needham[2]分别于1988年和1989年先后在SAE认为要满足美国1994年排放法规必须采用微粒过滤器（DPF）。此后，人们认为后处理技术是满足1998年排放法规的重要手段。英国Perkins公司Fred Brear 1996年报告指出：DPF在2000年大规模使用该技术[3]。但是，事实上目前先进柴油机燃烧技术在满足欧IV-V法规（相当于EPA 20042007法规）仍可以不采用DPF后处理器，这充分显示出燃烧技术在内燃机节能和降低有害排放方面的巨大潜力。因此，内燃机高效清洁燃烧技术的研究一直都是国际内燃机界研究的热点和前沿课题。
20世纪90年代后期，尤其是21世纪以来，内燃机除了面临满足越来越严格的有害排放法规的挑战，还面临着CO2法规（燃油经济性）挑战，CO2法规逐步成为推动内燃机燃烧技术进步的又一主要因素，内燃机燃烧理论和燃烧新技术的研究进入了一个新的活跃时期。针对未来超低排放，甚至零排放的有害排放法规和CO2法规，人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PCCI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等。综观这些燃烧方式，其核心就是改变以传统柴油机为代表扩散燃烧方式和以传统汽油机为代表的火花点燃的火焰传播燃烧方式，采用预混合、压燃、低火焰温度的燃烧方式，实现内燃机高效清洁燃烧。国内学者将这一新型燃烧方式统称为“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧方式。
本文从4个方面介绍了以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论与燃烧新技术，并对国内外10余年来的研究进展进行了回顾，在此基础上，对未来内燃机高效清洁燃烧技术的发展进行了展望。
“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃 烧理论概念的演化
“均质压燃、低温燃烧”是一种全新的内燃机燃烧方式，这一概念是经历国内外学者数十年的研究形成的。早在1979年Onishi等人[4]为降低二冲程汽油机排放和燃油消耗率时，发现汽油机在部分工况下通过缸内大量的残余废气，不用点燃也可平稳运转，并称为活化热氛围燃烧过程。这被广泛认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念。同年，Noguchi 等人[5]对这种燃烧模式进行光谱研究表明在着火前检测到较高碳氢燃料低温反应中间产物，如CH2O、HO2和O；着火后才检测到较多高温反应中间自由基CH、H和OH。1983年，Najt与Foster[6]最先在四冲程发动机上研究这一燃烧现象，并对燃烧机理进行了研究，发现这一燃烧过程的自燃着火受低温化学反应控制（＜1000 K），缸内混合气的能量释放则是由CO氧化占主导的高温化学反应（＞1000 K）控制。1989年，Thring[7]研究发现均质压燃运转工况范围局限于部分负荷，自燃着火时刻很难控制；并首次提出了“均质压燃”，即HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)这一描述此种燃烧过程的名词。初期的研究发现，HCCI燃烧没有火焰传播，均质混合气燃烧过程呈现多点同时着火的特征[8-9]， HCCI燃烧过程表现为典型的两阶段放热：低温放热和高温放热。在低温放热与高温放热之间出现负温度系数（NTC）区，在NTC区内化学反应速率随缸内温度增加而减小。
20世纪90年代后期，随着各国排放法规日趋严格和石油供求矛盾日趋尖锐，研究人员发现传统内燃机存在最低排放和最高热效率两个极限，为了突破这些极限，开始了新一代内燃机燃烧技术的探索研究，发现HCCI燃烧过程是一种全新的内燃机燃烧过程。它是通过燃料与空气形成预混合气被活塞压缩、自然着火的燃烧过程。它结合了传统压燃式柴油机和火花点燃式汽油机的优点，可以实现与柴油机相当的高热效率和汽油机的无碳烟排放，同时由于是稀混合气燃烧，NOx排放也极低，因此HCCI被认为是最有潜力的高效清洁内燃机替代燃烧技术，从而受到越来越多的重视。“均质压燃”燃烧理论也被认为是新一代内燃机燃烧理论的代表。研究发现这一燃烧方式的燃烧过程主要受化学反应动力学所控制，因此它的着火时刻和燃烧反应速度控制困难；其次，这一燃烧方式只能在较窄的工况范围内运行，混合气过稀或高辛烷值燃料在小负荷和怠速工况下容易“失火”，而在大负荷工况下则容易出现“爆震燃烧”（尤其是高十六烷值燃料），因此其运行工况范围需要向大负荷和小负荷工况扩展[10]。此外，在这一燃烧方式中，废气再循环成为燃烧过程中最重要的燃烧控制手段，高辛烷值燃料需要通过残余废气提高混合气的温度使其能够压燃着火，而高十六烷值燃料则需要采用外部冷却废气稀释降低燃烧反应速度，并且废气的稀释可以降低燃烧火焰温度，从而抑制NOx生成。
进入21世纪以来，包括我国在内的世界各国政府、工业界和学术界都高度重视均质压燃燃烧理论的研究，对均质压燃的燃烧机理及燃烧特性有了进一步深入的认识。研究发现，尽管化学动力学对HCCI燃烧起重要作用，但是混合过程对HCCI燃烧仍有重要的影响。混合时出现的微观的燃料分布和温度的不均匀性都对着火和燃烧过程有显著影响。Sjöberg 等人[11]研究认为，实际发动机中都自然存在热分层，使燃烧速率变慢。Dec等人[12]的研究结果进一步证明，HCCI的燃烧不是均匀的，即使是在缸外预混好的混合气，也是带有很强的扰动结构。这主要是由于在压缩冲程的传热和湍流运动，产生了热分层，而这些热分层导致了HCCI燃烧的不均匀性。HCCI燃烧的发生是由温度较高，较适宜着火的点向较冷的区域逐渐发展的，而这个发展过程，可以有效地降低压力升高率。通过在气团内扩大热分层，可控制压力升高率，从而使HCCI向大负荷工况扩展。Zhao Hua等人[13]在单缸光学发动机上采用片状激光诱导荧光（PLIF）技术研究了再循环废气对新鲜充量的物理和化学作用，直接光学图像和PLIF图像显示，通过排气门早关得到的再循环残余热废气在缸内与可燃混合气形成了明显的分层。在再循环废气与可燃混合气之间边界区域中出现的较高温度区，推动了自燃着火过程的进行。这些研究结果从不同侧面揭示出：充量成分和温度的不均匀性与着火燃烧过程之间存在着明显的相关性，通过控制充量成分和温度的不均匀性，有可能实现对着火燃烧过程的有效控制。实现内燃机高效低污染燃烧的重要途径就是合理地利用充量成分的不均匀性和温度不均匀性来控制着火燃烧过程。因此，在HCCI燃烧过程控制中，先进的混合气控制策略比简单的“均质混合气”更为重要。混合气全历程热分层、浓度和组份控制是实现内燃机高效清洁燃烧的关键。Dec等人[14-15]在研究中发现在降低压力升高率，延长燃烧持续期方面，低温燃烧对混合气浓度分层比较敏感，缸内混合气分层使HCCI运行工况范围从537 kPa升高到590 kPa。Foster D. E.等人[16]在一台CFR发动机上用进气道喷射和缸内直喷两种喷射方式的结合来对燃料分层的影响进行研究，结果表明燃料分层能拓宽HCCI燃烧的稀燃极限，使燃烧更加稳定。通过残余废气不仅可实现组分分层，还可以实现热分层，进而控制HCCI燃烧过程。P. G. Aleiferis等人[17]在高涡流比，低压缩比发动机上，使用进气加热和缸内残余废气结合喷雾控制实现混合气浓度、组分和热分层来控制HCCI燃烧。试验结果表明：轴向分层与均质相比，可以降低最大爆发压力，推迟着火时刻。轴向分层的着火是开始于排气阀和次要进气阀之间，更接近活塞中心的位置，而均质充量时，着火开始于进气阀靠近缸壁的位置。在废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）率为40%的条件下，缸内混合气温度梯度增大，导致燃烧反应速度降低。Yao Mingfa等人[18]的研究结果也表明，适当的混合气分层可以使HCCI在低负荷工况下燃烧更为稳定，分层可使HCCI向小负荷工况扩展，同时分层也可以降低高负荷工况下的最大压力升高率，HCCI向大负荷工况扩展。实际上，近几年在均质压燃燃烧控制技术研究中，大多数研究者都是围绕如何实现缸内混合气浓度分层、组份分层和温度分层等控制手段开展，但这些燃烧方式的共同特征是：大比例预混合、压燃、低火焰燃烧温度。因此，人们提出“均质压燃、低温燃烧”来描述新一代内燃机燃烧技术的特征。
汽油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧
技术研究进展
汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合气，缺点是着火温度高，不易压燃。由于汽油机主要应用于轻型车，汽油机HCCI燃烧研究的重点是中小负荷工况的节能和排放问题。
汽油机均质压燃在实现的技术途径上有两种方案，一是基于传统气道喷射汽油机技术方案，另一种是基于缸内直喷的技术方案。这两种方案本质差别在于混合气的制备方式不同。前一种方案与目前广泛采用的气道喷射电控汽油机有较好的继承性，结构变化小，但在混合气浓度分层控制上受到较大的制约。缸内直喷方案在混合气浓度分层控制上有较大的灵活性，通过缸内多次喷油技术实现混合浓度分层，但控制的难度增大。这两种方案的燃烧理论基础和面临的科学问题基本是一致的，即在中小负荷工况下需要通过缸内的残余废气提高混合气的能量（进气加热与内部EGR），使汽油混合气可以压燃，或采用火花点火与压燃并存的复合燃烧方式；在向大负荷扩展过程中，可以采用外部废气来抑制燃烧反应，即采用内部残余废气与外部废气的复合废气再循环技术。因此，气门升程与气门相位的连续可变技术是拓展汽油机均质压燃的重要技术途径之一。
在早期的研究中，混合气加热是提高混合能量的重要途径之一。美国福特公司提出OKP（Optimized Kinetic Process）燃烧系统，该系统在缸内直喷汽油机上采用冷却液和排气加热进气空气与气门定时改变（VVT）压缩比和残余废气相结合的方法，实现汽油机HCCI燃烧。通过该方法，HCCI工况范围得到了拓宽，平均指示压力可达0.55 MPa，燃料利用率比原机提高了10%～30%，NOx排放比原机降低了98%～99%[19]。
近年来，汽油机HCCI燃烧技术中主要通过残余废气控制方式提高混合气能量，实现混合气均质压燃。天津大学赵华教授的课题组研究开发了“进排气门联动控制”的均质压燃汽油机技术，该方案在气道喷射汽油机上，采用进排气门全可变（气门升程与相位）技术，控制缸内残余废气率与废气分层，实现均质压燃。2006年开发了原理性样机，样机HCCI的运行转速可以达到4 500 r/min，最大平均指示压力（IMEP）可以达到5 200 kPa，可以覆盖轿车主要的常用工况[20]。此后，课题组提出了基于废气驱动的高效低温燃烧汽油机（ExDrive）技术。其方案仍是采用进排气门全可变机构，并结合外部EGR和涡轮增压技术进一步扩展HCCI的运行工况范围。废气驱动的燃烧和负荷控制方案基本思路是：缸内残余废气同时起到了加热剂、稀释剂和容积填充剂3方面的作用，既提供了混合气燃烧所需要的能量，也控制了发动机负荷和燃烧速度。但是当发动机负荷增大以后，内部残余废气的热量增加会造成缸内出现燃烧速度过快而产生爆震等不正常的燃烧现象。为此，通过引入冷却的外部废气再循环技术路线，由外部废气逐渐代替内部废气来填充缸内容积，拓宽均质压燃燃烧运行范围，这样既可以提高发动机的负荷运转范围，又可以利用废气的稀释作用，降低汽油发动机的NOx排放。在发动机全负荷工况采用基于废气控制的汽油机复合燃烧技术，即以内部废气再循环策略实现可控自燃燃烧为核心，辅以气门参数控制的火花点燃燃烧技术的复合燃烧技术，同时以外部废气再循环作为调整缸内废气状态的控制手段，实现了汽油机低温高效燃烧。在燃烧控制策略中，采用爆震闭环燃烧控制技术。通过残余废气的分层，在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。例如，转速为1 500 r/min，平均指示压力为0.085 MPa工况，可控自燃燃烧的节油率达到17.21%；在转速为2 000 r/min，平均有效压力为0.2 MPa工况，节油率达到13.71%，NOx减少99%，NEDC驾驶循环的仿真节油效果为15.6%。排放指标除HC之外，NOx和CO均小于欧Ⅳ限值[21]。
AVL公司应用汽油机缸内多次喷射技术，提出了“压缩和火花点燃”（Compression and Spark Ignition，CSI）汽油机均质压燃燃烧系统，该系统是通过可变气门升程（VVL）和可变气门定时（VVT）控制残余废气，采用缸内灵活的燃油喷射控制，实现汽油多次喷油，在燃烧过程控制方面，实现各缸实时控制策略。除了常用变量外，如质量流量、空燃比、进气温度、冷却水温度等，工况控制还采集实时燃烧信息，发展了能够精确预测混合气成分等参数对燃烧影响的燃烧模型，实现混合气成分和温度瞬态闭环控制[22]。日本本田公司在解决汽油机HCCI工况范围向小负荷工况扩展问题方面也提出了一个新的技术途径。该系统的要点是：可变气门定时（VVT）、缸内直喷和发动机增压，通过在负气门重叠角期间喷油，发动机怠速750 r/min时，最低负荷扩展至0.16 MPa(压缩比11.5)，采用多孔喷嘴，最大负荷扩展到0.65 MPa。该发动机HCCI工况范围基本满足了日本10-15运行工况范围[23]。清华大学王建昕教授课题组提出了基于缸内直喷混合气制备，以混合气浓度分层、火花辅助点火和燃料改质的综合控制HCCI燃烧的新方法，开发了相应的火花点火辅助分层压燃（ASSCI）燃烧系统。该系统通过缸内二次喷射实现分层压燃控制着火，通过火花辅助均质压燃（HCCI）临界状态下着火稳定以及燃料重整拓宽HCCI运行工况范围，提出了利用缸内直喷、可变配气以及节气门协同控制进行点燃（SI）与HCCI燃烧模式切换的控制策略[24]。为了进一步拓宽HCCI运行工况范围，他们提出了内外EGR与增压协调控制拓展HCCI负荷范围的思路。多缸HCCI样机测试结果表明，在HCCI运行工况样机比传统汽油机的燃油经济性改善15%以上，NOx降低90%以上[25]。
柴油燃料“均质压燃、低温燃烧”燃烧
技术研究进展
由于柴油高粘度、低挥发性、低自燃温度的特性，改善燃油与空气的混合和抑制过快的燃烧反应速度是柴油机实现“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程的关键。因此，柴油机“均质压燃、低温燃烧”燃烧过程控制的主要技术途径是喷油策略控制、EGR控制和温度历程控制。
早期柴油机“均质压燃、低温燃烧”主要是通过缸内早喷方式实现。如日本新ACE研究院的“预混稀燃柴油机燃烧过程”（PRIDIC）[26]及随后提出的“多级喷射柴油机燃烧过程”（MULDIC）[27]，丰田公司“均匀Balky燃烧系统”（UNIBUS）[28]等。PREDIC系统采用侧置喷油器，通过增加喷孔数，减小喷孔直径（0.17减小到0.08）改进喷油来改善燃油分布，采用早喷（120°BTDC）方式实现均质压燃。通过调整燃烧系统结构参数，废气再循环和柴油中添加甲基叔丁基醚（MTBE）等措施使发动机HCCI运行工况范围扩展到原机的50%[26]。为了保证发动机在全负荷工况下运行，在PREDIC系统基础上，MULDIC系统两个侧面喷嘴中间安装一个第2次燃烧用的中间喷油器。在大负荷工况采用多次喷油技术，侧面喷油器早喷（PREDIC），中间喷油器晚喷，实现2级燃烧[27]。即首先PREDIC燃烧，PREDIC燃烧结束后缸内CO2浓度高，降低了氧的浓度，周围温度高而二次喷油燃烧温度低，降低了NOx排放。该燃烧方式大幅度降低了有害排放，日本柴油机13工况测试结果表明，其NOx排放仅为1 g/kWh。丰田公司UNIBUS系统使用中空锥形喷雾，喷嘴前端设置了碰撞部，以缩短喷雾贯穿距，采用早喷和晚喷实现两次喷油，通过EGR控制着火时刻实现柴油机HCCI燃烧，该系统在发动机50%负荷和50%转速实现UNIBUS燃烧[28]。
此后，日产公司MK（Modulated Kinetics）燃烧系统则是采用晚喷方式实现柴油机HCCI燃烧[29]。它通过在上止点后喷油，延长滞燃期，通过废气再循环，提高燃烧室内惰性物质的浓度，减少氧浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞后期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间。同时采用高涡流比提高混合速率，使MK发动机在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标。进一步拓宽其工况范围的途径是通过提高喷油压力，缩短喷油持续期，提高燃油与空气的混合速率，并采用冷却的EGR、降低发动机压缩比延长滞燃期[30]。
近10年来，高EGR率稀释的柴油机低温燃烧作为柴油机新型燃烧技术得到了广泛的研究，这一燃烧方式主要是通过大比例EGR率、喷油策略控制和高增压压力实现，并且可以通过上止点附近喷油来实现[31-34]。这也是对HCCI理论的发展，即从完全预混低温燃烧过程变为大比例可控预混低温燃烧过程（即混合速率控制的扩散燃烧过程在多数工况下仍会出现）。通过高喷油压力改善燃油与空气的混合，采用大比例EGR延长混合时间和降低燃烧温度，从而有效避开图中的碳烟和NOx生成区域。为了保证输出动力性，通常结合较高增压压力，如两级增压或复合增压来保证足够的新鲜空气量，从而保证喷油量。但过低燃烧温度会降低燃烧效率，导致HC和CO排放明显增高，燃油经济性恶化。因此其关键是在碳烟、NOx和燃烧效率三者之间折衷[35]。
基于缸内多次喷油的控制策略是改善燃油与空气混合的重要途径之一。天津大学苏万华教授[36-37]提出了利用多脉冲喷射实现预混压燃燃烧与利用高混合率燃烧室实现稀扩散燃烧相结合的MULINBUMP复合燃烧过程。该燃烧技术的基本思路是：在柴油机低负荷工况下，通过多脉冲燃料喷射策略实现对均质压燃燃烧过程的控制，获得NOx和微粒的超低排放（＜10 ppm）；在中高负荷工况，采用均质压燃燃烧与稀扩散燃烧相结合的策略，利用发明的高混合率燃烧室与超高压喷射相结合，提高燃油与空气的混合速率，实现快速混合。在柴油机运行的全工况范围，应用“喷油模式”调制技术，实现了发动机不同工况下最佳喷油模式的目标，从而实现柴油机全工况范围的高效清洁燃烧。
但是，上述燃烧系统只能在部分负荷工况下运行。最初的HCCI研究认为，HCCI主要应用于轻型柴油机上，只能覆盖轻型车常用低转速、部分负荷工况。但是国内外研究进展表明，不仅在轻型车上，在重型柴油机大负荷工况下也可以实现HCCI。据美国Caterpiller公司报道，通过采用高增压比，提高燃油与空气混合速率，废气再循环等控制策略，结合燃油改性在重型柴油机上HCCI运行工况最大拓宽到原机的80%（1.6 MPa）[38]。苏万华教授提出了基于燃烧过程全历程路径控制的概念，通过在燃烧过程喷油策略（混合气浓度分布）、废气再循环（混合气组分、温度）和压缩初始温度等参数控制实现燃烧过程全历程的路径控制，避开有害排放生成区域，从而实现高效清洁燃烧[39]。在此基础上，苏万华教授还提出了“高密度-低温燃烧”燃烧技术，其核心思想是：通过高喷射压力的多次喷油控制将燃油“均匀”地“播撒”在燃烧室空间，使混合气尽量均匀。通过EGR来降低燃烧温度，抑制NOx排放。为了弥补采用EGR后燃烧过程中氧浓度的不足，采用串联布置的两级涡轮增压实现发动机高增压比，增加进入的空气量。但是，高增压必然会带来压缩压力和燃烧爆发压力的增加，受发动机机械负荷和可靠性限制，缸内最大爆发压力必须控制在一个合理范围，提出通过进气门晚关技术降低进气关闭时缸内的初始压力和温度，从而有效地降低了缸内最大爆发压力，也使柴油机实现了可变的热力循环过程[40]。上述这些技术既有混合率促进技术，也有抑制化学反应率技术，在智能化的电控单元协同控制下，实现了柴油机燃烧路径的可调可控，从而实现高效清洁燃烧。采用这一燃烧技术，柴油机最高指示热效率可以达到53%，原始微粒和NOx排放可以达到欧VI限值的要求[41]。
上述研究结果改变了传统的柴油机排放控制技术的观念，通过燃烧过程控制实现超低排放甚至是零排放仍有很大潜力。
4 “均质压燃、低温燃烧”燃料特性研究进展
燃料燃烧化学反应动力学过程对HCCI燃烧过程控制起着主导作用，因此相对于传统的柴油机与汽油机燃烧，燃料的理化特性对HCCI燃烧过程的影响和运行工况范围有更大的影响。瑞典Lund大学Johansson等人[42]对基础燃料、汽油、柴油、醇类燃料和天然气对HCCI燃烧与排放和影响进行研究，结果表明HCCI能够适用于多种燃料，传统的燃料辛烷值不能表征HCCI的抗爆性。另一方面，燃料特性在控制HCCI着火过程及拓展运行工况范围上具有较大潜力。研究表明，降低汽油燃料的辛烷值和柴油燃料的十六烷值更有利于提高HCCI的工况范围，辛烷值为60左右的燃料在HCCI运行的工况范围最大[43]。在汽油中掺入部分醇类燃料可以显著扩展HCCI工况范围[44]，而醇类燃料的HCCI工况范围比汽油大[45]。所以针对HCCI发动机特点，开发适合HCCI运转的燃料。如采用敏感性较大的汽油燃料结合适当的发动机运转条件控制（即缸内温度和压力控制），对运行工况范围的拓展具有更大的潜在优势[46]。
实际上，HCCI运行的理想燃料应该是在小负荷工况燃用高十六烷值燃料，而在大负荷工况适合燃用高辛烷值燃料，每一个工况有一个热效率最高的辛烷值，但单一燃料很难在更大范围拓宽其高效清洁燃烧运行工况范围。因此，动态控制HCCI发动机不同工况下所需的燃料特性，可有效控制着火时刻和燃烧反应速度，拓宽运行工况范围并提高热效率[47]。实现这一控制策略较实际的方式则是采用双燃料喷射过程，且两种燃料的辛烷值差距较大，即高辛烷值与高十六烷值燃料相结合，通过调整不同燃料喷射比例从而调节不同工况所需的燃料特性。例如通过气道喷射二甲醚和甲醇双燃料方式，可在较宽广的转速和负荷范围内实现均质压燃，而且发动机负荷运转范围得到较大拓宽(平均有效压力接近0.8 MPa) [48]。近年来，采用双燃料方式实现HCCI燃烧过程控制得到了国内外研究者的高度重视。吕兴才等人采用气道喷射正庚烷和异辛烷实现实时的燃料设计的方法实现HCCI燃烧控制及扩展运行工况范围[49]。美国Wisconsin大学Reitz教授提出一种RCCI燃烧方式，即采用汽油、柴油双燃料方式，其中汽油燃料采用气道喷射，柴油采用高压共轨燃油系统缸内直喷，通过控制汽油/柴油比例、缸内柴油喷油策略控制、外部EGR率控制和进气门关闭时刻控制实现混合燃料的燃烧过程控制，从而实现高效清洁燃烧。研究表明，该燃烧方式结合进气增压后最大平均有效压力可以达到1.3 MPa，原始碳烟和NOx排放可以满足欧VI法规的要求，热效率最高达到了53%[50]。作者认为该燃烧模式的特征是大比例预合气燃烧方式，因此将其称为高比例预混合燃烧（HPCC）。作者在一台单缸柴油机（压缩比16.0）上，对转速为1 500 r/min，平均指标压力为0.9 MPa运行工况研究结果表明，EGR率大于40%，汽油比例大于80%，采用缸内直喷柴油机单次喷射，最低指示油耗小于180 g/kWh，碳烟和NOx原始排放有满足欧VI法规要求的潜力[51]。
在柴油机低温燃烧中，国内外研究者也发现，提高燃料的挥发性，降低燃料的十六烷值更有利于降低碳烟和NOx排放，并提高发动机的热效率。瑞典Lund大学研究者在柴油机中喷入汽油燃料，发现在上止点前附近喷入汽油燃料，通过EGR控制实现低温燃烧，其碳烟和NOx排放远比柴油燃料低温燃烧时低，并且高效清洁低温燃烧区域最大负荷范围比柴油更高，而且燃用汽油燃料可节能8.3%～16.6%。他们将这一燃烧方式定义为PPC（Partial Premixed Combustion）燃烧方式。但这种燃烧方式的缸内最大爆发压力、最大压力升高率较高，发动机工作粗暴[52]。此外，如前所述，在小负荷工况下由于汽油燃料不易压燃而需要采取其它的措施，如缸内残余废气加热，避免小负荷工况“失火”是这一燃烧方式需要解决的另一个难题。实际上，在低温燃烧中NOx排放主要由EGR率（燃烧温度）决定，提高空燃比并不能有效降低碳烟排放，其主要受缸内的混合情况决定，加速燃油与空气混合，延长滞燃期可以有效地降低碳烟排放。汽油燃料之所以能够获得比柴油燃料更低的碳烟排放，主要是由于汽油挥发性好（改善了燃油与空气的混合）、十六烷值低（延长了滞燃期）。因此，国内外研究者提出了宽馏份燃料的概念，即挥发性好、辛烷值碳氢组份与易压燃的碳氢组份混合，它既可以改善燃油与空气的混合，也可以降低燃料的十六烷值，延长滞燃期，并且宽馏份燃料的十六烷值比汽油高，研究表明这种混合燃料在保证低NOx排放的同时可以明显降低碳烟排放[53-54]。此外，国内外研究也尝试采用柴油与含氧生物质燃料组成的混合燃料来降低低温燃烧有害排放[55]。
5 总结与展望
HCCI开辟了内燃机燃烧学研究新领域，极大地推动了内燃机燃烧理论研究的发展。通过HCCI研究，人们对以HCCI为代表的新一代内燃机燃烧理论有了进一步深入的认识。在基础理论层面，人们发现其理论本质是多组分均质混合气湍流混合与化学动力学耦合作用的有限反应速率的化学动力学理论[39]；在燃烧技术层面，提出了基于“燃烧路径控制”的高效清洁燃烧新技术[39]；开辟了适应新一代内燃机燃烧技术的燃料特性研究。人们也改变了HCCI出现之初“均匀性”的概念认识，而将其概括为“均质压燃、低温燃烧”的燃烧特性，即“均质”混合气，基于燃烧路径控制的可控预混自燃，低温快速放热过程。所谓的“均匀”混合气，是在保证NOx和碳烟排放不恶化的条件下，适当采用混合气浓度分层、温度分层和成分分层来控制着火和燃烧反应速度；燃烧路径控制是燃烧反应全历程的混合气浓度和温度控制，避开有害排放生成区域；而低温快速燃烧过程则是基于“均质”大比例预混自燃特点而获得的燃烧特征。大比例预混自燃决定了其燃烧过程必定是快速放热的过程，这就使燃烧更接近理想定容燃烧过程，保证更高的热效率。为构建“均质”预混合气而采用大比例EGR及增压空气的稀释，使这种燃烧的燃烧温度比传统的燃烧方式低，抑制了NOx和碳烟排放，同时较低的燃烧温度也有利于降低火焰及壁面辐射损失从而提高热效率，实现高效清洁燃烧的目标。
近年来，节能（降低CO2排放）已成为推动内燃机燃烧技术进步的另一重要因素，同时随着石化燃料资源紧张，内燃机燃料向多元化方向发展。内燃机燃烧技术发展将以“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术为基础，向“超高燃烧压力、废气稀释、低散热低温燃烧和可变热力循环”方向发展。实际上，一方面，目前“均质压燃、低温燃烧”高效清洁燃烧工况范围仍有限，大负荷扩展仍是高效清洁燃烧技术需要解决的技术难题，这主要受限于目前的缸内燃烧压力，提高发动机能够承受的最大燃烧压力可以将高效清洁燃烧向大负荷工况扩展。热力学基础理论也表明，理想定容燃烧过程能够实现最高的热效率，但也会导致高的爆发压力。高燃烧压力引起缸内温度的提高，从而使NOx排放升高并增加发动机传热损失，通过废气稀释可以降低燃烧温度，从而降低NOx排放并减少传热损失。另一方面，在满足日益严格的排放法规中，为了避免过高的燃烧压力和控制NOx生成，燃烧相位推迟，燃烧反应速率降低，缸内燃烧放热规律偏离了最优的放热规律（相位推迟，持续期延长），从而导致热效率的降低。因此，提高发动机热效率一方面从热力学第一定律出发，需要提高燃烧压力、减少传热损失和减少废气带走的热能（可变热力循环实现充分膨胀）；另一方面，需要充分利用燃料的燃烧特性和与之相适应的边界条件控制，实现最优的放热规律（相位控制和持续期控制），即对燃烧过程的“精细化”控制。燃烧过程的“精细化”控制包括对燃烧路径控制、燃烧相位控制、燃烧反应速率控制以及可变热力循环控制等。在实现高效清洁燃烧这一目标的过程中，多燃料的适应性也是一个重要因素，不仅需要提出评价燃料燃烧品质的依据，并据此提出大规模应用替代燃料或对石化燃料与替代燃料进行混合燃料设计，并适合于内燃机高效清洁燃烧的燃料特性；同时，利用燃料的燃烧特性也是实现理想燃烧放热规律的重要手段，包括构建新的混合燃料或采用双燃料的燃烧方式，适应内燃机宽广工况范围高效清洁燃烧的需求。
参考文献(References):
RICHARDS R R，SIBLEY J E. Diesel Engine Emissions Control for the 1990's[C]. SAE Paper 880346.
NEEDHAM J R，DOYLE D M， FAULKNER S A，et al. Technology for 1994[C]. SAE Paper 891949.
BREAR F，GRAHAM M. 柴油发动机排气后处理技术[Z].北京：第2届北京内燃机技术及制造展览会资料，1996.
BREAR F，GRAHAM M. Aftertreatment Technology of Diesel Engines[Z]. Beijing：The 2nd Exhibition on Engine Technology and Manufacture，1996.1. (in Chinese)
ONISHI S，JO S H，SHODA K，et al. Active Thermo-atmosphere Combustion (ATAC)―A New Combustion Process for Internal Combustion Engines[C]. SAE Paper 790501，1979.
NOGUCHI M，TANAKA T，TAKEUCHI Y. A Study on Gasoline Engine Combustion by Observation of Intermediate Reactive Products during Combustion[C]. SAE Paper 790840.
NAJT PM，FOSTER D pression-ignited Homogeneous Charge Combustion[C].SAE Paper 830264.
THRING R H. Homogeneous-charge Compression Ignition (HCCI) Engine[C]. SAE Paper 892068.
FURUTANI M，OHTA Y，KOMATSU K. Onset Behavior of Low-temperature Flames Caused by Piston Compression[C]. SAE Review 1993(14)：12 18.
IIDA N. Combustion Analysis of Methanol-fueled Active Therm-Atmosphere Combustion(ATAC) Engine Using a Spectroscopic Observation[C]. SAE Paper 940684.
U.S.Department of Energy.Energy Efficiency and Renewable Energy Office of Transportation Technologies[R]. Washington：U.S.Department of Energy，2001.
SJOBERG M，DEC J. An Investigation of the Relationship between Measured Intake Temperature， Bdc Temperature，and Combustion Phasing for Premixed and Di HCCI Engines[C]. SAE Paper 2004-01-1900.
DEC J，HWANG W，SJOBERG M，An Investigation of Thermal Stratification in HCCI Engines Using Chemiluminescence Imaging[C]. SAE Paper 2006-01-1518.
Zhao Hua，Peng Zhijun，WILLIAMS J. Understanding the Effects of Recycled Burnt Gases on the Controlled Autoignition (CAI) Combustion in Four-stroke Gasoline Engines[C]. SAE 2001-01-3607.
Dec J. Advanced Compression-ignition Engines―Understanding the In-cylinder Processes[J]. Proceedings of the Combustion Institute，2009(32)：27272742.
DEC J，SJOBERG M.Isolating the Effects of Fuel Chemistry on Combustion Phasing in an Hcci Engine and the Potential of Fuel Stratification for Ignition Control[C]. SAE Paper 2004-01-0557.
AROONSRISOPON T，WERNER P，WALDMAN J O，et al. Expanding the HCCI Operation with the Charge Stratification[C]. SAE Paper 2004-01-1756.
ALEIFERIS P G，CHARALAMBIDES A G， HARDALUPAS Y，et al. Modelling and Experiments of HCCI Engine Combustion with Charge Stratification and Internal EGR[C]. SAE Paper 2005-01-3725.
Zheng Zhaolei，Yao Mingfa. Charge Stratification to Control HCCI：Experiments and CFD Modeling with N-heptane As Fuel[J]. Fuel，2009(88)：354365.
Yang Jialin，KENNY T. Development of a Gasoline Engine System Using HCCI Technology―The Concept and the Test Results[C]. SAE Paper 2002-01-2832.
Xie Hui，Hou Shenzhi，Qin Jin. Control Strategies for Steady and Transient Operation of a 4-stroke Gasoline Engine with CAI Combustion Using a 4-variable valve Actuating System (4VVAS)[C]. SAE Paper 2006-01-1083.
Zhang Yan，Zhao Hua，Xie Hui，et al. Variable Valve Actuation Enabled High Efficiency Gasoline Engine[J]Proceedings of the Institution Of Mechanical Engineers，Part D，Journal of Automobile Engineering，2010，224(8)：1081-1095.
FUERHAPTER A，PIOCK W，FRAIDL G.CSI-Controlled Auto Ignition―the Best Solution for the Fuel Consumption-versus Emission Trade-off[C].SAE Paper 2003-01-0754.
URATA Y，AWASAKA M，TAKANASHI J，et al. A Study of Gasoline-fuelled HCCI Engine Equipped with an Electromagnetic Valve Train[C].SAE Paper 2004-01-1898.
Wang Zhi，Wang Jianxin，Shuai Shijin，et al. Study of Multimode Combustion System with Gasoline Direct Injection[J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2007(129)：10791087.
Wang Zhi，Wang Jianxin，Shuai Shijin. New Gasoline HCCI Combustion System Using Two-stage Direct Injection and Assisted Spark Ignition[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Journal of Automobile Engineering，2006，220(3)： 367-378.
TAKEDA Y，KEIICHI N. Emission Characteristics of Premixed Lean Diesel Combustion with Extremely Early Staged Fuel Injection[C]. SAE Paper 961163.
HASHIZUME T，MIYAMATO T，AKAGAWA H，et al. Combustion and Emission Characteristics of Multiple Stage Diesel Combustion[C]. SAE Paper 980505.
YANAGIHARA H. Ignition Timing Control at Toyota “UNIBUS”Combustion System[C]// Proceedings of the IFP International Congress，Rueil Malmaison， FRANCE，2001：3542.
KIMURA S，AOKI O，OGAWA H，et al. New Combustion Concept for Ultra-clean and High-efficiency Small DI Diesel Engines[C]. SAE Paper 1999-01-3681.
KIMURA S，AOKI O，KITAHARA Y，et al. Ultra-clean Combustion Technology Combining a Low-temperature and Premixed Combustion Concept for Meeting Future Emission Standards[C]. SAE Paper 2000-01-0200.
OGAWA H，MIYAMOTO N，SHIMIZU H，et al. Characteristics of Diesel Combustion in Low Oxygen
Mixtures with Ultra-high EGR[C]. SAE Paper 2006-01-1147.
ALRIKSSON M，DENBRATT I. Low Temperature Combustion in a Heavy Duty Diesel Engine Using High Levels of EGR[C]. SAE paper 2006-01-0075.
HARDY W L，REITZ R D. An Experimental Investigation of Partially Premixed Combustion Strategies Using Multiple Injections in a Heavy-duty Diesel Engine[C]. SAE Paper 2006-01-0917.
COLBAN W，MILES P C，OH S. Effect of Intake Pressure on Performance and Emissions in an Automotive Diesel Engine Operating in Low Temperature Combustion Regimes[C]. SAE Paper 2007-01-4063.
Yao Mingfa，Zhang Quanchang，Liu Haifeng，et al. Diesel engine combustion control：medium or heavy EGR[C]. SAE Paper 2010-01-1125.
Su Wanhua，Lin Tiejian，Pei Yiqiang. A Compound Technology for HCCI Combustion in a DI Diesel Engine Based on the Multi-pulse Injection and the BUMP Combustion Chamber[C]. SAE Paper 2003-01-0741.
Su Wanhua，Zhang Xiaoyu，Lin Tiejian，et al. Study of Pulse Spray，Heat Release，Emissions and Efficiencies in a Compound Diesel HCCI Combustion Engine[C]. ASME Internal Combustion Engine Division 2004 Fall Technical Conference，Long Beach，CA，USA.
Yao Mingfa，Zheng Zhaolei，Liu Haifeng. Progress and Recent Trends in Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI) Engines[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2009(35)：398 437.
苏万华，赵华，王建.均质压燃低温燃烧发动机理论与技术[M].北京：科学出版社，2010.
Su Wanhua，Zhao Hua，Wang Jianxin. Theory and Technology of Homogeneous Charge Compression Ignition and Low Temperature Combustion[M]. Beijing：Science Press，2010.(in Chinese)
苏万华. 高密度―低温柴油机燃烧理论与技术的研究与进展[J]. 内燃机学报，2008，26(S1)：1-8.
Su Wanhua. Advanced High Density―Low Temperature Combustion Theory and Technology[J]. Transactions of CSICE，2008，26(S1) ：1-8.(in Chinese)
苏万华.国家重点基础研究发展规划项目(973)课题《柴油喷雾强化混合过程及其对低温燃烧影响的研究》结题验收报告[R].天津：科技部，2011.
Su Wanhua. The Strength Mixing Process of Diesel Spray and the Effects on Low Temperature Combusiton，National Program on Key Basic Research Project (973 Program) Report[R]. Tianjin：Ministry of Science and Technology of China.(in Chinese)
CHRISTENSEN M，HULTQVIST A，JOHANSSON B. Demonstrating the Multi Fuel Capability of a Homogeneous Charge Compression Ignition Engine with Variable Compression Ratio[C]. SAE Paper 1999-01-3679.
Yao Mingfa，Zhang Bo，Zheng Zunqing. Effects of Exhaust Gas Recirculation on Combustion and Emissions of a Homogeneous Charge Compression Ignition Engine Fuelled with Primary Reference Fuels[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D，Journal of Automobile Engineering，2007(221)：197213.
谢辉，何邦全，张岩，等. 醇类燃料HCCI发动机燃烧特性的实验研究[J]. 燃烧科学与技术，2006，12(1)：5-10.
Xie Hui，He Bangquan，Zhang Yan，et al. Experimental Research On HCCI Combustion of Alcohol Fuels[J]. Journal of Combustion Science and Technology，2006，12(1)： 5-10.(in Chinese)
刘金山，郭英男，程鹏，等. 乙醇燃料HCCI单缸试验机系统开发及试验研究[J]. 内燃机工程，2006，27(6)： 26-29.
Liu Jinshan，Guo Yingnan，Cheng Peng，et al. Development and Experiment of a Single Cylinder Engine for Ethanol Fuel in HCCI Mode[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2006，27(6)： 26-29.(in Chinese)
Liu Haifeng，Yao Mingfa，Zhang Bo，et al. Influence of Fuel and Operating Conditions on Combustion Characteristics of a Homogeneous Charge Compression Ignition Engine[J]. Energy & Fuels，2009(23)：14221430.
Yao Mingfa，Zhang Bo，Zheng Zunqing，et al. Experimental Study on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion with Primary Reference Fuel[J]. Combustion Science and Technology，2007(179)：25392559.
Yao Mingfa，Chen Zheng，Zheng Zunqing，et al. Study on the Controlling Strategies of Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion with Fuel of Dimethyl Ether and Methanol[J]. Fuel，2006(85)：20462056.
Lü Xingcai，Zhang Wugao，Qiao Xinqi，et al. Fuel Design Concept for Improving the Spray Characteristics and Emissions of Diesel Engine[J]. Journal of Automobile Engineering，2005，219(4)：547-558.
HANSON R M，KOKJOHN S L，SPLITTER D A，et al. An Experimental Investigation of Fuel Reactivity Controlled PCCI Combustion in a Heavy-duty Engine[C]. SAE Paper 2010-01-0864.
尧命发，马帅营，郑尊清，等. 燃烧参数对汽油/柴油双燃料HPCC性能和排放影响的试验研究[J].内燃机学报，已录用.
Yao Mingfa，Ma Shuaiying，Zheng Zunqing，et al. An Experimental Study on the Effects of Combustion Parameters on HPCC Combustion Fuelled with Gasoline/Diesel Dual Fuel. Transactions of CSICE，Accepted.(in Chinese)
JOHANSSON B. Path to High Efficiency Gasoline Engine[C]. 16th Directions in Engine Efficiency and Emissions Research (DEER) Conference，2010.
KALGHATGI G，RISBERG P，ÅNGSTRÖM H E. Advantages of Fuels with High Resistance to Auto-ignition in Late-injection，Low-temperature， Compression Ignition Combustion[C]. SAE Paper 2006-01-3385.
KALGHATGI G，RISBERG P，ÅNGSTRÖM H E. Partially Pre-mixed Auto-ignition of Gasoline to Attain Low Smoke and Low NOx at High Load in a Compression Ignition Engine and Comparison with a Diesel Fuel[C]. SAE Paper 2007-01-0006.
Yao Mingfa，Wang Hu，Zheng Zunqing，et al. Experimental Study Of N-butanol Additive and Multi-injection on HD Diesel Engine Performance and Emissions[J]. Fuel，2010，89( 9)：2191-2201.