可控自燃燃烧试验研究现状

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【摘要】本文论述了可控自燃燃烧试验的发展过程，介绍了国内外采用不同方法得到的可控自燃燃烧，对了解可控自燃的发展和实现方式具有重要的意义。

【关键词】可控自燃；进气加热；EGR

1.引言

CAI燃烧模式的试验研究始于上个世纪70年代。到了上世纪90年代，在举世关注的能源危机与日益严苛的排放法规双重压力下，CAI燃烧以其低能耗，低氮氧化物排放的优异特性，受到了内燃机界的广泛关注。围绕着CAI燃烧的不同缺点，无数的中外学者投入了大量的精力物力，展开了一轮又一轮的研究热潮。

2.国外研究情况

1992年，Stockinger几人采用进气加热的手段，研究了不同边界条件下进气温度对CAI燃烧特性的影响，通过改变进气温度、过量空气系数以及转速等参数，扩大了CAI燃烧的负荷范围，使其负荷从汽油机负荷的14%增加到汽油机负荷的34%。1994年，lida采用甲醇为代用燃料，进行了CAI燃烧试验研究，结果表明，代用燃料适用于CAI燃烧，且使用甲醇作为燃料，有助于拓展CAI的负荷范围。1996年，日本本田和德国IPF人员相继研发了CAI二冲程内燃机，在小负荷范围内实现了稳定的CAI燃烧，藉此降低其燃油消耗率和HC排放。1997年，Christersen等人使用多种代用燃料在一台压缩比为12的单缸CAI发动机和一台压缩比为12的SI发动机上进行了试验比较，试验证实了CAI燃烧模式具有较高的指示热效率，很低的氮氧化物排放，但HC与CO排放并不能得到很好的控制。与此同时，Christersen等人也对不同燃料进行了CAI燃烧试验研究，研究结果表明，采用较高的辛烷值燃料能够有效缓和CAI燃烧的爆燃情况，证实了高辛烷值燃料有利于CAI燃烧。1999年，Christensen通过改变压缩比和进气温度进行了多种代用燃料的CAI燃烧试验研究，试验表明，在可变压缩比的CAI发动机上，多种液体代用燃料都能实现CAI燃烧。

2002年，Don与Jeff Allen等人将一台单缸发动机的排气系统进行改造，使用了双排气门进行CAI试验研究。为了证实EGR在CAI燃烧中的加热作用和化学作用，分别使用高温氮气和高温空气代替缸内残余废气。当利用氮气替代EGR时发现，高温氮气并不能促使缸内着火，由于氮气属于惰性气体，所以可以认为残余废气参与了燃烧反应，起到了一定的化学作用。当使用高温空气替代EGR时，虽然空气中含有大量的氧气，但只有燃烧室内温度达到120℃才能实现着火，因此又证实了EGR的加热作用。对照EGR的化学作用可以看出，向燃烧室内充入氮气，可以推迟CAI燃烧相位，使CAI燃烧更加平和。

2004年，Tsnet Aroonsrisopon等人在一台燃烧室EGR单缸试验样机上进行了混合气达到CAI浓限和稀限的CAI试验研究。为了实现缸内混合气的分层，在试验样机上安装了两个GDE喷油器，一个喷油器安装于进气系统，另一个喷油器则安装在燃烧室一侧，且避免燃油直接喷射到气缸壁或活塞上。混合气稀限试验表明，混合气分层能够显著提高发动机的指示热效率和排放性能；而混合气浓限试验表明，混合气分层受到了发动机压力升高率过大以及CO、HC排放过高的影响，而作用不大。

2006年Takeru Ibara和 Minoru Lida等人通过试验和计算相结合的方法，采用负气门重叠策略研究了内部EGR对汽油CAI燃烧的影响。

试验样机为带有直喷系统的水冷单缸机，在排放和油耗可以接受的情况下，尽可能加大气门变动幅度，以重点研究进气门正时变动时负气门策略下汽油CAI燃烧特性。试验表明，当转速为2000rad/min时，发动机净平均有效压力变化幅度为200Kpa-400Kpa。当提高转速达到4000rad/min时，可以延长进气门开启时间，而降低转速时，进气门变化范围变窄，同时发动机转动不平稳。

2008年，Tsuyoshi Matsuda，等人在一台压缩比为14.3的四缸发动机上进行SI-CAI燃烧模式转换研究，通过改变EGR率、进气压力以及火花点火时刻，探索出适合的模式转换区域，在模式转换区域内，可以平稳的进行SI-CAI模式转换。

近年来，随着科研人员对CAI燃烧方式的逐步了解以及光学测量技术的不断完善，对于有效控制CAI燃烧的着火燃烧过程，拓宽CAI燃烧模式负荷范围，减少HC和CO排放方面，取得了可喜的进展。

3.国内研究现状

我国CAI燃烧方式研究工作开展的较晚，1992年，大连理工大学胡国栋教授首先进行了这一方面的探索工作，引起了人们的重视。2011年，我国内燃机专家史绍熙院士对CAI燃烧模式的优缺点及当前发展状况进行了详尽的阐述，此后，其他各大院校以及科研院所纷纷展开了不同程度的研究工作。到目前为止，已经取得了已经取得了一定的科研成果。2009年天津大学的赵华，谢辉教授等人在一台单缸发动机上，利用全可变气门机构实现气门定时和气门升程连续可调变化，研究了不同气门运动组合规律对CAI燃烧特性及CAI燃烧模式与SI燃烧模式相互转换的影响，其结果表明，在采用进、排气门同步变化的策略时，在油耗不高的情况下，可以实现更快的发动机负荷响应速度特性。

2010年，北京清华大学的王建昕教授等人通过错位双凸轮机构，利用一台四冲程GDI发动机对不同内部EGR和外部EGR下，CAI燃烧符合范围以及CAI燃烧特性进行了研究。利用内外部EGR相结合的策略，可以控制CAI燃烧的着火时刻，拓宽CAI燃烧的符合范围。

2010年天津大学的尧命发，刘海峰等人将一单缸柴油机改造成适用于光学研究的光学发动机，并根据燃烧室内燃烧火焰成像的方法，研究了不同冷却水温、进气温度以及热分层对CAI燃烧过程的影响。结果表明，进气温度和冷却水温对CAI燃烧特性有很大影响，而增大热分层，可以有效控制燃烧反应速率，扩展CAI的负荷范围。

2011年，吉林大学的郭英男教授利用配有全可变液压配气机构的单缸发动机，对排气道EGR策略下CAI燃烧气门定时区域进行了研究，得到了不同气门定时下可实现CAI燃烧区域示。

此外，天津大学的苏万华教授、赵华教授、谢辉教授，上海交通大学的黄震教授，西安交通大学的刘圣华教授等人也在CAI燃烧领域取得了一定的科研成果，为CAI燃烧的实现及稳定运行做出了贡献。