当前课程知识点：汽车发动机原理 > 第十章：新燃烧模式与替代燃料发动机 > 10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式 > Video
同学们好
这节课我们学习
汽油机均质混合气压缩着火
即HCCI燃烧模式
首先
简单介绍HCCI燃烧的研究历程
HCCI燃烧现象最早于
1979年由日本研究者Onishi等人
在二冲程汽油机试验中发现
在一些中低负荷及中低转速工况时
不用火花点火也可以平稳运转
用高速摄影发现这种燃烧
没有明显的火焰传播
混合气几乎是同时着火
用光谱分析在压缩行程中
发现了OH CH C2等活性成分
这些活性基团可能
对着火有促进作用
基于这些现象
他们称之为活化氛围燃烧
简称ATAC
1983年美国Wisconsin大学的Najt等人
首次在四冲程汽油机上
研究证实了采用外部EGR
和进气加热可以实现
汽油和异辛烷燃料的
自燃着火的可行性
1989年美国西南研究院的Thring等人
第一次提出了
均质混合气压缩着火
HCCI的概念
2000年以后
国内外各研究部门和
各大汽车公司纷纷开展
对HCCI燃烧的研究
并重点围绕其产业化关键技术
进行开发
传统汽油机中的自燃现象
是产生爆震的根源
往往是需要极力避免的
而汽油机HCCI燃烧实际
是一种燃烧速率可控的
自燃着火燃烧过程
因此也常被称为
可控自燃着火CAI
图所示给出了汽油机HCCI燃烧
与传统火花点火燃烧的对比
结合这组高速纹影摄像图片
可将汽油HCCI燃烧的特征总结如下
（1）HCCI燃烧是
多点大面积同时压缩着火
没有火焰传播前锋面
因而它可以在极短时间内
如图中约10°CA之内完成燃烧放热
其燃烧放热速率和等容度
要远比传统的火花点燃火焰传播的
HCSI方式高的多
也就是指示热效率会明显改善
（2）HCCI采用稀薄均匀混合气
并引入大量EGR
因而局部燃烧温度
可保持在1800K以下
消除了Thermal NOx的高温生成条件
（3）由于是稀薄燃烧
进气节流可大大减少
或完全不节流
像稀燃GDI那样
改善了传统汽油机
节流损失过高的弊端
（4）采用均质混合气燃烧
理论上不产生碳烟
不难看出
HCCI燃烧的本质特征是“均质”
“低温”和“快速放热”
HCCI汽油机的油耗
可以大幅度降低
甚至低于柴油机的水平
其原因是HCCI燃烧能同时解决
汽油机热效率低的五大问题
也就是压缩比低
比热容比低
泵吸损失大
燃烧等容度低
以及循环波动率高五大问题
但这种理想的燃烧方式
应用在汽油机上面临的最大挑战
是其稳定燃烧控制
如果HCCI燃烧温度
和压缩终点压力过低
汽油混合气难以自燃着火
将出现失火或着火时刻
极不稳定等现象
如果HCCI燃烧温度
和压缩终点压力过高
着火时刻过于提前
以及燃烧速率过快
出现粗暴燃烧等现象
因此
如何控制汽油机HCCI燃烧模式的
着火和燃烧速率问题
是目前研究的重点
HCCI是以预先完成混合
以及所有区域同时着火方式进行的
因此它的燃烧速率
主要受化学动力学反应速率控制
由化学反应动力学理论可知
燃烧化学反应过程主要受温度
压力 反应物成分和浓度影响
因此
控制汽油HCCI着火
和燃烧的原则应该是
温度 浓度和组分协同控制
汽油HCCI燃烧控制的主要方法
有以下几种
（1）提高进气温度
进气温度是影响HCCI燃烧
最显著的参数
一般采用电加热的方法
控制进气温度
在早期的HCCI研究中
最常用的是这种方法
也有研究者探索
利用废气回热的方法
对进气温度进行快速热管理
但是
当发动机转速和负荷变化时
为保持合理的燃烧相位
最佳进气温度也需随之快速变化
而采用进气加热方法
难以适合频繁变工况的车用发动机
（2）提高压缩比
提高压缩比可以
提高压缩终点温度
使汽油机混合气更易自燃
汽油机若实现压缩着火
一般要将压缩比提高到
15～18
但能使低负荷稳定着火的压缩比
往往会引起高负荷时爆震
因此
一般是将几何压缩比
提高到12左右
同时引入一定量的热EGR
使压缩终点的缸内温度
达到汽油机HCCI着火条件
最理想的方法是
实现可变压缩比
但要实现几何可变压缩比
存在机构复杂的问题
一般采用可变配气相位VVT技术
来实现有效压缩比可变
（3）EGR
汽油HCCI燃烧中
EGR的主要作用有两点
提高进气温度和压缩终了温度
以利于自燃着火
利用本身含有的不活性成分
来控制燃烧速率不过高
以实现低温燃烧
同时
EGR也可以使新鲜充量降低
有利于中小负荷时
提高节气门开度
减少进气节流损失
但仅靠EGR所提高的
进气温度是有限的
而内部EGR
可以大幅度提高缸内温度
下面我们看看怎么实现内部EGR
用负阀重叠
简称NVO
可以形成内部EGR
如图所示
通过排气门早关
以及进气门晚开的方法
形成不充分排气
使得缸内残留一定量的高温废气
负阀重叠为汽油HCCI着火控制
提供了一个成本低
响应快的有效手段
NVO可以用连续可变升程
和相位的进排气阀系统实现
也可以用两段凸轮切换的方式实现
（4）活化氛围
在负阀重叠期间
由于活塞上行压缩废气
缸内温度再次升高
这时如果喷入少量燃油
在高温缺氧条件下
发生不完全氧化反应
会生成大量的一氧化碳
氢气 羟基 甲醛
以及过氧化物等活性成分
或反应中间产物
这些成分会使下一循环的
着火变得容易
这种方法称为活化氛围法
也称为燃料重整
Fuel Reforming
这种方法不同于
内燃机燃烧控制的传统方法
对改善HCCI汽油机中小负荷的
着火性能十分有效
尽管汽油机HCCI燃烧模式
展现出了一种理想的
高效清洁燃烧前景
但是
汽油HCCI的着火稳定
和着火时刻控制
仍比传统汽油机困难
此外
由于压缩比明显提高
和大面积同时着火
高负荷时HCCI燃烧容易出现
粗暴燃烧和爆震
因此
汽油机HCCI燃烧
只能稳定工作在一个空燃比
和温度狭窄的区域
如这幅图所示
目前汽油机HCCI燃烧模式
可运行的工况范围大致为
Pme≤5bar
n≤3500r/min 这样一个范围
已基本覆盖轻型车
和轿车最常用的工况
如这幅图所示
为了HCCI燃烧能用于实际发动机
可采用多燃烧模式复合的方法
也就是起动时使用火花点火SI燃烧模式
在中小负荷下使用HCCI燃烧模式
在高负荷时回到
常规的汽油机火花点燃燃烧模式
SI燃烧模式
而HCCI与SI模式之间
还可以有火花辅助压燃
图中所示的SICI燃烧模式
在大负荷
高速时过渡到
常规火花点火SI燃烧模式运行
关于汽油机均质混合气
压缩着火燃烧模式
就简单介绍到这里
同学们 再见
-0.1 总论
--Video
-0.2 车用发动机的种类
--Video
-1.1 示功图及其测取
--Video
-1.2 四冲程发动机示功图分析
--Video
-1.3 二冲程发动机示功图分析
--Video
-1.4 性能指标分类与循环指示功
--Video
-1.5 动力、经济性能指标与测定换算
--Video
-1.6 影响动力、经济性能指标的环节和因素
--Video
-第一章习题(计入课程成绩)--作业
-2.0 导论
--Video
-2.1 燃料的分类
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-2.2 汽油、柴油的炼制
--Video
-2.3 汽油的理化特性
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-2.4 柴油的理化特性
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-2.5 燃料构成与理化特性
--Video
-2.6 汽油、柴油质量标准
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-2.7 燃料与发动机工作模式
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-2.8 工质主要热力参数
--Video
-2.9 燃烧热化学
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-第二章习题(计入课程成绩)--作业
-3.0 导论
--Video
-3.1 热力过程与热机循环的简化
--Video
-3.2 理论循环分类及循环热效率
--Video
-3.3 理论循环热力参数对热效率的影响
--Video
-3.4 工质对循环热效率的影响
--Video
-3.5 真实循环对热效率的影响
--Video
-3.6 机械损失的构成
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-3.7 机械损失的测量方法
--Video
-3.8 机械效率的影响因素
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-3.9 发动机的能量分配与转化效率
--Video
-3.10 发动机的节能途径与技术
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-第三章：工作循环与能量利用--第三章习题(计入课程成绩)
-4.0 导论
--Video
-4.1 四冲程发动机换气系统及换气过程
--Video
-4.2 配气相位对发动机性能的影响
--Video
-4.3 充量系数的解析式
--Video
-4.4 进气阻力对充量系数的影响
--Video
-4.5 其他因素对充量系数的影响
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-4.6 充量系数的速度特性
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-4.7 压力波及其传播特性
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-4.8 单缸机的进排气动态效应
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-4.9 多缸机的进排气动态效应与进气不均匀性
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-4.10 四冲程发动机增压系统及性能
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-4.11 二冲程发动机的换气过程与换气质量
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-第四章习题(计入课程成绩)--作业
-5.0 导论
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-5.1 发动机运行工况
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-5.2 发动机特性曲线分类
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-5.3 发动机速度特性
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-5.4 发动机负荷特性
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-5.5 发动机全特性
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-5.6 发动机外特性与整车动力性
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-5.7 发动机全特性与整车经济性
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-5.8 混合动力专用发动机及其运行特性
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-第五章习题(计入课程成绩)--作业
-期中考试（只有一次答题机会！）--期中测试题（占30%总分）
-6.0 导论
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-6.1 燃烧现象及其分类
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-6.2 可燃混合气的着火与着火理论
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-6.3 湍流及其在燃烧中的作用
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-6.4 均质混合气中的火焰传播
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-6.5 液体燃料的雾化
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-6.6 油滴的蒸发与燃烧
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-6.7 示功图与燃烧放热率
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-第六章习题(计入课程成绩)--作业
-7.1 柴油机燃烧过程分析
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-7.2 柴油机燃烧放热规律
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-7.3 柴油机燃油喷射系统
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-7.4 柴油机喷油过程
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-7.5 柴油机缸内气流运动
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-7.6 柴油机燃烧室的分类及其特性
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-7.7 柴油机混合气形成方式
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-7.8 柴油机粗暴燃烧与燃烧噪声
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-第七章习题(计入课程成绩)--作业
-8.1 汽油机燃烧过程分析
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-8.2 汽油机的不正常燃烧：爆燃和表面点火
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-8.3 汽油机的不规则燃烧：循环波动和各缸不均匀性
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-8.4 汽油机燃油喷射系统及其演变
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-8.5 非直喷汽油机燃烧室及其特性
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-8.6 汽油机进气道喷射与混合气形成
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-8.7 汽油机缸内直喷与混合气形成
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-第八章习题(计入课程成绩)--作业
-9.1 有害排放物种类及其危害
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-9.2.1 NO的生成机理
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-9.2.2 CO和HC的生成机理
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-9.2.3 PM和Soot的生成机理
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-9.3 有害排放物生成的影响因素
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-9.4 汽油机机内净化技术
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-9.5 柴油机机内净化技术
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-9.6 汽油机后处理技术
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-9.7 柴油机后处理技术
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-第九章习题(计入课程成绩)--作业
-10.1 燃烧模式及其分类
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-10.2 汽油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.3 柴油机均质混合气压燃（HCCI）模式
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-10.4 内燃机部分预混压燃（PCCI）模式
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-10.5 均质混合气引燃（HCII）模式
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-10.6 天然气发动机
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-10.7 氢燃料发动机
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-10.8 二甲醚发动机
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-10.9 甲醇发动机
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-10.10 乙醇发动机
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-10.11 生物柴油发动机
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-第十章习题(计入课程成绩)--作业
-期末考试--期末测试题（占30%总分）
