2.4 先进的低温燃烧概念

在过去的数十年中，为了满足日益严格的排放法规，柴油机燃烧的许多研究集中在了碳烟和NO_x的缸内生成控制和机外后处理两个领域上。尽管具有很高喷油压力（量产机可高达240MPa）、EGR、优化活塞燃烧室几何形状和改进缸内流动的先进柴油机燃烧系统已大大降低了污染物排放量，但如果没有昂贵的排气后处理系统，常规的混合过程控制的柴油燃烧不能满足当前的排放法规要求。另一方面，政府监管和市场需求推动技术进步以进一步降低汽油机的燃油消耗量（提高热效率）。在未来10～15年内，目标是生产出在超低NO_x和颗粒物排放条件下热效率大于50%的车用发动机。

具有压缩着火低温燃烧（Low-Temperature Combustion，LTC）特点的先进燃烧概念已经展示实现这一目标的可行性。例如，RCCI燃烧展示了它比常规柴油机效率提高20%；比常规汽油机效率提高40%～50%[35]。低温燃烧概念的主要共性是压缩着火燃烧、进气预混合或者部分预混合；通过引入过量空气或者EGR形成高稀释的混合气；高压缩比以及无节气门运行。其优点是由于高压缩比、高比热比、无泵气损失而获得的高热效率以及缸内很低的NO_x和碳烟生成量。

20世纪80年代初，LTC概念首次在HCCI燃烧中被展示[36]。自20世纪90年代中期以来，人们开始对HCCI进行了新一轮的深入研究。在HCCI或可控自燃（Controlled Autoignition，CAI）燃烧中，燃油被喷入进气道，然后与空气混合形成预混均匀混合气。混合气被活塞压缩，并在上止点附近时自燃。通常采用小于0.45的燃空当量比使混合气稀薄或在化学当量比混合气中加入大量EGR，达到稀释混合气的目的。当混合气被压缩到自燃温度时，发生反应并整体燃烧。由于稀释度高，燃烧温度低，气缸内生成的NO_x非常少，并且进气充分混合防止了碳烟的生成。HCCI的热效率与柴油机相当[37，38]。包括汽油、柴油、乙醇、天然气等各种燃料都已被用于HCCI燃烧研究。

HCCI燃烧的本质是在碳氢化合物氧化反应动力学控制下发生整体自燃，因此受缸内混合气温度的影响很大。图2-17（见彩插）显示了用高速摄影机拍摄的HCCI燃烧的图像[39]。这些图像是在一台0.5L带有篷形燃烧室和平顶活塞的四冲程PFI单缸发动机上拍摄的。发动机运行在800r·min-1，空燃比为32，进气温度为150℃。可以看到，在上止点后6.8°（CA）（ATDC，After Top Dead Center）时，在2点钟和8点钟方向发生着火。然后，着火引发的分散的火焰点开始生长，随后在整个燃烧室中发生快速的化学反应。到16.4°（CA）（ATDC）时，反应继续，但主燃烧阶段（由强烈的蓝光表示）结束。从这些图像中看不到大尺度的火焰传播，这证明HCCI燃烧不是混合过程控制的。在HCCI中，快速的化学反应会导致气缸压力迅速升高，从而引起噪音和振动问题。

实现LTC的另一种方法被称为预混压燃（PCCI）燃烧[40]。尽管这里的“预混”一词在某种程度上具有误导性，但该燃烧策略是延长喷射始点（Start of Injection，SOI）和燃烧始点（Start of Combustion，SOC）之间的时间段，从而增强SOC之前的空气燃油混合度。这种操作的目的是将混合和燃烧分离，从而使混合气根据此分离时间在一定程度上进行预混。在PCCI燃烧中，在压缩行程期间将燃油（柴油或汽油）喷射到气缸中，燃油蒸发并与空气（以及EGR气体）混合，随后自燃。PCCI燃烧速率主要由化学反应动力学决定，而不是由湍流火焰传播决定。

图2-18（见彩插）比较了高速摄像机拍摄的燃烧图像，这些图像显示了同一台发动机中的常规柴油压燃（Conventional Diesel Compression-Ignition，CDCI）高温燃烧和PCCI低温燃烧[41]。发动机压缩比为17.5，转速为1200r·min-1，燃油喷射压力为40MPa，进气压力为0.142MPa。在图中第一行所示的CDCI燃烧模式中，SOI为-10°（CA）（ATDC），可以首先在-1.5°（CA）（ATDC）左右观察到始于预混燃烧的燃烧现象。在6.6°（CA）（ATDC）时，燃烧达到峰值速率（由峰值自然发光度反映）。燃烧油束碰撞到活塞凹坑边缘，并沿着活塞凹坑边缘的周边向外扩散。黄色火焰表明高温浓混合气扩散燃烧。图中第二行显示了PCCI燃烧模式，SOI为-32°（CA）（ATDC）。在约为15°的延迟时间后，在-15°（CA）（ATDC）时观察到着火现象。然后可以看到在喷雾区域发生整体反应，并以这种方式继续燃烧。蓝色发光表示PCCI中的低温燃烧。在这个特定的案例中，在-12.7°～0.78°（CA）（ATDC）的图像中，从沿活塞凹坑周边的发光扩散火焰中可以观察到池火燃烧现象。池火发生的位置与油束碰撞到活塞凹坑壁面的位置一致。

由于HCCI和PCCI是化学反应动力学控制的反应，不难理解它们对初始温度和组分成分的敏感性[42]，而初始温度和组分成分受进气温度和压力以及EGR率的影响。这就涉及燃烧可控性问题。在发动机低负荷时生成过量的HC和CO是LTC的另一个问题，这将导致燃烧效率严重恶化。例如，研究表明HCCI的燃烧效率将从ϕ＞0.24时的95%降低到ϕ=0.08时的55%[38]。

正如Reitz所总结的[35]，尽管HCCI在某些方面具有优势，但有几个问题限制了它的应用。第一个困难是在发动机中实现均匀混合气。人们提出了许多燃油制备方法，如进气道喷射或采用小喷雾锥角的早期缸内直喷以避免喷雾碰壁。第二个困难是HCCI的工作范围有限。由于整体燃烧的特点，气缸内物质几乎同时点燃，这会在高负荷下产生不可接受的噪声和爆燃。已尝试通过喷水、应用高EGR率或在气缸中引入温度分层来增加负荷。

HCCI的另一个困难是控制燃烧始点，即难以控制发动机以期望的可重复的平稳方式运行。在常规压燃式柴油机中，燃烧的始点是由喷油正时控制的，而在点燃式汽油机中，火花塞点火引发燃烧。而HCCI着火受到混合气温度、成分和压缩过程的控制，上述因素的微小变化都可以造成较大的燃烧始点变化。使用低反应活性燃料可以获得更好的控制。例如汽油的高抗自燃性允许其在燃烧前有更多的混合时间，产生更低的局部当量比，从而降低NO_x和碳烟排放。实际上，HCCI运行的最佳燃料应该具有介于柴油和汽油之间的自燃特性。低十六烷值燃料（例如高辛烷值汽油）有利于高负荷运行，而高十六烷值燃料（例如柴油）有利于低负荷运行。PCCI通过调整SOI或多次喷射提供了一定程度的燃烧正时控制，但还不够充分。

可以像分层混合气直喷汽油机一样使用模式切换策略绕过HCCI负荷限制问题，即在低负荷和中负荷下使用HCCI，在高负荷下使用常规燃烧。已经证明使用火花辅助HCCI结合多次喷射和气门正时策略可以扩展其工作范围。在汽油直喷压缩着火（Gasoline Direct Injection Compression Ignition，GDICI）运行模式下[43]，可以通过适当调整多次喷射的喷射时刻来实现对燃烧始点的更好控制。GDICI在缸内产生部分预混（或“足够预混”）的当量比分层。由于较高的当量比区域更具反应活性，这导致燃烧室内的混合气在不同空间位置上相继自燃，压力升高率降低，从而可以在更高的负荷下实现低温燃烧。

2010年，威斯康星大学ERC的Reitz教授团队发明了一种新的LTC燃烧概念，即化学活性可控压燃（RCCI）。在最初的RCCI概念中，缸内燃料混合采用了进气道喷射低反应活性燃料（如汽油）和缸内多次喷射高反应活性燃料（如柴油）的策略[35]。这种双燃料策略为大幅度提高燃烧控制性提供了可行的手段。因此，ERC和世界其它机构对RCCI开展了深入的研究。有关RCCI的参考文献有很多，无法在此全部引用，建议读者首先参考RCCI的综述文献[44-47]。

RCCI已展示出超低的缸内NO_x和碳烟生成特性，同时实现了接近60%的总指示热效率[48]。总指示热效率是根据从IVC时刻到EVO时刻的气缸压力积分得到的功来计算的。该效率比常规柴油燃烧高出约10%（即燃油消耗量减少约20%）。此外，RCCI不需要高的燃油喷射压力，因为喷射时刻远离上止点，这为燃油蒸发和混合提供了时间。RCCI采用混合燃料控制燃烧过程，因此可以将发动机的运行负荷范围扩展到HCCI和PCCI可运行的负荷范围之外。事实上，在一台压缩比约为12∶1的重型柴油机上已经展示汽油-柴油RCCI的工作负荷可以到2.3MPa指示平均压力。

混合气的形成是所有LTC概念中的一个至关重要的部分。可以说，燃油喷射策略是特定的LTC方法的显著特征和关键促成因素。因此，了解每个LTC方法中所采用的基本燃油喷射策略至关重要。不同LTC方法的基本燃油喷射策略如图2-19所示。在常规的柴油机压燃（CDCI）燃烧中，燃油总是直接喷入燃烧室。HCCI使用外部（进气道）喷射。PCCI采用本书中的定义，即缸内燃油喷射，尽管有一些研究人员将他们的外部燃油喷射策略称为PCCI。RCCI在进气道中喷射一种低反应活性燃料，在缸内喷射另一种高反应活性燃料。在所有LTC概念中，缸内燃油喷射都可以是单次或多次的。

RCCI在燃烧室内同时产生当量比和反应活性分层。燃烧从高反应活性区域依次进行到低反应活性区域，从而有效地降低压力升高率。图2-20（见彩插）显示了RCCI的这种能力，随着进气道喷射汽油比例的变化，改变了燃烧的相位，如实测的和CFD计算的缸压和放热率曲线所示[49]。放热率曲线显示柴油燃料先发生冷焰反应，随后在高温放热区域内出现两段明显的峰值。研究认为第一段峰值对应于柴油燃料氧化生成CO的高温氧化反应，第二段峰值对应于汽油分解生成CO的氧化反应。

RCCI的燃烧相位可以在同一循环或下一个循环中通过适当的燃烧反馈控制调整反应活性高低燃料的比例来改变。RCCI可以使用多种燃料，包括汽油、天然气和柴油；也可以使用单一燃料。例如，可以让发动机在进气道喷射普通汽油，而在缸内直喷燃油（也是汽油）中添加少量十六烷值改进剂（例如，二叔丁基过氧化物（Di-Tert Butyl Peroxide，DTBP））来提高其反应活性[50]。DTBP可按机油更换周期补充。

如图2-21（见彩插）所示，RCCI燃烧已被证明能够在高热效率和低排放前提下大负荷运行[51]，负荷达到了14.6MPa指示平均压力，总指示热效率达到56%，缸内生成的NO_x和碳烟水平低于美国环境保护署2010年对道路货车的排放限值，同时响度在可接受水平内。

RCCI的燃料灵活性如图2-22所示。对缸内喷油中添加DTBP的单一汽油燃料、E85/柴油和汽油/柴油进行了测试。E85是指含85%（体积分数）乙醇的乙醇汽油。结果表明，E85/柴油组合的指示热效率约为59%，表明RCCI具有良好的替代燃料适应性。

由于RCCI的巨大潜力，近年来的研究主要集中在RCCI概念的商业化应用。已经对发动机在整个负荷工况下的瞬态表现、发动机控制方法、常规动力和混动动力车辆应用等进行了研究。Paykani[47]对最新的结果进行了总结。研究表明，基于控制导向模型（Control-Oriented-Model，COM）的方法可以控制RCCI发动机不同瞬态工况下的CA50（即φ₅₀）；采用生物燃料的单燃料RCCI燃烧是实现RCCI商业化的有希望的途径；采用基于COM的控制模型进行燃烧模式切换是获取RCCI瞬态排放的必要条件；采用RCCI发动机的插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicles，PHEVs）具有降低局部和整体排放的潜力。

结束本节前，在此用图2-23对新燃烧模式的减排潜力进行总结。在借鉴文献[38]的基础上，图2-23绘制了生成碳烟和NO_x时的局部当量比ϕ和燃烧温度T的等值线。常规柴油压燃燃烧（CDCI）处在高碳烟和高氮氧化物的生成区域，导致排放量较高。火花点燃（SI）燃烧也会产生大量的NO_x排放，但由于当量燃烧，它们很容易被现代三元催化器去除。LTC燃烧概念（如HCCI、PCCI和RCCI）处于低NO_x和碳烟生成区域。然而，它们往往在发动机小负荷下产生高的CO和HC排放。

其它最新的研究和开发工作已经产生出了新的有希望的高效率发动机概念。例如，据报道，马自达汽车的工程师们提出使用火花控制HCCI燃烧，即SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition），汽油发动机的指示热效率高达56%[53]。另一方面，与常规的燃油发动机驱动车辆相比，混合动力车辆要求发动机在更窄的速度负荷范围内运行，这为设计优化混合动力专用发动机的燃烧以提高热效率提供了机会[54]。