摘要：为了实现发动机的清洁、高效燃烧，国内外各研究机构都将均质充量压缩燃烧技术（HCCI）作为发动机研究的重点。文章介绍了汽油均质充量压缩燃烧方式的研究现状及特点，分析了汽油HCCI技术存在的问题，并提出了解决这些问题的对策，最后得出结论，认为这种燃烧方式具有较高的热效率、低NOx和PM排放。

关键词：汽油机；HCCI燃烧技术；发动机；燃烧方式；燃油消耗率

中图分类号：TK411 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）32-0065-02

随着能源供给的日益紧张和国家对环境保护的控制以及对车用发动机燃油经济性的重视，各研究机构采用各种方式对发动机燃油消耗率进行研究。目前采用的较先进的技术有柴油机的高压共轨和预喷射、汽油机的缸内直喷、废气再循环催化转化和微粒捕捉等，但这些都难以完全满足一些新法规的要求。这些年汽油机均质混合气压燃燃烧（HCCI）技术一直是各大机构研究的重点，有望使内燃机的热效率和排放性获得较大的突破。

1 HCCI的研究现状

Onishi等人在1979年利用二冲程发动机进行HCCI的研究过程中发现，在1000r/min到4000r/min的空载到中等负荷的工况下HCCI在工作稳定性、燃油消耗以及排放都有比较明显的改进。

Foster等人在1983年利用四冲程发动机通过实验也可实现均质混合气的压燃燃烧。

针对汽油机而言，由于汽油的自燃温度高，十六烷值低，目前常规的汽油机很难实现压燃。汽油机HCCI燃烧，温度是最为重要的热力学参数，在汽油HCCI燃烧研究的初期，试验中常采用进气加热的方式来实现HCCI燃烧，这种方式可以方便地控制进气温度，从而控制压缩末期混合气的温度，实现汽油机的HCCI燃烧。但是进气加热的方式要实现在工程上的应用，如何快速加热进气和热惯性等问题无法有效解决。

提高压缩末期温度实现汽油机HCCI燃烧的另外一种方式就是提高发动机的压缩比，将汽油机的压缩比提高到柴油机甚至更高的水平，这样可以在部分负荷甚至启动工况实现HCCI燃烧，但是过高的压缩比会导致在大负荷的缸内压力升高率过高，带来一系列的问题，比如难以接受的噪声、较高的摩擦损失等。因此可变压缩比技术很适合于汽油HCCI燃烧技术，在2008年的法兰克福车展上，戴姆勒公司正是采用可变压缩比技术实现了HCCI燃烧，在中小负荷采用高压缩比实现HCCI燃烧，改善燃油经济性，在大负荷降低压缩比，回归到传统的火花点火式燃烧。但是可变压缩比技术目前成熟度不高，在成本和可靠性上仍需要进一步改善，因此该技术没有进行量产。随着可变气门技术的迅速发展，缸内残余废气的控制可以通过可变气门技术进行控制，而采用内部残余废气的热量来帮助实现汽油HCCI燃烧成为了广泛研究的热点。先进的气门控制技术可以通过控制排气门的升程和相位来控制缸内的内部残余废气量，内部残余废气的热作用会对新鲜混合气进行加热，从而达到汽油HCCI燃烧的温度条件。这种技术手段简单、可行，在硬件的成本和可靠性都得到了保证，但是当废气总能量较低的小负荷，废气热量无法保证实现汽油HCCI燃烧，这样就需要在小负荷采用传统的火花点火燃烧，存在从火花点火燃烧到HCCI燃烧的过渡，同样在大负荷，HCCI燃烧会造成很高的压力升高率，目前的汽油机强度很难承受，也必须切换到火花点火燃烧，存在HCCI到火花点火燃烧的切换，

如何保证切换过程的平稳是实用化要解决的问题之一。

2 HCCI的特点

图1 规范化放热率曲线 图2 NOx排放

理论研究表明，HCCI燃烧过程中均质的混合气被压缩自燃，燃烧在多点同步发生并且无明显的火焰前锋，燃烧的温度比较均匀，因而可以提高压缩比，进而有效提高发动机的热效率，如图1所示。并且燃烧后NOx化合物的排放量可以减少90%以上，微粒排放（PM）形成可以被有效地抑止，如图2所示。但其HC和CO排放相对普通柴油机会有所提高。

3 HCCI面临的问题及解决方法

随着HCCI技术的研究越来越深入，HCCI技术也受到了各大汽车厂商和研究机构的重视，但离商业化生产还面临很多技术上的问题，主要表现如下：

3.1 发动机在冷态时启动困难

在冷启动过程中，不存在残余废气的加热作用，同时缸内壁面温度较低，因此混合气在压缩末期无法达到汽油机自燃的温度，这样造成发动机冷启动困难。目前通过研究得出各种冷启动方案，例如增加压缩比、使用预热器、燃料添加剂、不同的燃料及可变气门正时等技术。较好的解决方法是在冷启动时采用火花点燃的方式，在发动机正常运转以后再转化为HCCI燃烧模式。从火花点火燃烧到HCCI燃烧的切换过程中，两种燃烧方式的放热规律是完全不同的，会造成发动机扭矩的波动，这些问题的解决需要对HCCI燃烧的机理和控制进行更为深入的研究。

3.2 着火时刻的控制

传统汽油机混合气的着火是通过点火时刻进行控制的，火焰传播过程受空燃比分布，温度压力条件和湍流强度影响。传统柴油机属于扩散燃烧，其着火时刻受到喷油时刻控制，具有非常好的可控性。而HCCI的着火时刻受到混合气化学反应动力学的影响，受转速负荷等其他影响因素较小，所以只能通过常规的试验方法测量来获取经验。此问题的解决目前还没有单独的可行的方法，但可以通过改变空燃比的混合特征。如使用EGR提高进气温度，使用添加剂改变燃料性质；或者改变发动机的设计和工作参数，如可变气门正时，可变压缩比，使用不同的燃料喷射方式等来解决。

3.3 先进的发动机控制系统

目前的研究结果表明，汽油HCCI燃烧受到化学反应动力学控制，与传统的汽油机和柴油机相比，它缺少直接的控制手段，同时HCCI燃烧对边界条件非常的敏感，所以要实现精确的燃烧控制，需要更强大的硬件和控制侧路支持。从硬件角度来讲，HCCI燃烧的高敏感性决定了其可能存在失火等不可控的风险，因此如果能够实时地监测缸内的燃烧状况，并及时作出控制上的调整是一个不错的解决方式，而缸内燃烧信息的实时反馈需要安装新的传感器，这就需要较高的成本。在控制策略上，虽然目前很多研究机构都对HCCI的控制进行了探索，但是控制策略的完善和进步需要依托于HCCI燃烧理论的完善，尤其是对于HCCI燃烧的瞬态控制，由于其基本的燃烧机理仍然没有得到完善，因此瞬态控制的研究成果还非常少，这也是控制策略中最难的一环。

3.4 废气排放问题的解决

HCCI的燃烧可以降低NOx化合物和微粒的排放（PM），但HCCI燃烧是低温燃烧的过程，燃烧温度的降低会破坏CO氧化的化学平衡，减少CO到CO2的化学反应速率，特别是在低负荷，过低的燃烧温度可能会低于CO的氧化温度，导致氧化反应冻结，从而造成很高的CO排放。低的燃烧温度也会造成更高的壁面淬熄效应，造成HC排放的增加。

3.5 发动机运行工况范围的拓宽

HCCI的燃烧和传统燃烧相比几乎是同时进行的，无明显的火焰前锋，低负荷时燃烧的速度比较慢，这样会引起火焰传播的中断，而大负荷运转时由于燃烧的速度过快又会引起爆震的问题。目前各个研究单位和研究者对于将HCCI燃烧向全负荷拓展都展开了深入的研究，但是低负荷的失火和大负荷的爆震限制了HCCI燃烧的工况扩展，目前仍无法在实际的发动机所有工况。因此要想拓展HCCI燃烧的运行范围，就必须解决上负荷边界的爆震问题。对此，主要有三种可能的方法：（1）进气增压；（2）外部废气再循环；（3）利用混合燃烧技术。很多研究者也发现及时采用上述三种方法也不可能将HCCI燃烧扩展到所有工况，因此如何实现HCCI燃烧和SI燃烧顺利过渡成为大家研究的方向，如果能够实现平稳过渡，那么HCCI燃烧在其运行区域仍然具有很好的节油潜力，而在其他工况可以通过SI燃烧达到发动机需要的工况，这样方式可能会成为HCCI燃烧研究的方向。

4 结语

HCCI的燃烧技术相对于传统的点燃式和压燃式具有较高的热效率和低排放，是一项具有很大潜力的燃烧新技术，且有极广阔的发展前景，但是还有很多的技术问题需要解决，除上述几项外，还有发动机高负荷下功率输出不足、燃料的使用、多缸发动机各缸均匀性的保证等很多的问题。离完全意义上的商业化在发动机上实际投入使用还有很多的路要走，但采用两种燃烧模式相对来说比较容易实现，应是当前研究的主要方向之一。

参考文献

[1] 中华人民共和国工业和信息化部.新能源汽车生产企业及产品准入管理规则[S].2009.

[2] 陈韬.拓展汽油HCCI燃烧运行范围的试验研究[D].天津大学，2007.

[3] 张岩.HCCI汽油机及HCCI/SI燃烧模式过渡过程的燃烧特征与控制研究[D].天津大学，2008.

[4] 谢辉，陈韬，张岩，赵华.外部EGR和内部残余废气对汽油HCCI燃烧的耦合控制[A].中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集[C].2007.

[5] 秦静.可控自燃汽油机燃烧过程及其控制的研究[D].天津大学，2006.

[6] 胡顺堂.全可变气门机构汽油机泵气损失控制及对燃烧过程的影响[D].天津大学，2009.

作者简介：叶坦（1981-），男，安徽宿州人，淮北职业技术学院讲师，工程师，硕士，研究方向：车辆工程。