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作者: 发布时间:2012-10-26 来源: 繁体版
均质混合气压燃(HCCI)发动机融合了柴油及火花点火发动机的一些燃烧策略,目的是要在获得柴油机高燃油效率的同时,还不会产生氮氧化合物及黑烟排放物。

在柴油发动机中,当活塞在压缩冲程中处于缸顶时,燃油喷射出,燃烧开始
均质混合气压燃(HCCI)发动机融合了柴油及火花点火发动机的一些燃烧策略,目的是要在获得柴油机高燃油效率的同时,还不会产生氮氧化合物及黑烟排放物。3Sx自动化在线网
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在柴油发动机中,当活塞在压缩冲程中处于缸顶时,燃油喷射出,燃烧开始,并受到燃油进入燃烧室速度的控制。相比较来说,在采用HCCI模式的汽油发动机中,燃油在压缩冲程开始前已经被喷射出并与空气混合。这种稀释的预混合油气充气在活塞压缩下会自动点火并燃烧。3Sx自动化在线网
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燃烧充气要么通过空气含量较高的稀混合气进行稀释,要么将油气与回收排气(EGR)进行混合稀释。HCCI通过压缩在多点位置同时点燃,因此与柴油机相比没有明显的火焰前锋,更像是“爆炸”一般。要让发动机能够承受住如此大的压力,到目前为止都逃不出这样的结果――HCCI发动机要比传统汽油发动机重。

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桑迪亚实验室研究人员John Dec正在查看一款用于光学发动机(用于HCCI研究)上的特制活塞。3Sx自动化在线网
(图片由Randy Wong提供)3Sx自动化在线网

HCCI开发的漫长旅程3Sx自动化在线网
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虽然HCCI发动机(有时称为可控自燃,CAI)在提高燃效性及降低排放方面有着巨大的潜力,而且近乎所有的汽车及发动机制造商都已经制造出HCCI原型并进行了大量的测试,但是将这项技术投入量产车辆中的道路走得既漫长又艰难。还有许多难题发动机研究人员依然没有克服,比如点燃时机的控制,如何避免未燃烧的碳氢化合物及一氧化碳排放物的产生,向高低负荷应用领域的拓展难度,以及通过快速负荷瞬态对燃烧稳定性的控制。3Sx自动化在线网
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即使如此,所有的迹象(包括研究人员发表的一些非正式观点)都表明真正可用的HCCI系统或许可以在6年内走进经销商的展厅。在AEI最近针对这项技术的采访邀请中,几乎所有的OEM厂商都对此表现出消极的态度,这也从侧面说明了问题。从另外一方面看,这也可能意味着更多的人认为可推向市场的HCCI技术依然需要十年甚至更长的时间才能出现。比如福特公司一位发言人就表示,福特在短期内并没有HCCI发动机的研发计划,虽然大家都知道这家汽车制造商会继续开展对该技术的研究。3Sx自动化在线网
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通用公司也拒绝对其在HCCI方面的研究工作拒绝发表任何观点,虽然在最近几年他们已经在HCCI运行范围拓展方面取得了实质性的进展。比如在2009年,通用展示了土星Aura和雪佛兰Malibu展示车发动机原型,证实了HCCI发动机可以在低转速范围内进行稳定的怠速运转。不过,该系统依然在高负荷运转下采用火花点火的方式。通用工程师采用了一种先进的多点喷射和多次点火(MIMI)策略,同时在再压缩过程中采用缸内燃油重整方式,起到桥梁的作用,使其达到HCCI工作负荷范围的要求。

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ACCESS项目研究人员利用AVL测试单元进行HCCI燃烧流程开发和参数化设置3Sx自动化在线网

ACCESS与多模态发动机3Sx自动化在线网
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短期内,HCCI在一些汽油发动机样机中的应用基本采用多模态燃烧方式,从低到中等负荷时采用HCCI燃烧方式,在高负荷时采用火花点火燃烧方式。HCCI在高负荷下依然有很多局限性,比如燃烧声音大,燃烧不稳定等。3Sx自动化在线网
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不过,让这两种模式实现无缝结合还是比较棘手的。这种联合工作模式通常需要在火花点火模式下采用10:1~14:1的中等大小压缩比,同时为了实现HCCI运转还需要复杂的可变阀门正时系统。3Sx自动化在线网
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所以说目前这项先进发动机技术的发展现状依然不明确。但是从发动机制造商、国家实验室及大学机构在美国能源署赞助下针对竞争前HCCI概念和技术联手进行的研发项目中,我们可以寻觅出这种技术发展的蛛丝马迹。3Sx自动化在线网
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由博世公司牵头成立的“高级燃烧概念――促进系统及解决方案的开发(ACCESS)”联盟就是这些成本共享型研发项目的代表。该联盟为期四年,投入2400万美元,开发人员分别来自AVL、Emitec、密歇根大学(研发团队由HCCI资深专家Dennis Assanis带领)以及斯坦福大学。3Sx自动化在线网
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博世公司汽油系统全球技术管理部Hakan Yilmaz介绍道,ACCESS联盟下的三十五名研究人员到2015年要开发出一台高压缩比、涡轮增压直喷(DI)四缸发动机,相对3.6-L电控多点喷射V6发动机燃油经济性可以提高30%,在不牺牲性能的条件下还要达到未来排放的要求。3Sx自动化在线网
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一款基于通用Ecotec 2.0-L直喷涡轮增压平台的新一代高压缩比汽油发动机将用于多模式SI/HCCI燃烧项目的研究中。3Sx自动化在线网
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“我们已经根据设计做了一台全配置的发动机样机,并且已经在测功器上成功运行了三、四个月,”Yilmaz表示。“我们很快就会在密歇根大学开始运转第二台同样的发动机。”3Sx自动化在线网
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通用公司提供的HCCI(右)及传统火花点火燃烧的图示说明。

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通用公司提供的HCCI(右)及传统火花点火燃烧的图示说明3Sx自动化在线网

通过增压技术实现稀燃3Sx自动化在线网
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Yilmaz表示,实现稀燃主要有两种方式。分层直喷是一种成熟的技术,但是需要配备昂贵的排放后处理系统。还有一种方式便是HCCI,虽然这项技术几十年前便为大家所熟知,但是目前依然存在系统及控制方面的问题,仅可以在部分负荷及中等速度范围内运转。

均质混合气压燃HCCI:寻求更高的燃烧效率
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