浅析氢燃料HCCI发动机

王文彬

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

前言

随着化石能源的减少，环境污染日益严重，传统的汽油、柴油发动机已不能满足可持续发展要求，急需寻找一种新型替代燃料和更加合理的燃烧模式。氢气作为一种无碳能源，可以很大程度上减少有害尾气的排放，是一种理想的新型替代能源。HCCI可有效降低PM、NOx等有害尾气的排放。把氢燃料与HCCI相结合，不仅可以减少环境污染问题而且还能有效缓解能源危机。

1 HCCI

HCCI最主要的燃烧特征是：a.均值，b.低温，c.压燃。HCCI采用稀薄混合气燃烧，中小负荷燃烧时速度快，接近等容燃烧，由于HCCI燃烧温度较低，传热损失较少，因此HCCI能够获得较高的热效率，节省燃料，提高发动机的经济性。

HCCI可有效降低氮氧化物排放。NO生成有两个因素，高温和氮氧在高温中滞留的时间。HCCI发动机本身的燃烧温度相对传统发动机较低，相对于燃料燃烧的化学反应，NO生成的化学反应速度相对较慢，只有少量的 NO是在火焰当中生成，其余大部分是在火焰过后的高温已燃气体中形成，在HCCI中氮氧在高温环境当中停滞的时间不足，导致NO的生成量大幅度减少。所以与传统的汽油柴油机相比HCCI发动机在部分负荷工况下NO排放可降低95%-98%。HCCI最大的缺陷就是由于使用较强的EGR，使得HC、CO的排放较高。

2 氢燃料HCCI发动机

氢燃料 HCCI就是用氢气来替代传统的燃料达到均值低温压燃的燃烧效果，纯氢燃料相对于传统燃料有着天然的优势，氢气里面不含碳元素，也就是说在燃烧过程中不会产生PM、HC、CO等含C污染气体。把氢作为单一燃料应用到常规发动机上基本上只有NO一种污染物。而HCCI可有效降低NO排放，把氢气与HCCI相结合起到了1+1＞2的效果，有效的降低污染物排放，甚至不产生任何有害气体。

3 氢燃料HCCI发动机实现方式

目前，把氢气作为燃料应用到HCCI发动机有两种方式，一种是氢气和低燃点燃料掺烧，另外一种是使用纯氢气作为燃料。

3.1 掺烧

氢气和低燃点燃料掺烧就是在压缩过程中由低燃点燃料引燃氢气，而且这一方式在国内的研究较多。根据NO的生成机理可知，HCCI对改善氢发动机NO排放是可行的。因为氢气的燃烧速度要高于一般燃料的燃烧速度，通过掺氢燃烧可以提高整体的燃烧速度，缩短主放热阶段，减少氮氧在高温中滞留的时间，从而降低氢燃料HCCI发动机NO排放水平。

3.2 纯氢

由于HCCI使用低温压缩着火的方式，对燃料的自然温度有一定的要求，自然温度不能太高，否则对发动机的结构和制造要求太高以至于很难实现。氢气的自然温度是 547℃，而传统压燃式发动机使用的柴油的自然温度约 250℃，远低于氢气的自然温度。把HCCI与氢燃料相结合一般采用两种方法：

（1）提高压缩终了混合气温度

一般提高压缩比终了混合气温度的措施有：提高压缩比，进气道空气加热，废气再循环（EGR）等。较高的压缩比可以得到较高压缩温度，进气道空气加热提高进气温度，EGR提高缸内混合气温度。通常是多种措施相结合使用，提高提高压缩终了混合气温度。

（2）火花塞点火辅助

火花塞点火辅助类似于传统的汽油机，保留了火花塞点火能够使得 HCCI过程有了更多的控制，火花塞能够引燃氢气，这样就能避免失火现象的出现，而且火花塞还能够控制着火时刻，大负荷和冷启动情况下能够使用传统的火花塞点燃模式工作，使氢气的燃烧在各个工况下有所保障。

4 氢燃料HCCI燃烧缺陷及处理

HCCI通过控制缸内混合气温度，浓度以及成分来间接实现对着火以及燃烧过程的控制，相比汽油柴油机HCCI发动机缺乏一种直接有效的强制性控制性手段对其燃烧过程进行控制，如果发动机运行工况发生变化，HCCI发动机只能依靠改变内部温度、浓度来补偿，这样的话HCCI的瞬态响应就会先天比传统发动机弱。而氢燃料HCCI也存在同样的问题，不过它可以通过火花塞点火辅助解决瞬态响应慢的问题。

氢燃料 HCCI存在的另外一个问题是纯氢燃烧速率过快导致爆震现象。氢燃料HCCI形成爆震的主要原因是氢气的燃烧速度过快，为解决这个问题，可以通过添加抑制剂，在一定程度上抑制氢气过快的燃烧速度，降低火焰传播速度，从而改善爆震现象。

5 结语

氢燃料HCCI发动机作为一种新型高效低污染发动机，对于汽车尾气污染问题，氢燃料HCCI发动机为我们提供了一个很好的选择，如果能够大范围的推广使用，可以很大程度上缓解大气污染问题。

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