HCCI内燃机工作过程控制方式及前景

杜秀达 刘扬

摘要：信息技术时代背景下，科学技术水平不断提高为各大行业注入新的力量并促进各领域高速向前发展。均质压燃内燃机是一种新型科技产物，同时具有传统柴油机和汽油机的技术功能，其英文縮写为HCCI。HCCI具有很大的发展前景，虽然以目前的技术水平还达不到理想成效，但与传统内燃机相比具有显著优势。本文将对HCCI内燃机工作原理做简单介绍，对HCCI内燃机工作过程控制方式进行深入探究，并对HCCI内燃机技术前景做出分析。

关键词：HCCI内燃机;内燃机工作过程;控制方式及前景

中图分类号：U464.173                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0066-02

0  引言

HCCI是指下一代活塞式内燃机采取的燃烧方式，即均质充量压燃。压燃直喷式柴油机的热效率一直处于领先级别，HCCI内燃机热效率不仅可以达到与它同等级别而且PM和NOX排放量非常低，是技术性重大进步。传统汽油内燃机是通过火花塞打火，通过点燃燃料和空气混合物产生能量，从而发动机器。而HCCI内燃机与柴油内燃机十分相似，是采取稀释预混合气，活塞压缩混合气发火时，缸内发生容积式燃烧，不需要火焰传播过程，允许燃烧发生在比较低温的环境，即活塞压缩缸内混合气可使温度升高，达到适当温度就可以发生自行燃烧。简单来说，HCCI内燃机以燃烧模式的技术性进步脱离传统概念，推动了行业进步。

1  HCCI内燃机工作原理

1.1 HCCI内燃机工作原理和技术特性

HCCI缸内混合气的密度、浓度、温度达到一定程度混合气即可自动发火，因此，如何增加混合气的密度、浓度和温度，是提高HCCI内燃机技术指标的重要方面，一般可以通过提高压缩比、提高充量下质能力水平、增加缸内剩余燃气数量、向缸内喷入少了燃油等方式来实现。

与传统汽油机和柴油机发火方式不同，HCCI内燃机是通过活塞运动促使缸内混合气发生气相化学反应，由化学反应速率控制点火和燃烧过程，此技术虽然是一次重大进步，但因不是直接点火燃烧程序，可控性比较低。因此，HCCI内燃机可以设置双模式燃烧系统，在均质充量压燃无法运行的环境转换成火花塞点火模式或者压缩点火模式，当运行环境满足均质充量压燃模式时自动切换。HCCI内燃机比起传统内燃机经济性更强，排放污染物质更少，应该通过技术手段尽可能多的推广应用。

1.2 HCCI内燃机常用燃料

柴油、汽油、天然气、丙烷都是HCCI内燃机的常见燃料，各自都有优缺点。比如，汽油性质活泼易蒸发，容易生成可燃混合气，有助于缩短燃烧发生过程。汽油辛烷值也较高而且允许采用较高的压缩比，从而热效率也高，可达到与压燃直喷式柴油机同等水平。柴油燃点低，不易蒸发，所以用作HCCI内燃机燃料时需要设置加热措施，且压缩比较低，导致热效率低，污染物排放量相对较多。但是迟喷和高涡流工况下喷入柴油，有助于燃油蒸发和混合。

2  HCCI内燃机工作过程控制方式探究

2.1 发火正时控制

HCCI内燃机发火正时由缸内混合气化学动力反应率决定，且随转速和负荷的变化而变化，最佳发火时间无法通过点火或者喷油控制，因此，控制HCCI内燃机发货正时难度比较大。当转速和负荷变化导致HCCI内燃机发货正时变化时，可以通过温度调节对其补偿，补偿量的多少以燃油类型为依据。接近压缩上止点时的充量温度调节有不同方法，且适用条件各异，详情请看表1。

2.2 转速和负荷控制

HCCI内燃机基本性能要求之一是根据运行环境变化及从动机械需求调整功率和转矩，实现对转速和负荷的控制，确保工况范围稳定。对HCCI内燃机工况进行调节、扩大工况运行范围是该技术研究的首要课题。根据不断的实践研究，目前已总结出以下有效措施。

2.2.1 可变压缩比

HCCI内燃机主要控制参数之一就是压缩比，采取可变压缩比能够实现对几何压缩比的调节，根据实际工况调节压缩比，可以确保HCCI内燃机在工况范围内安全运行。可变压缩比技术操作并不复杂，常用的方法有两种：一是通过在汽缸盖上安装柱塞，利用液压系统改变其位置，实现对压缩比的控制;二是采取对动活塞式内燃机，通过改变曲轴和汽缸盖距离来调节压缩比。可变压缩比也可以应用到传统汽油机系统。

2.2.2 可变气门正时

可变气门正时系统可以通过扩大HCCI内燃机工况运行范围影响混合气的放热过程及化学反应。具体控制过程是可变气门正时系统通过变化气门重叠角、气门再开，使前面部分热的混合燃气留在内部，与外部混合气再循环配合，实现对缸内温度、混合成分和压力的调节，从而控制HCCI内燃机发火正时和放热率。可变气门对缸内热的剩余量进行调节是扩大HCCI运行范围的主要手段之一。应用实践证明，设置可变气门系统的HCCI内燃机能够在比较低的压缩比下发生燃烧。HCCI双模式系统可以完美实现对发火正时的控制，即不断在火花点火与HCCI模式之间循环转换。

2.2.3 混合燃料及发火增强剂

HCCI内燃机对燃烧要求极低，能够在发火之前蒸发且与空气混合的任何醇类和碳氢类液体燃油都可以作为HCCI内燃机的燃料。HCCI内燃机主要优势之一就是燃料使用灵活性高。除此之外，HCCI内燃机还可以使用两种辛烷燃料进行控制，在双燃料使用上，高辛烷值做主燃料，低辛烷值做辅助燃料，以实际需要为依据控制喷射，从而实现对HCCI内燃机负荷和转速的控制。两种燃料运行方式只能应用于具有双燃料系统的设备。

2.3 高负荷运行时燃烧率控制

HCCI内燃机不需要火焰传播过程，即缸内混合气压缩过程就已完成焰前反应，因此，发火正時可以实现瞬时燃烧，从而瞬间产生非常高的热量释放率和峰值压力，致使机械组件负荷较高，不合理的提高空燃会有爆燃危险。控制HCCI内燃机负荷过高时的燃烧率有很多方法，以如表2所示为例，均可以实现对燃烧率的控制。

2.4 冷起动性能控制

混合气温度对HCCI内燃机燃烧有直接影响，冷启动期间缸内被压缩混合气的热量会传递给燃烧室壁，且无法通过进气管道预热，严重影响HCCI系统的运行。可以通过以下三种方式改善冷启动问题：先转换为火花点火模式，预热完成再转换为HCCI模式;利用可变压缩比或者可变气门提高压缩比;通过热塞辅助HCCI进行暖机。

2.5 排放控制

HCCI内燃机排放一般设计到CO排放、HC排放以及高工况时NOX的排放。高工况时可通过氧化催化转化器控制排放HC;低工况时温度比较低，靠近壁面位置的燃料不能发生燃烧，因此HC排放量较多，可以采取分层喷射等方案，降低HC排放量，同时开发低工况时使用的低温氧化催化转化器。此外，低工况和中工况过程中，HCCI内燃机NOX排放水平相对较低，而高工况时NOX排放通常会超出标准。HCCI内燃机缸内混合气比较稀的情况下，NOX排放量处于标准范围内，当油量和功率不断增加，混合气浓度随之增加，温度不断上升，会导致NOX的排放量增加过高。因此，高工况下，使混合气浓度均匀，可以良好控制功率在NOX超出标准前不再提高。还可以采取部分分层充量压燃点火、降低峰值等方式控制NOX排放量。

2.6 瞬态运行

HCCI内燃机瞬态运行时，随着转速和负荷不断变化，运转工况很难与混合气温度精确匹配。技术人员应该开发新的快速响应控制系统，使工况发生快速变化时，能够始终保持准确的发火正时。实践研究发现，设有可变气门或者可变压缩比的HCCI内燃机在一定程度上实现了连续、平滑的瞬态工况运行，但仍需继续研发相关控制系统。

3  HCCI内燃机技术前景

HCCI内燃机具有明显的技术优势。与火花点火汽油机相比，HCCI进气节流损失较少;NOX等物质排放量较少;燃烧周期较短;热效率较高。与压燃直喷式柴油机相比，HCCI内燃机燃烧对温度要求较低;喷油压力较低;NOX等物质排放量非常少;混合气稀释程度远远高于直喷式柴油机等。HCCI内燃机通过活塞运动实现缸内温度升高，达到要求条件时既可以自动瞬时燃烧，具有续期短、排放低、效率高等特点，是压燃式柴油机无法达到的技术水平。单从点火正时温度要求来说，典型柴油机的温度要求在1900K到2100K，而HCCI内燃机的温度要求范围是在800K到1100K，优势非常明显。

从使用燃料角度看，HCCI内燃机可选用多种燃料，灵活性和适应性较好;而且HCCI内燃机对贵金属要求远远低于汽油机和柴油机，具有很强的经济性;从排放污染物质来说，HCCI排放量低，由此产生的环境污染程度较低，治理环境成本随之变低。这不仅在技术上超越传统内燃机，而且也更符合新时代可持续发展和生态保护理念。

HCCI内燃机适用范围非常广泛，不仅可以用于常规车辆，也可以用于发电机组、工程机械等。HCCI内燃机的运行工况有一定范围，其转速和负荷不会超出此范围，有利于对整机控制系统的研究和优化。HCCI内燃机因其强大的技术支撑和应用价值必然逐渐成为行业主流，前景可观，且在科学技术不断发展的时代，HCCI内燃机技术会得到不断完善和进步。

4  结语

HCCI内燃机的燃烧模式是以往复式汽油机为基础，即汽油机的一种压燃状态，且兼具柴油机技术优势。虽然HCCI内燃机还存在一些技术难题，但对其技术控制方面的深入研究逐渐显现成效，对气缸温度调节控制等问题已逐渐找到最优解决方案。HCCI内燃机技术将随着科技进步不断发展完善，最终实现广泛应用。

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