HCCI

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）均質混合氣壓燃燒技術：

HCCI發動機和傳統的汽油發動機一樣，都是向汽缸裡面注入比例非常均勻的空氣和燃料混合氣。傳統的汽油發動機通過火花塞打火，點燃空氣和燃料混合氣產生能量。但HCCI發動機則不同，它的點火過程同柴油發動機相類似，通過活塞壓縮混合氣使之溫度升高至一定程度時自行燃燒。

兩種傳統燃燒概念局限性分析

壓縮點燃式燃燒概念（用於柴油機）與火花點燃式燃燒概念（用於汽油機）相比，最大的特點在於所使用的燃油特性不同。由此造成兩者在以下各方面都有差別，如：燃油引燃方法、燃燒方式、混合氣空氣/燃油比、扭矩調節方式、泵氣損失、壓縮比、燃燒劇烈程度、燃油經濟性、有害物質排放和振動、雜訊不同等等。

出於對汽車排放的有害物質的毒害作用、二氧化碳的溫室效應和氮氧化物形成酸雨的關注，人們對高效能、低污染的動力源的需求與日俱增。空氣/燃油比精確控制、帶三效催化轉化器的汽油機（火花點燃式發動機）正在成為非常清潔的動力源。但是，由於節氣損失、爆震和稀燃極限的緣故，這類發動機在熱效率方面有很大的局限性。近年來許多研究者正在努力研究和開發沒有節氣損失的汽油機，試圖大幅度提高汽油機的熱效率，並且已經取得了一些可喜的成果，非常可能在這方面出現重大的突破。但是目前推廣這些成果至少還涉及成本等一系列問題。另一種常見的動力源是直噴式柴油機（壓縮點燃式發動機），這是一種效率很高的發動機，其溫室氣體CO2和有害氣體HC、CO的排放都比汽油機低。但由於它的擴散燃燒和燃燒產生的局部高溫這樣一些燃燒特點，很難遏制氮氧化物和炭煙（包括微粒物）的生成，並且還存在氮氧化物和微粒物排放控制目標之間相互衝突的問題。為了避免擴散燃燒和降低局部的燃燒溫度，必須促進燃油和空氣的混合。從這個觀點出發，許多研究者研究了預混合的壓縮點燃燃燒，即HCCI。

HCCI及其重要意義

HCCI是英文“Homogeneous Charge Compression Ignition”的縮寫，中文意思是“均質充量壓縮點燃”。單從名稱來看，似乎只是一種點燃方式。實際上，這是一種全新的內燃機燃燒概念，既不同於柴油機（非均質充量壓縮點燃），又不同於汽油機（均質充量火花點燃），是一種火花點燃式發動機和壓縮點燃式發動機概念的混合體。其特點是：

1． 採用均質混合氣。空氣和燃油在HCCI發動機的進氣系統中預混合，形成均質的空氣/燃油混合氣，然後吸入氣缸進行壓縮。也有燃油直接噴入氣缸、在氣缸內與空氣進行預混合的。

2． 採用壓縮點燃。在壓縮衝程中，混合氣溫度升高，達到自燃溫度而自燃；也就是說，不需要任何點火系統。

3． 採用比火花點燃式發動機高得多的壓縮比，且允許壓縮比在一個廣闊的範圍內變動。

4． 為了使均質混合氣能夠通過壓縮而點燃，必要時需對吸入空氣進行加熱。

5． 由於壓縮點燃的緣故，可以採用相當稀薄的混合氣，因此可以按照變質調節的方式，直接通過調節噴油量來調節扭矩，不需要節氣門。

6． 既然均質混合氣是自燃的，所以燃燒大體上是整個氣缸內同時開始的。可以採用過量空氣或者殘餘廢氣達到高度稀釋的混合氣。

7． HCCI發動機採用的燃油辛烷值允許在一個廣闊的範圍內變動。可以採用汽油、天然氣、二甲醚等辛烷值較高的燃油作為主要燃料，也可以採用多種燃料混合燃燒。還可以將對高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的調整，用作在HCCI燃燒中控制燃燒起點和負荷範圍的方法。也有人試圖用柴油作為HCCI燃料，但效果遠不及汽油。

將壓縮點燃式發動機改裝成HCCI的主要目的是減少氮氧化物和微粒物排放。將火花點燃式發動機改裝成HCCI的目的是減少部分負荷時的燃油消耗，就是減少泵氣損失。

美國環保署最近提出了一個將重型車輛的排放相對於目前水平降低95%的龐大計劃，建議排放限值為0.20g/bhp•hr的氮氧化物和0.01g/bhp•hr的微粒物。專家普遍認為，為了達到如此之低的排放水平，必須將低排放的燃燒系統和先進的尾氣后處理設備結合起來。但採用尾氣后處理設備並不意味著不再需要改善缸內燃燒過程，恰恰相反，為了達到未來的排放標準，燃燒過程的進一步改善是至關重要的。HCCI正可以擔當這一任務。

如果是柴油機改裝成HCCI發動機，就要將高壓噴油設備改換成低壓的汽油噴射設備，噴油地點也要從缸內噴射改成進氣口噴射（也有缸內直接噴射的HCCI發動機）；如果是汽油機改裝成HCCI發動機，就要提高壓縮比，並且保持節氣門敞開，可以將點火系統拆除。

HCCI的燃燒機理

HCCI燃燒的能量釋放過程是受多種化學動力學因素支配的，這些因素進而又受流體靜力學和熱力學狀態歷程的影響。普遍認為，燃燒的引發受化學動力學的控制，因為缸內的混合氣受到壓縮，溫度和壓力上升。溫度和壓力的時間歷程、壓縮衝程結束時的缸內溫度和壓力、燃油的自燃特性和殘餘廢氣量，連同O2的濃度、不同的燃油含量和燃燒產物，共同支配著燃燒開始的方式。因此，HCCI燃燒具有非常小的循環偏差，而且不存在火焰傳播過程。

為了獲得HCCI燃燒，要考慮各種不同的參數。壓縮衝程結束時的缸內溫度和壓力、燃油的自燃特性和殘餘廢氣量都會影響HCCI的點燃過程。與火花點燃式發動機相比，HCCI發動機壓縮衝程結束時的溫度必須更高一些，以便使得傳統的用於火花點燃式發動機的燃油也能夠自燃。

HCCI燃燒起點和燃燒速率的控制

燃燒起點對於發動機的熱效率和排放都有十分重要的影響。HCCI發動機中的燃燒過程是一種受化學動力學控制的自燃過程，混合氣是預先在氣缸外面混合好的。所以，它既不能像壓縮點燃式發動機那樣通過噴油定時控制燃燒起點，又不能像火花點燃式發動機那樣通過點火定時控制燃燒起點。

HCCI的燃燒起點控制，也就是放熱起點（SOHR）受各種發動機性能和工況條件，諸如空氣/燃油比、進氣溫度、壓縮比、殘餘廢氣量和冷卻液溫度的影響。如果採用EGR的話，還受EGR的影響。最常見報道的影響燃燒起點的參數是：可變的進氣溫度、進氣壓力和排氣再循環率。所以，SOHR的控制，是使HCCI發動機實用化的難點之一。大量的研究工作都集中在這個問題上。

為了在控制燃燒起點的同時擴展能夠實現HCCI燃燒的工況範圍和改善瞬態響應特性，已經報道的方法有：可變壓縮比、可變氣門定時，甚至雙重燃油操作。例如，Lund工藝研究所和Saab公司合作，在Saab公司的1.6升5缸SVC可變壓縮比發動機上進行的試驗表明，在燃燒起點的控制方面，壓縮比和進氣溫度之間存在一種抵沖關係：提高進氣溫度可以使燃燒提前發生；提高壓縮比可以代替進氣溫度的提高，起到相同的作用。所以，通過調節壓縮比，可以在不同的工況點達到同樣的燃燒起點。隨著壓縮比提高到17:1，還可以使熱效率提高，NOx排放下降。但提高壓縮比的缺點是，由於膨脹加快，反應時間縮短，CO排放會增加。改變氣門定時，特別是改變排氣門定時，可以改變殘餘廢氣量和氣缸溫度，進而調節燃燒起點。所謂雙重燃油操作，就是通過改變所用的兩種燃油的比例來調節燃燒起點：例如調節易於自燃的正庚烷和抗自燃的異辛烷的比例，也就是調節辛烷值。又如採用天然氣作為主要燃料，同時利用氫加濃天然氣以控制燃燒定時。總之，發動機管理系統明顯地朝著更加柔性的方向發展。

空氣/燃油比和EGR量對化學反應來說都是非常重要的參數，因而對燃燒速率也有著非常重要的影響。對於燃燒室幾何形狀和紊流度是否對HCCI燃燒過程有影響的問題，幾乎還沒有實驗數據。然而，涉及HCCI燃燒的缸內流動和紊流度的模擬工作已經有人做過了。在發生燃燒的曲軸轉角窗內，較高的紊流度給出較低的燃燒速率。活塞頂部燃燒室的幾何形狀對燃燒速率和指示效率有明顯的影響。很清楚，放熱率間接地受到紊流度、溫度分佈的改變和氣缸內邊界層厚度的影響。

HCCI的優缺點

從熱效率的觀點來看，HCCI燃燒看上去具備非常優越的特點。一個特點是低的熱損耗。由於它的燃燒溫度低，對燃燒室壁的傳熱很低，且無煙的燃燒能夠減少輻射熱的傳遞。另一個特點是燃燒周期很短。因為燃燒過程主要是受化學反應而不是受混合過程的支配，能夠使得燃燒周期比傳統的柴油機短。利用這些特點，有可能使得它的循環十分接近奧托循環。已經可以實現高達50%的指示熱效率，廢氣中未經處理時只有幾個ppm的NOx排放。

但是，短的燃燒周期和迅速的放熱，有時候會使得類似“爆震”的燃燒雜訊增加。此外，HCCI燃燒需要高稀釋度的空氣/燃油混合氣以限制燃燒強度，這會使得功率密度變差；而且高稀釋度的混合氣帶來了低的排氣溫度，使得發動機難以採用渦輪增壓。這些都使得HCCI可能達到的最大負荷比典型的火花點燃式和直噴式柴油機低得多。另外，低排氣溫度對催化轉化器來說也是一個問題，因為需要相當高的溫度才能起動氧化/還原反應。

汽油直噴式HCCI

缸內直接燃油噴射相對於進氣口燃油噴射具有一系列優點。首先，可以避免進氣管的壁濕現象，這有利於改善對瞬態工況的處理和循環對循環的信息反饋。其次，可以實現缸內充量的分層，在發動機從高負荷向低負荷過渡的過程中為實現穩定而有效的燃燒提供有力的手段。此外，燃油保持在燃燒室的中間部位，可以減少落在從第一道活塞環槽到活塞頂部之間區域和熱邊界層內的燃油，這對減少未燃碳氫化合物和CO排放十分有利。有人利用一個轎車的汽油直噴噴油器成功地在一台重型柴油機上實現了汽油直接噴射的HCCI燃燒。

直接往氣缸內噴射汽油比較容易生成均質的混合氣，原因之一是汽油的高揮發性。研究者也曾經試圖用柴油直接噴入氣缸以生成預混的稀薄混合氣進行HCCI燃燒，但是，試驗進行了一段時間以後就發現相當困難，因為柴油的沸點太高，柴油和空氣的混合過程非常難管理。從HCCI發動機混合氣生成的角度來看，汽油遠比柴油優越。

在實際運用HCCI技術的研發上，賓士和GM走在了前列，以賓士的07年的F700概念車為例，其DiesOtto 1.8T直4 CGI直噴發動機在採用HCCI技術后，輸出功率達到238hp，最大扭矩達到400N.m，完全就是一台3.5L V6的水平，難得的是它的油耗僅為6L/100km，二氧化碳排放僅127g/100km。採用HCCI技術的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油機的油耗也僅為4.3L/100km，比常規技術降低15%以上。相信隨著技術難關的不斷攻克，HCCI技術將會快速普及到大眾當中，作為一種新的節能增效技術，為地球的藍天作一份貢獻。

研發快速反應控制系統來解決不同工況下的動態響應靈敏性。