RCCI发动机及相关基础研究

王昆，廖世勇，袁春，张勇

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

RCCI发动机及相关基础研究

王昆，廖世勇，袁春，张勇

(重庆理工大学车辆工程学院，重庆 400054)

活性氛围分层压燃(RCCI)是面向压缩点火发动机的一种燃烧新技术，在能够维持压缩点火发动机高热效率的前提下实现氮氧化物(NOx)与炭烟颗粒(PM)排放同时降低。回顾了RCCI燃烧理论的提出和发展历程，分析了发动机应用现状，提出了当前RCCI燃烧基础研究中亟需解决的关键问题。

活性氛围分层压燃(RCCI)；低温燃烧

压缩点火发动机因其低转数域的高扭矩输出特性和宽广的功率范围，以及良好的燃油经济性和高可靠性，在工程机械、运输、舰船以及发电装备等方面有着非常广泛的应用。但压缩点火发动机中氮氧化物(NOx)和炭烟(PM)排放存在严重的折中(Trade-off)关系，同时降低这两种排放物异常困难[1]。而PM和NOx都是形成当前最严重的大气污染型气候——雾霾的重要诱因。因此，开发面向压缩点火发动机的高效、清洁燃烧技术，不仅是满足社会发展对高效动力需求的重要举措，更是适应越来越严格的排放法规要求、建设环境友好型社会的必然。

活性氛围压缩燃烧(Reactivity Charge Compression Ignition，RCCI)[2]是继均质充量压缩着火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)[3]、预混合压缩燃烧(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)[4]等低温燃烧(Low Temperature Combustion,LTC)技术后，面向压缩点火发动机新兴的技术。已有的试验表明，RCCI发动机能较好地克服HCCI，PCCI等燃烧技术的燃烧控制难、负荷适应性差等问题，并能较好地规避传统柴油机NOx与PM排放的折中关系难题，极具应用前景。

1 RCCI的提出

燃烧是燃料化学能转化为机械能的最基本途径，而发动机燃烧是化石燃料能量利用最普遍、最有效的方式。随着化石能源短缺以及环境污染问题的严重,国内外发动机工作者都致力于研究发动机高效洁净燃烧技术，以解决能源和环境问题。压缩点火发动机作为重要动力源，更是获得大量的关注。

柴油机电控高压共轨喷射燃烧[5]是压缩点火发动机燃烧技术的最新进展。该技术采用200 MPa左右的超高压喷雾技术，使得柴油雾化质量显著提高，能大幅降低发动机燃烧过程中PM的生成。但其仍未突破传统柴油机扩散燃烧的固有瓶颈，在燃烧过程中，缸内仍充盈着满足NOx和PM生成条件的局部当量比和温度区域，无法同时实现超低NOx和PM排放。

低温预混合燃烧是同时降低PM与NOx生成的重要技术途径[6]。HCCI，PCCI等技术是目前低温预混合燃烧理论最典型的应用。HCCI的混合气制备一般采用燃油早喷方式，形成类似于火花点火发动机的均质稀薄混合燃气， 同时采用废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)、进气加温和增压等手段来提高缸内混合气的温度和压力，使气缸内的稀薄预混合气可以实现多点同时着火。HCCI近似均质的混合燃气燃烧，避免了燃油过浓区域的存在，因而能够抑制PM的生成，同时由于采用多点压缩着火，避免了预混火焰的传播，发动机缸内燃烧没有明显的火焰锋面，并且由于采用稀薄燃烧，燃烧温度得以降低，使得NOx的生成也大幅减少。

PCCI是部分预混压燃和燃料缸内直喷扩散燃烧相结合的复合燃烧方式。该技术一般通过燃油部分预混来减少燃烧中扩散部分的比例。具体实现是通过将部分燃油在压缩行程直喷，或者采用调整进气门关闭时刻和提前喷油时刻，辅以EGR等手段，在燃气压缩着火前形成较为均质的预混燃气，剩余燃油直喷入缸内，发动机同样基于压缩实现多点燃烧。

最近发展起来的柴油机LTC 技术[6]是基于高压共轨喷射技术的一种燃烧方式。其主要通过高EGR率或可变压缩比、可变进排气门正时等方法来延长燃油着火滞燃期，降低缸内平均温度，实现低温预混燃烧，达到同时减少NOx和PM生成的目的。

HCCI，PCCI 以及LTC发动机都能避开NOx与PM生成的高发区，可以将NOx和PM排放同时降到极低的水平，但也存在显著的缺点： HCCI和PCCI发动机的工作范围很窄，仅限于中小负荷，因此在动力性上受到限制； HCCI与PCCI着火过程主要受制于化学动力学，其燃烧相位和燃烧速率难以直接控制，此外还存在HC 和CO 排放增大、冷起动困难等问题；LTC，PCCI发动机如果不使用EGR技术，会造成预混燃烧过于剧烈，发动机NOx排放和燃烧噪声会大幅增加；特别地，基于高压喷射的LTC发动机一般需要高EGR，以防止LTC发动机工作粗暴，但过高的EGR率会限制发动机的高负荷运行。

面向压缩点火发动机的低温燃烧技术还有许多应用方式，比如 MK (Modulated Kinetics)燃烧、UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System)燃烧、多段喷雾燃烧(Multiple Stage Diesel Combustion，MULDIC)、均质充量喷雾复合燃烧(Homogeneous Charge Diesel Combustion，HCDC)、多脉冲喷射HCCI 燃烧等[6]。这些燃烧技术与HCCI和PCCI一样，都是基于预混燃烧和稀释燃烧发展起来的燃烧技术，因而都属于LTC技术范畴。同样地，这些燃烧技术在发展过程中也都遇到发动机燃烧控制困难、负荷适应特性较差、CO和HC排放较高、燃烧效率降低等问题，仍需要予以持续研究。

燃气混合是影响压缩着火发生及整个燃烧进程的关键。因发动机缸内气流运动的强瞬变特性，理想的预混燃气制备一直是HCCI，PCCI，LTC等发动机的燃烧调控的难点。Reitz教授等[2]提出了RCCI燃烧概念：通过采用进气道喷射和缸内直喷两套独立的喷油系统(见图1)，就能较好地克服目前低温预混发动机预混燃气制备的难题，为燃烧精准调控创造条件。

图1 RCCI发动机燃烧

RCCI发动机进气道喷射一般是将汽油、甲醇、乙醇等高辛烷值、低沸点、易挥发的燃料喷入气道，这部分燃料将在着火前在缸内形成均匀混合气；缸内直喷则是仍沿用传统柴油机供油方式，将柴油等高十六烷值燃料喷入缸内与缸内的均匀混合气混合。通过调控预混与直喷燃用比例，RCCI燃烧可以调控扩散燃烧和预混燃烧强度，降低燃烧最高温度，同时，通过预混燃烧强化燃料射流与空气的混合，从而能达到同时降低NOx和PM排放的目的[2,7]。

从燃烧机理上看，RCCI仍属于低温预混燃烧范畴。RCCI的燃气混合机制与PCCI较为相似，但RCCI发动机中引入了高反应活性燃料作为预混燃料，而且双燃油喷射系统能灵活调整预混燃料的比例，这些措施可以解决目前低温预混和燃烧模式中燃烧相位可控性及负荷适应性差等问题。已有试验研究发现，RCCI发动机在不作相关后处理的情况下能达到EPA2010排放标准，同时发动机的热效率可大幅度提高，发动机负荷能拓展到中高负荷[8-9]。

2 RCCI发动机应用研究

RCCI技术是HCCI,PCCI以及LTC等低温预混燃烧技术的发展。最早系统地研究RCCI在发动机上应用的是美国Wisconsin发动机研究中心(Engine Research Center，ERC)Reitz团队。他们基于单缸和多缸发动机研究了不同燃料组合(包括汽油-柴油、乙醇-柴油以及汽油-汽油等)的RCCI燃烧适应性。研究发现,通过喷射策略控制实现发动机缸内的燃油分层和反应活性分区，能在发动机中实现活性氛围燃烧，达到低于0.05 g/(kW·h)和0.01 g/(kW·h)的NOx与PM排放要求[2]。伊朗科学技术大学(Iran University of Science and Technology)Kakaee等[10]测试了天然气作为预混燃料的柴油发动机RCCI燃烧性能，结果发现，表征燃气能量密度的Wobbe数和发动机转速对发动机性能和排放有特别重要的影响，高能量密度燃气能带来高的发动机缸内峰值压力、峰值温度和NOx排放。西班牙瓦伦西亚理工大学(Universitat Politècnica de València)Benajes等[11]研究了低活性混合燃料E10-95，E10-98，E20-95和E85与高活性的diesel-B7直喷下的RCCI发动机燃烧特性，研究发现，低活性燃料预混有助于实现近零PM排放，而高活性燃料预混在低EGR条件下NOx排放增加。新加坡国立大学Li等[12]研究了活性燃油分层对汽油-生物柴油RCCI发动机的影响，发现预喷汽油比例增高会使得燃烧更接近均质燃烧，有助于降低PM的生成。Lim和Reitz[13]率先将GDI应用于RCCI发动机进行相关试验研究，他们将异辛烷直接喷入缸内，将正庚烷通过共轨喷射系统喷入，结果发现发动机UHC和CO排放降低，燃烧效率得到了改善。

近年来，国内学者对RCCI发动机的研究日益增多。天津大学Yao等[14-15]重点研究了甲醇-柴油在压缩点火发动机上RCCI的燃烧情况。他们采用进气管喷醇、缸内直喷柴油的方式，在柴油机上实现了甲醇的较大比例替代，并且获得了较低的NOx和PM排放。发现进气温度对甲醇-柴油RCCI的燃烧排放有重要的影响，进气温度增加会抑制NO2，THC，CO，甲醛以及甲醇排放，但会增加NO，NOx和PM生成。清华大学Liu等[16]开展了气体燃料RCCI发动机燃烧特性的数值研究，研究了H2掺混入DME-CH4后发动机RCCI燃烧情况，计算分析了H2添加后对发动机常规排放NOx，CO，HC及非常规排放CH4的影响。研究发现，CO和CH4排放在预混燃烧阶段生成，随着H2添加，NO生成会显著增加。大连理工大学Li等[17]利用多维模拟方法，研究了预混燃料比率、发动机EGR率、进气终了温度(压力)以及喷油时刻等参数对发动机RCCI燃烧控制的影响，也发现进气终了温度和EGR率是影响发动机性能的关键因素。

3 RCCI燃烧理论研究进展

传统压缩点火发动机发生的是典型的扩散燃烧(Diffusion Combustion)，部分预混(Partially Premixed)是实现扩散火焰低PM和低NOx生成的重要手段。部分预混燃烧技术便于气体燃料应用，通过气体燃料射流中掺混部分空气(氧化剂)实现扩散火焰内的部分预混，通过反应区内的燃油-空气混合气分层，能达到改善火焰结构，同时降低火焰中PM和NOx生成的目的[18]。RCCI是部分预混燃烧基于液体燃料的应用拓展。该燃烧方式的实现是将液体(或气体)燃油(或燃油与空气的混合气)喷入预先混合好的均质燃气氛围，然后着火燃烧，这种燃烧方式也被称为预混活性氛围扩散燃烧。

部分预混火焰具有高效清洁燃烧效能的根本原因是预混氛围的存在[19]。对冲火焰是研究预混扩散燃烧的一大利器。预混火焰和扩散火焰在燃烧时火焰形态简单，而部分预混火焰会呈现不同的形态，比如对冲火焰会有经典的两反应区结构，即预混反应区(Premixed Reaction Zone)和非预混反应区(None-premixed Reaction Zone)(见图2)。部分预混燃烧火焰所呈现出来的复杂反应区结构，正是预混氛围与扩散射流在燃烧条件下相互作用的结果。

图2 基于气体燃料的部分预混对冲火焰

已有研究指出，火焰内的分层和反应分区对火焰燃烧过程有重要的影响，而火焰条件(当量比、温度、拉伸率等)对上述分区的影响又呈现不同的响应[20]。预混活性氛围扩散火焰，尽管从基本原理上仍同属于部分预混火焰，但预混燃气形成与引入方式的不同，会直接造成火焰结构上的变化。图3示出了预混活性氛围对冲火焰模型,图中“？”表示预混活性氛围对冲火焰反应区位置未知。对比图2和图3可以发现，传统部分预混火焰的预混燃气一般在燃料侧，使得火焰分区中预混区也靠近燃料侧，非预混反应区靠近空气侧(见图2)；而预混活性氛围扩散火焰的预混燃气一般与燃料射流分离(见图3)，从常识上判断火焰的预混反应区应靠近预混氛围侧，而扩散反应区的位置应靠近射流燃料侧；传统部分预混火焰的预混燃气在燃料侧，故而绝大多数情况下，预混燃气为浓混合气，而预混活性氛围扩散火焰在实际应用中多为稀混合气。活性氛围扩散火焰相对于传统部分预混火焰，呈现出来的反应区相对位置调整及预混反应区浓度的改变，已经颠覆我们对传统部分预混火焰的物性分层和反应分区的认识。

图3 预混活性氛围对冲火焰模型

一直以来基于气体燃料的部分预混对冲火焰都是燃烧基础研究领域的热点，具体研究涵盖了火焰特征剖析的方方面面，包括部分预混火焰的熄火、火焰拉伸、火焰提升(Lifting)及浮起长度(Lift-off Length)的测试和分析等[18,21]。近年来，随着替代燃料应用的兴起，研究更是拓展到大分子燃油的反应机理，还有相当一部分的研究是探索多环芳香烃(PAHs)与Soot的生成[22-23]。

相关文献显示，美国陆军实验室(Army Research Laboratory，ARL)的McNesby等[24]是开展RCCI火焰基础研究的先驱。他们通过将乙醇添加在空气侧，建立了乙烯射流在乙醇-空气氛围下的对冲火焰，测试发现，当乙醇添加在空气侧，能使扩散火焰中产生预混反应区，预混反应区的存在能加速活性基OH的产生，从而最终导致火焰中Soot生成大幅度地降低(相比乙醇添加在燃料侧的混合燃料扩散燃烧)。韩国国立釜庆大学Park等[20]利用H2-air与CH4-air的对吹，建立了两种燃料的活性氛围扩散燃烧，发现当量比对火焰结构和放热规律有明显的影响。美国伊利诺伊大学Aggarwal和Puri[25]发现，部分预混燃气(包括燃料预混氧气或氧气预混少量燃料)在微重力条件下，也能产生活性氛围燃烧。天津大学姚春德等[26]基于定容燃烧弹试验，研究了柴油喷雾在甲烷和甲醇预混活性氛围下的着火燃烧特性，研究指出，降低环境温度和增加预混燃料的浓度均能延长柴油着火滞燃期，增加燃烧放热率峰值，且较低的环境温度和高的预混气浓度有利于减少炭烟的生成。

4 RCCI基础理论亟需解决的关键问题

RCCI发动机及基础燃烧研究已经表明，预混当量比、氛围温度、预混燃油比例等参数对RCCI燃烧效能有重要的影响。但总体而言，关于“活性氛围扩散燃烧”的基础研究还是偏少，主要原因是RCCI燃烧概念提出的时间短，RCCI在发动机上的探索还处于初期，同时也由于这种燃烧方式的应用仍较多局限在与内燃机类似的瞬态燃烧系统，还未获得燃烧领域更多的关注，使得关键参数对RCCI燃烧的影响机理还未建立。

为推进RCCI燃烧应用发展，相关基础研究亟需获得重视，特别是针对RCCI发动机燃烧调控中的基础问题，应尽快展开研究。

1) 活性氛围下火焰着火机理

预混活性氛围混合气的燃烧过程主要受燃气化学反应动力学控制，其着火燃烧具有明显的两阶段点火特征，分别受燃气的低温和高温化学反应进程的影响，其中燃气在预混活性氛围的低温反应行为是影响火核形成的关键[27]。目前，针对单质燃料体系低温反应行为的研究较多，而预混活性扩散燃烧大多基于双燃料甚至多燃料体系，因此亟需广泛开展多燃料体系下的燃料低温反应行为研究。此外， EGR技术几乎是RCCI技术的标配，因此，还应特别关注稀释气体对预混燃气着火燃烧的影响研究。

2) 活性氛围下预混火焰及扩散火焰的相互影响机制

活性氛围扩散火焰的形态结构相比传统部分预混火焰有了显著的变化，目前，人们对这种燃烧方式的了解不多。对于活性氛围扩散火焰，有些信息是发动机试验无法获知的，如调整预混燃油比例、改变预混氛围温度以及稀释率变化时，火焰形态的相应变化就无法获知，对于更为细致的反应区内反应细节和反应区之间的交互作用关系更无从得知。

目前，还鲜有工作涉及预混活性氛围扩散火焰结构测试和分析，使得我们对RCCI燃烧机理尚未完全了解。因此，需要研究建立稳定的具有双燃烧反应区的活性氛围扩散火焰的方法，探寻预混活性氛围参数对火焰分区结构的影响关系，明晰火焰反应分区之间相互作用关系，建立和完善RCCI高效洁净燃烧机理。

3) 活性氛围对火焰中NOx及PM生成的影响

RCCI发动机测试已经揭示了活性氛围压缩燃烧在有害生成抑制方面的优势，但还鲜有研究从燃烧机理角度剖析活性氛围对洁净燃烧的作用途径。因此，需要开展关于火焰双反应区内NOx，PM等的生成规律和反应路径研究，总结各有害生成路线图，从机理上获得预混氛围对NOx，PM等有害生成的影响机制；并计算更宽泛预混氛围条件下的扩散火焰有害生成指标数据，总结获取有害生成随氛围条件的变化规律，发掘通过氛围调控抑制有害生成共同的方法。

4) 非常规燃料的活性氛围扩散燃烧基础特性研究

解决能源与环境问题最终还要依靠可再生替代能源的推广应用。随着石油资源的逐步枯竭，燃用生物燃料、合成燃料是必然趋势。开展非常规燃料及其混合物射流在活性氛围下的着火特性及燃烧机理研究，意在强调活性氛围扩散燃烧研究应未雨绸缪地推广到更宽泛的燃料范围，为非常规燃料的规模性替代燃用提供理论基础。

5 结束语

RCCI是继HCCI,PCCI,LTC等低温预混燃烧技术之后，应用于压缩点火发动机最有发展潜力的技术之一。这种燃烧模式展示出来了前所未有的清洁高效燃烧潜力，值得深入研究。综合目前RCCI发动机应用研究可以发现，活性燃料比例、预混氛围温度、EGR率等是RCCI发动机燃烧调控的关键。但由于对RCCI燃烧机理认识的不足，使得RCCI调控仍基于经验总结。因此，亟需开展活性氛围扩散燃烧基础理论研究，探寻活性氛围下火焰着火机理，发掘活性氛围下预混火焰及扩散火焰的相互影响机制，剖析活性氛围对火焰中NOx及PM生成的影响，并将活性氛围扩散燃烧基础研究拓展到非常规燃料体系，为系统推进RCCI技术发展提供完备的理论支撑。

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RCCIEngineandRelevantFundamentalStudies

WANG Kun，LIAO Shiyong，YUAN Chun，ZHANG Yong

(Vehicle Engineering Institute,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Reactivity charge compression ignition(RCCI)is a new combustion technique for compression ignition engine, which can keep the high thermal efficiency and realize the simultaneous reduction of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) emissions.The origination and development history of RCCI theory was first reviewed, the application status was analyzed, and some key problems that needed to be urgently solved were summarized.

reactivity charge compression ignition (RCCI);low temperature combustion

姜晓博]

2017-07-10；

2017-10-11

国家自然科学基金项目(NSFC51776028)

王昆(1990—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机替代燃料的燃烧基础研究；18695063739@163.com。

廖世勇(1973—)，男，教授，博士，主要研究方向燃料燃烧化学反应动力学；shyliao@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.001

TK42.2

A

1001-2222(2017)06-0001-06