汽油机均质压燃HCCI燃烧系统.

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1、汽油机新型燃烧系统汽油机新型燃烧系统(二二)均质压燃汽油机均质压燃汽油机(HCCI)(HCCI)Homogeneous Charge Compression IgnitionHomogeneous Charge Compression Ignition一、引言一、引言 问题的引出问题的引出：点燃式汽油机经过了化油器、进气管汽油：点燃式汽油机经过了化油器、进气管汽油喷射、缸内直喷和分层稀薄燃烧技术的发展，其热效率喷射、缸内直喷和分层稀薄燃烧技术的发展，其热效率仍低于柴油机，其指示热效率更低于柴油机。点燃式汽仍低于柴油机，其指示热效率更低于柴油机。点燃式汽油机指示热效率不高主要是由于其燃烧方式所造

2、成的。油机指示热效率不高主要是由于其燃烧方式所造成的。从燃烧机理来说，传统的汽油机是均质混合的火花点火。从燃烧机理来说，传统的汽油机是均质混合的火花点火。为了使混合气能够被点燃，火焰能够传播，为了使混合气能够被点燃，火焰能够传播，混合气的空混合气的空燃比必须限制在一定范围燃比必须限制在一定范围，同时，为了避免火焰前锋面，同时，为了避免火焰前锋面前面的未燃混合气突然发生大面积自燃，产生爆震，前面的未燃混合气突然发生大面积自燃，产生爆震，汽汽油机的压缩比受到限制油机的压缩比受到限制，这两个限制都影响了热效率。，这两个限制都影响了热效率。 均质压燃均质压燃能使汽油机的指示热效率达到甚至超过柴油能使汽

3、油机的指示热效率达到甚至超过柴油机的水平。由于采用了压燃，机的水平。由于采用了压燃，混合气的空燃比不再受混合气的空燃比不再受到混合气点燃和火焰传播的限制到混合气点燃和火焰传播的限制，内燃机的，内燃机的压缩比也压缩比也不再受到爆震的限制不再受到爆震的限制。与此同时。与此同时,由于可以在稀薄混合由于可以在稀薄混合气中进行燃烧，气中进行燃烧，NOX的生成受到抑制的生成受到抑制，减轻了排气后，减轻了排气后处理的困难。处理的困难。 1983年第一篇关于四冲程均质压燃汽油机的研究论文年第一篇关于四冲程均质压燃汽油机的研究论文发表以来，直至上世纪末均质压燃汽油机才受到各国发表以来，直至上世纪末均质压燃汽油机

4、才受到各国重视，但还未在产品汽油机上应用。原因有二：均质重视，但还未在产品汽油机上应用。原因有二：均质压燃汽油机必须在各种变动工况和不同的环境条件下压燃汽油机必须在各种变动工况和不同的环境条件下可靠工作；在整个运行工况的平均热效率必须足够高。可靠工作；在整个运行工况的平均热效率必须足够高。二、均质压燃燃烧的特点二、均质压燃燃烧的特点 从表面上看，均质压燃汽油机是点燃式汽油机和压燃式从表面上看，均质压燃汽油机是点燃式汽油机和压燃式柴油机的结合：柴油机的结合：采用预混的均匀混合气；混合气自燃采用预混的均匀混合气；混合气自燃。实际上，均质压燃汽油机的燃烧过程与点燃式汽油机和实际上，均质压燃汽油机的燃

5、烧过程与点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧过程都不同：点燃式汽油机和压燃压燃式柴油机的燃烧过程都不同：点燃式汽油机和压燃式柴油机的燃烧都是式柴油机的燃烧都是扩散燃烧过程扩散燃烧过程，点燃式汽油机主要，点燃式汽油机主要利用热扩散来实现火焰传播（热扩散促使化学链锁反应利用热扩散来实现火焰传播（热扩散促使化学链锁反应结果火焰传播，而火焰传播速率远远高于混合气形成速结果火焰传播，而火焰传播速率远远高于混合气形成速率）；压燃式柴油机主要依靠燃油蒸汽和氧气的扩散现率）；压燃式柴油机主要依靠燃油蒸汽和氧气的扩散现象促进混合气形成，燃烧速率决定于混合气形成速率；象促进混合气形成，燃烧速率决定于混合气形成速率；理

6、想的均质压燃汽油机燃烧过程是一种理想的均质压燃汽油机燃烧过程是一种非扩散非扩散的，在整的，在整个燃烧室内同时发生的个燃烧室内同时发生的均匀燃烧过程均匀燃烧过程。 由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀由于缸内温度和气体成分的分布不可能完全均匀,实际上均质压实际上均质压燃的燃烧过程不可能真正同时发生燃的燃烧过程不可能真正同时发生.对均质压燃汽油机燃烧过程对均质压燃汽油机燃烧过程的高速摄影研究发现的高速摄影研究发现,燃烧开始时首先在缸内出现一些孤立的亮燃烧开始时首先在缸内出现一些孤立的亮点点,然后才在整个燃烧室观察到均匀的发光燃烧现象然后才在整个燃烧室观察到均匀的发光燃烧现象.那些孤立的那些孤

7、立的亮点是由于该处的混合气在压缩过程中首先达到自燃温度开始燃亮点是由于该处的混合气在压缩过程中首先达到自燃温度开始燃烧所造成的烧所造成的.对随后在其它区域所发生的燃烧现象则有不同的解对随后在其它区域所发生的燃烧现象则有不同的解释释:一种解释是由一种解释是由火焰传播火焰传播所造成所造成,那些孤立的亮点起到那些孤立的亮点起到多火源点多火源点火的作用火的作用,因为燃烧前混合气的温度已经非常接近自燃温度因为燃烧前混合气的温度已经非常接近自燃温度,并且并且已经开始低温化学反应已经开始低温化学反应,少量的加热就会引起快速的高温化学反少量的加热就会引起快速的高温化学反应释放大量热能应释放大量热能,因此火焰传

8、播速率非常快因此火焰传播速率非常快.另一种解释是另一种解释是压力波压力波造成的造成的,少量混合气首先发生自燃少量混合气首先发生自燃,燃烧放热造成压力升高燃烧放热造成压力升高,以声速以声速向四周传播向四周传播.由于混合气的温度已经非常接近自燃温度并且已经由于混合气的温度已经非常接近自燃温度并且已经开始低温化学反应开始低温化学反应,很小的压力升高所造成的温度升高就可以触很小的压力升高所造成的温度升高就可以触发周围混合气发生快速的化学反应发周围混合气发生快速的化学反应,释放大量热能释放大量热能.最后一种解释最后一种解释最简单最简单:由于混合气的温度大致均匀由于混合气的温度大致均匀,即使不存在温度和压

9、力的传即使不存在温度和压力的传播现象播现象,也会因也会因活塞上行受到进一步压缩活塞上行受到进一步压缩而自燃而自燃.三种因素都存在三种因素都存在. 汽油机均质压燃和汽油机爆震过程自燃的根本区别在于汽油机均质压燃和汽油机爆震过程自燃的根本区别在于单位质量未燃混合气所含有的化学能量不同单位质量未燃混合气所含有的化学能量不同,对燃烧过对燃烧过程的影响也不同程的影响也不同.点燃式汽油机的混合气接近当量空燃点燃式汽油机的混合气接近当量空燃比比,其过量空气系数受到火焰传播的限制其过量空气系数受到火焰传播的限制,不能大于不能大于1 1 5 5.在爆震时由于单位质量混合气释放出大量的化学能会造在爆震时由于单位质

10、量混合气释放出大量的化学能会造成高温燃气强烈的压力波动成高温燃气强烈的压力波动,除了产生噪声和振动外还除了产生噪声和振动外还会使气壁之间的传热增加会使气壁之间的传热增加,使汽油机过热使汽油机过热,造成拉缸等损造成拉缸等损害害.而均质压燃汽油机的混合气需要用过量空气或大量而均质压燃汽油机的混合气需要用过量空气或大量的残余废气进行稀释的残余废气进行稀释.如果残余废气系数不显著增加如果残余废气系数不显著增加,均均质压燃汽油机混合气的估量空气系数必须大于质压燃汽油机混合气的估量空气系数必须大于2.02.0才能才能控制控制NOX生成和燃烧的粗暴性生成和燃烧的粗暴性.因此因此,在均质压燃燃烧过在均质压燃燃

11、烧过程中单位质量混合气所具有的化学能较少程中单位质量混合气所具有的化学能较少,燃气温度较燃气温度较低低,即使缸内燃气压力发生波动即使缸内燃气压力发生波动,也不会造成过热和拉缸也不会造成过热和拉缸损害损害. 均质压燃与点燃式汽油机爆震时均质压燃与点燃式汽油机爆震时气缸压力波动气缸压力波动的比较的比较: 缸内的压力波动是燃烧噪声的根源缸内的压力波动是燃烧噪声的根源.不同频率的缸内压力波动不同频率的缸内压力波动对汽油机机体的振动和机外空气中被激发的声波的影响不同对汽油机机体的振动和机外空气中被激发的声波的影响不同.一般情况下一般情况下,汽油机机体对汽油机机体对8000HZ以下的缸内压力波动衰减较以下