HCCI

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的意思是“均質充量壓燃”，它是一種以Otto往復式汽油機為基礎的一種新型燃燒模式，簡單來說就是汽油機的一種壓燃方式。這項技術在90年代初已經被提出並開始實驗，但是當時電子控制技術沒有現在成熟，所以這項技術直到現在才被大眾所知。

基本介紹

• 中文名：均質充量壓燃
• 外文名：Homogeneous Charge Compression Ignition
• 定義：均質充量壓燃
• 簡稱：HCCI
• 類別：新型燃燒模式
• 詞性：名詞

簡介

HCCI發動機和傳統的汽油發動機一樣，都是向汽缸裡面注入比例非常均勻的空氣和燃料混合氣。傳統的汽油發動機通過火花塞打火，點燃空氣和燃料混合氣產生能量。但HCCI發動機則不同，它的點火過程同柴油發動機相類似，通過活塞壓縮混合氣使之溫度升高至一定程度時自行燃燒。

HCCI是一種以往復式汽油機為基礎的一種新型燃燒模式，簡單來說就是汽油機的一種壓燃方式。這項技術在90年代初已經被提出並開始實驗，但是當時電子控制技術沒有現在成熟，所以這項技術直到現在才被大眾所知。

優點

裝備HCCI技術的發動機的技術結構比一般發動機要複雜(相比那些“經典”發動機)，當汽油機的壓縮衝程快結束時，汽油通過直噴油咀噴進汽缸，HCCI發動機壓縮比比普通的汽油機高，所以噴出的小油滴在壓縮衝程完成時有時間在汽缸內形成均勻的分布，這時汽缸的壓力足夠使均勻分布的油滴自動壓燃，所有的燃料都在同一時間點燃，所以提高了燃油的使用效率（傳統的汽油和柴油機都是非均勻的擴散式燃燒，在擴散的同時浪費了部分的能量）而且由於它採用壓縮點燃的緣故，可以採用相當稀薄的混合氣，因此可以按照變質調節的方式，直接通過調節噴油量來調節扭矩，不需要節氣門。HCCI發動機的燃燒溫度低，對燃燒室壁的傳熱很低，能夠減少輻射熱的傳遞，還能大幅降低氮氧化合物的形成。另一個特點是燃燒周期很短。因為燃燒過程主要是受化學反應而不是受混合過程的支配，能夠使得燃燒周期比傳統的柴油機短。而且它採用的燃油辛烷值允許在一個廣闊的範圍內變動。可以採用汽油、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以採用多種燃料混合燃燒。還可以將對高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調整，用作在HCCI燃燒中控制燃燒起點和負荷範圍的方法。但也有人試圖用柴油作為HCCI燃料，效果遠不及汽油，為什麼呢？因為汽油有較高的揮發性，能夠在汽缸內儘快與空氣混合形成均勻的油氣混合氣，而柴油沸點高，與空氣較難混合均勻。

缺點

那HCCI技術那么好，為什麼還不馬上推廣大量是用呢？原來現在的HCCI技術還有一些技術難關。

一　在燃燒時刻的控制上，HCCI發動機靠汽缸的壓力和溫度自燃，油氣混合氣的密度，氣缸的溫度和壓力都需要進行精確的檢測和控制，所以發動機的ECU管理程式也要進行相應的加強。

二　由於HCCI的同時壓燃和放熱，瞬時間汽缸和活塞會受到強大的壓力，有可能會產生爆震的現象，所以必須提高混合氣的空燃比（高於傳統的14.7：1），這就需要HCCI在稀燃狀態下工作，排氣的溫度也比較低，使得發動機較難採用渦輪增壓。以上這些都使得HCCI可能達到的最大負荷比典型的火花點燃式和直噴式柴油機低得多。另外，低排氣溫度對催化轉化器來說也是一個問題，因為需要相當高的溫度才能起動氧化/還原反應。

三　也就由於剛才我們講到的HCCI發動機可能達到的最大負荷比典型的火花點燃式和直噴式柴油機低得多，所以，在大負荷高轉速的時候或者冷機狀態下發動機還必須依靠傳統的火花塞點火系統，這就間接要求了發動機的壓縮比可變，在傳統點火模式的時候變回低壓縮比。所以氣門正時系統及眾多的壓力感測器也是必須的。

所以就現在的限制而言，HCCI汽油發動機還不能實現完全的壓燃稀燃模式進行，它只在中低轉速的時候介入工作，提高效率，降低油耗。

實際運用

在實際運用HCCI技術的研發上，賓士和GM走在了前列，以賓士的07年的F700概念車為例，其DiesOtto 1.8T直4 CGI直噴發動機在採用HCCI技術後，輸出功率達到238hp，最大扭矩達到400N.m，完全就是一台3.5L V6的水平，難得的是它的油耗僅為6L/100km，二氧化碳排放僅127g/100km。採用HCCI技術的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油機的油耗也僅為4.3L/100km，比常規技術降低15%以上。相信隨著技術難關的不斷攻克，HCCI技術將會快速普及到大眾當中，作為一種新的節能增效技術，為地球的藍天作一份貢獻。

燃燒方式

HCCI發動機利用的是均質混合氣，但它不同於常規汽油機的單點點火方式,它通過提高壓縮比、採用廢氣再循環、進氣加溫和增壓等手段提高缸內混合氣的溫度和壓力,促使混合氣壓縮自燃,在缸內形成多點火核,有效維持了著火燃燒的穩定性，並減少了火焰傳播距離和燃燒持續期。它的燃燒速率只與本身的化學反應動力學有關。

大多數燃料的HCCI燃燒表現出獨特的二階段放熱，第一階段放熱和主放熱階段。第一階段放熱與低溫動力學反應有關,此時是冷焰、藍焰。在第一階段放熱和主放熱之間有一個時間延遲,延遲時間主要由這些反應的negative temperature coefficient regime(NTCR）,負溫度係數現象,即溫度升高,反應變慢)決定的。用光學診斷的方法來研究HCCI的燃燒過程發現第二階段燃燒是多點同時進行的,一旦著火,混合氣迅速燃燒,沒有可視火焰傳播,一般認為HCCI的完全燃燒僅由化學動力學控制,沒有一般燃燒中的流動,局部仍存在不均勻物質,從而有局部波動現象,所以儘管沒有前端火焰,HCCI的放熱率並不是由化學反應速率來控制的,有人提出破碎湍流漩渦對HCCI燃燒放熱率有重要影響,這一問題現在仍然有爭執。HCCI燃燒方式的出現,有效地解決了傳統均質稀混合氣燃燒速度慢的缺點,是有別於傳統的汽油機均質點燃預混燃燒、柴油機非均質壓燃擴散燃燒和GDI發動機分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式。

面臨的技術問題及解決途徑

目前對HCCI技術的研究方興未艾,但距離商業化仍需時日,歸納起來主要要以下問題:

發動機冷啟動困難

多種多樣冷啟動方案被提出並研究,例如,使用預熱器,使用不同的燃料或是燃料添加劑,增加壓縮比,使用可變壓縮比或可變氣門正時等技術。有資料顯示,點燃是個切實可行的辦法。

廢氣控制系統的研究

使用HCCI技術的發動機由於燃燒溫度低混合氣混合均勻的緣故產生很低的NOX和微粒排放,但UHC和CO排放較高。降低UHC和CO排放的機外淨化裝置已經成熟,但廢氣再循環技術更受青睞。一般認為,再循環廢氣有這樣的作用,加熱作用,稀釋作用分層作用和化學性作用。

拓寬HCCI運行工況範圍

HCCI燃燒幾乎是同時進行的,大負荷時過快的燃燒速度會引起發動機的爆震燃燒;低負荷時燃燒速度過慢會引起火焰傳播中斷。研究表明,通過分曾燃燒可以有效地拓寬HCCI的運行工況範圍,採用兩種不同特性的燃料也是拓寬HCCI運行工況範圍和控制著火時刻的重要途徑之一。

控制著火時刻和燃燒率

HCCI著火過程主要受化學反應動力學控制,著火時刻決定於混合氣的成分、溫度和壓力,只能間接控制著火時刻和燃燒過程。目前的解決辦法是通過EGR、VCR和VVT等技術。

快速反應

研發快速反應控制系統來解決不同工況下的動態回響靈敏性。