低温燃烧技术综述

李耀宗，缪雪龙，彭海勇

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

内燃机经过100 多年的发展，通过不断的技术改进，早已相当完善。由于其热效率高、功率范围广，已广泛应用于各行各业[1]。随着世界经济的高速发展，内燃机的保有量飞速增加，能源消耗和环境污染问题日益严重，节能减排成为当前不容忽视的问题。虽然传统燃烧技术经多年发展以及与后处理技术相结合，内燃机排放相比之前已经有了质的飞跃，但是依然无法满足日益严格的环保要求；同时，柴油机成本大幅增加，使用维护复杂性也急剧增长。为此内燃机研究者探索发明了低温燃烧技术，理论上能在不采用复杂后处理系统的前提下，大幅降低NOX和PM 排放，并保持较高的热效率，能与替代燃料兼容的特点，使其成为内燃机燃烧技术最好的发展方向之一。

1 传统燃烧技术

在发动机燃烧技术中，压缩着火（CI）燃烧和火花点火（SI）燃烧是最常见的2 种典型传统燃烧方式。与CI 发动机（柴油机)相比，SI 发动机（汽油机）采用较低的压缩比，是典型的预混合燃烧，因此它工作运转更平稳，颗粒物（PM）排放比较低、氮氧化物（NOX）相近，但是其热效率低，燃油经济性差。理论当量比燃烧时，采用三元催化器可以获得很低的NOX、HC、CO 排放，满足严格的排放法规要求。传统的压缩着火（CI）燃烧由于能够采用较高的压缩比，因此热效率比较高，比油耗低[1]，但振动噪音大，PM 排放量更高[2]。研究证明这些污染物对人类健康和环境都有极大的危害[3-4]，例如长期接触PM 会造成严重的肾脏损害和急性肾功能衰竭，甚至死亡[3]。

因此，传统柴油机工作重点在于降低 NOX与PM 排放，而汽油机在于提高热效率。由此可见，对于内燃机来说，传统燃烧方式很难同时满足严格的节能和减排要求。

因为NOX-PM 的悖反（trade-off）性，如何同时降低柴油发动机排放的NOX和PM 是一个严重的挑战[5]。为了解决这一问题，研究人员提出了多种解决方案，其中利用替代燃料、使用后处理系统和采用先进的燃烧策略是最主要的方法。近20 年来，柴油机尾气后处理系统如柴油微粒过滤器（DPF）、柴油氧化催化剂（DOC）、选择性催化还原技术（SCR）等在车辆上已得到广泛应用[6-9]，这些后处理系统在单独减少NOX或PM 方面都显示出了巨大的潜力，但是由于成本、系统复杂性与可靠性以及操作方便性等因素，导致它们在道路运输车辆上的应用受到限制[10]。

有一些研究结果表明，受缸内气流和燃油喷雾特性的显著影响，通过燃烧优化可以控制柴油机燃烧室中NOX和PM 的形成[11]。这就将研究引向限制NOX和PM 排放的主动控制技术上。在不同的燃烧技术中，低温燃烧(Low Temperature Combustion，LTC)技术由于在不采用复杂后处理情况下能够同时大幅度降低NOX和PM，并且保持较高的热效率，而受到了研究人员的关注。

2 低温燃烧技术

目前，世界各国制定了越来越严格的排放法规来限制内燃机的污染物排放，同时为了减缓温室气体效应，需要控制CO2排放，因此在提高燃油经济性的同时还要保证内燃机接近零排放。大量专家学者结合柴油机燃烧过程研究发现，在传统柴油机燃烧过程中，缸内局部当量比（Φ）和温度（T）变化过程中必然会穿过满足NOX和碳烟生成条件的区域，导致燃烧过程无法避免地产生NOX和碳烟排放[12]，因此各类低温燃烧技术被提出，如均质充量压缩着火（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）[9,13]、预混合充量压缩着火（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI）[14-15]、反 应可控压缩着火（Reactivity Controlled Compression Ignition.RCCI）[16-17]，这些燃烧方式在柴油机缸内局部的Φ-T 图如图1 所示。

图1 传统和新型燃烧方式对比[12]Fig.1 Comparison of traditional and new combustion modes

由图1 可知，HCCI 和RCCI 完美避开了碳烟生成条件的区域,在部分负荷能够同时实现极低的NOX和碳烟排放。但是为了维持HCCI 系统稳定地燃烧，需要将当量比控制在1 以下（稀薄混合气），因此其最大输出功率必然受到限制，HC 和CO 的排放通常比传统内燃机更高。同时，因为柴油燃料本身的特性，有效均质混合气的制备也相当困难。相比于HCCI 燃烧，PCCI 的适用负荷明显增加，但是它的HC 排放问题依然较为严重。RCCI 的适用范围几乎涵盖传统燃烧范围的70%，但是与其它预混合燃烧一样，RCCI 的HC、CO 排放也较高，而且由于排气温度要低，传统的DOC 使用效率会受到影响。

虽然LTC 相比传统燃烧方式有很多优势，但是由于与其相关的几个挑战，如点火定时和燃烧速率控制、有限的功率密度、冷启动能力、准确的化学反应机理和燃烧模型开发等，该技术目前尚未跨过商业化的门槛。虽然这一过程已经有30 多年的历史，但LTC 只能通过那些配备现代电子控制系统的商用发动机实现。LTC 在大规模生产和广泛应用于汽车上之前，还需要解决这几个技术挑战后才可以与SI 和CI 发动机竞争。开发用于运输部门的实际LTC 发动机时遇到的主要挑战如图2 所示。下面着重介绍3 种低温燃烧技术。

图2 LTC 的挑战[5]Fig.2 The challenge of LTC

2.1 HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）技术

HCCI 技术作为最早的低温燃烧技术之一，在其燃烧模式下，均匀的油气混合气被供应到发动机的燃烧室，在压缩行程结束时自动点火[7]。放热反应在燃烧室内多点同时进行，因此不像传统CI 发动机（柴油机）由扩散燃烧来决定燃烧进程，也不像SI 发动机（汽油机）,它没有可见的火焰前锋以及局部的高温反应区，这将完全不存在富燃料区，从而降低了烟尘的生成。又由于稀薄油气混合物的预混阶段燃烧占主导地位，因此显著降低了缸内温度，从而降低了NOX的生成[5]。

GAN 等人研究了矿物柴油HCCI 燃烧技术的各个方面，包括控制和性能参数，强调燃料-空气的混合、灵活的燃油喷射策略和废气再循环（EGR）是HCCI 燃烧模式的重要控制参数[18]。SINGH[19]和AGARWAL[20]等利用矿物柴油与生物柴油的混合物以及挥发性添加剂与矿物柴油的混合物进行了HCCI 燃烧模式研究，使用一个外部混合物制备设备——“燃料汽化器”（见图3）均匀地混合燃料-空气，研究发现HCCI 燃烧模式可以显著降低NOX和PM 排放，但缺乏燃烧控制，特别是在发动机负荷较高的情况下，无法达到预期，这是HCCI 模式燃烧最具挑战性的方面。虽然针对这一问题已经进行了大量研究，但并未发现充足证据支持HCCI 燃烧模式在生产级内燃机上的实际应用[5]。

图3 HCCI 实验装置原理图[19]Fig.3 Schematic diagram of HCCI experimental device

HCCI 的关键技术在于混合气含量及缸内混合气温度的精确控制。由于其采用的是稀薄混合气，内燃机功率较低，因为使用的混合气浓度较低，所以适合在中低负荷工况下运行，此时燃油消耗率较低；在高负荷工况下，HCCI 燃烧方式会极大增加供油量，使燃油消耗量急剧上升，同时会使燃烧温度降低，不利于HC 及CO 的完全燃烧。

2.2 PCCI（Premixed Charge Compression Ignition）技术

采用HCCI 燃烧时，缺乏传统燃烧策略中可用的快速响应燃烧相位控制的变量，如燃料喷射定时和火花点火定时。为了能够更好地控制燃烧相位，研究人员开发了预混充量压缩着火（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI）技术，它是在EGR 存在的情况下，基于早期直接喷射燃料，以实现预混均匀的燃料-空气混合物。这种燃料-空气预混混合气的点火可以通过先导喷射、缸内的压力和温度等历史数据来控制。与HCCI 燃烧模式相比，PCCI 燃烧模式燃烧控制更佳，发动机性能更优越，但是NOX和 PM 排放相对较高[10]。

PCCI 燃烧模式在中等发动机负荷下具有良好的排放特性，但在较高的发动机负荷下，由于过高的压力上升率（PRR）会导致严重的爆震，限制了其在生产级内燃机上的适用性。一些研究者提出，降低压缩比（CR）可以提高PCCI 燃烧模式的运行负荷范围，与传统的CI 燃烧模式相比，降低了NOX和烟尘排放；然而与高CR 下的PCCI 模式燃烧相比，导致了相对较低的制动热效率（BTE）以及较高的HC 和CO 排放[21-23]。

PCCI 燃烧模式的工作范围可以通过使用分级喷射策略来提高。在分级喷射策略中，主喷油和先导喷油同时被使用。采用分级喷射策略的PCCI 燃烧模式，在BTE 没有显著变化的情况下，NOX和PM 排放量相对较低[24]，因此许多研究人员利用不同的燃油喷射参数，如燃油喷射压力（FIP）、燃油喷射时间等，探索了不同的燃油喷射参数的分级喷射策略，并得出改变燃油喷射参数能更好实现燃烧控制，但会导致BTE 和缸内压力略高[22-25]。

PARKS[26]等人进行了传统CI 模式和PCCI 模式燃烧实验，结果表明，与传统CI 模式燃烧相比，PCCI 模式燃烧排放的NOX和PM 相对较低。在另一项研究中，研究了燃料性能对PCCI 模式燃烧的影响，结果表明，在PCCI 燃烧模式中，使用二甲醚（DME）可以降低NOX排放[27]。BENAJES[28]等人还研究了在PCCI 模式下，以柴油/汽油混合物作为燃料的高速直喷（HSDI）柴油机的性能、排放和燃烧噪声，发现增加测试燃料中汽油的比例会增加点火延迟时间，使燃料与空气混合的时间变长，从而改善了燃烧。

尽管与传统CI 燃烧方式相比，PCCI 燃烧方式排放的NOX和PM 相对较低，但它也存在一些局限性，如不可控燃烧和发动机高负荷时的爆震。

2.3 RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）技术

因为HCCI 和PCCI 燃烧模式的局限性，所以发展出了另一种LTC 技术，即反应可控压缩着火（RCCI）技术，该技术可以更有效地利用不同的替代燃料，如酒精、生物柴油等。RCCI 燃烧模式中，低反应性燃料和高反应性燃料（HRF）如gasolinediesel，E85 燃料(汽油85%乙醇+15%柴油)和alcohol-diesel 等的不同组合可以用来实现发动机燃烧室的反应性分层[29-31]。

SPLITTER[32]等人和CURRAN[33]等人研究了燃料反应性对RCCI 燃烧模式的影响，使用乙醇、汽油和E85 作为LRF，柴油作为HRF，并得出了具有更高反应性梯度的燃料更有利于RCCI 燃烧模式的结论。此外，也有人研究进气旋流、EGR、启动喷射（start of injection，SoI）时间、FIP 等不同控制参数对进气道喷射（port fuel injection，PFI）和缸内直喷（direct injection，DI）的影响。HANSON[34]等人研究了SoI 定时对RCCI 模式燃烧的影响，并得出了提早矿物柴油的SoI 时间会导致更高的NOX排放的结论；WALKER[35]等人研究了FIP 对RCCI 模式燃烧的影响，发现HRF 的FIP 对燃烧阶段有显著影响；DEMPSEY 和REITZ[36]分别以矿物柴油和甲醇燃料对HRF 和LRF 进行了RCCI 模式燃烧实验，发现RCCI 燃烧模式使用更高的甲醇预混比，会导致燃烧阶段延迟，这是因为与汽油相比，甲醇的汽化潜热和辛烷值相对较高。与所有预混压缩点火（PCCI）策略一样，双燃料RCCI 燃烧对环境条件（如进气温度和压力、汽缸壁温度等）非常敏感。这给在实际引擎中实现这些策略带来了挑战，然而却为使用2 种反应性水平迥异的燃料提供了额外的灵活性，以应对环境条件的变化和发动机的波动。JIA 和DENBRATT[37]使用定做的单缸试验机（如图4 所示）研究了较高发动机负荷（12 bar 平均有效压力（BMEP））下RCCI燃烧模式的燃烧特性，使用柴油-甲醇燃料进行实验，结论是与传统CI 燃烧模式相比，它有超低的烟尘和NOX排放。

图4 实验装置原理图[39]Fig.4 Schematic diagram of experimental device

HAN[38]等人使用该单缸试验机（如图5 所示），采用正丁醇和矿物柴油作为试验燃料，比较了PCCI、HCCI 和RCCI 的燃烧模式。与传统CI 燃烧方式相比，RCCI 燃烧方式的NOX和烟尘排放明显降低，同时与其他LTC 技术相比，RCCI 燃烧方式的效率更高，燃烧控制也更出色。但是HAN 等人的结果只是针对矿物柴油和丁醇这2 种试验燃料的比较，不具有普遍性。

图5 RCCI 实验装置原理图[38]Fig.5 Schematic diagram of RCCI experimental device

AKHILENDRA[39]等人比较了传统CI、PCCI和RCCI 三种不同燃烧方式的燃烧、性能和排放特性。在RCCI 模式燃烧中没有NOX-BTE 的（Tradeoff）平衡是一个重要结果，显示了RCCI 燃烧模式在所有发动机负荷下的适用性；发现RCCI 燃烧模式在替代燃料的利用上有显著潜力，有改善发动机性能和排放的优势，因此可以作为一种可持续的运输技术解决方案在现今生产级柴油机上实施。

RCCI 技术相比于传统燃烧技术和其他低温燃烧技术虽然有很多优势，比如RCCI 发动机在燃料使用灵活性方面，只要2 种燃料具有显著不同的反应活性，就可以在缸内适当混合，在不同工况下获得最佳的性能；RCCI 发动机可以在包括汽油、天然气和柴油等宽范围燃料下运行；此外通过添加不同比例的十六烷值改进剂也可以只使用单一燃料；RCCI 发动机也可以使用替代或可再生燃料，例如含水乙醇、甲醇和生物柴油[40]，但是在大规模生产和广泛应用于汽车之前，依然有许多技术挑战需要克服，如燃烧相位、速率的控制，HC、CO 排放高，工作区间较窄等[41]，同时需要进行更多种的燃料试验，验证其对燃料的兼容性。

3 展望

综上所述，发展了几十年后，虽然LTC 技术已经取得了显著进展，但LTC 发动机的大规模生产和商业化应用仍有很多困难，这是因为：（1）有限的操作范围和更高的HC、CO 排放依然是LTC技术商业化面临的主要障碍；（2）LTC 技术理论上能与替代燃料很好地兼容，尽管已有很多研究者使用多种燃料进行了实验，但仍然不够，还需更多实验验证其普适性；（3）采用低温燃烧和传统燃烧相结合的双燃烧模式，这似乎是短期内LTC 技术商业化的有效解决方案。同时低温燃烧技术与替代燃料相结合将会是内燃机的未来。

传统燃烧技术虽然不能满足当今人们对节约能源和环境保护的要求，但是经过100 多年的发展，它已是相对成熟的技术，暂时无法被取代。