HCCI

均质充量压燃

HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）的意思是“均质充量压燃”，它是一种以Otto往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。这项技术在90年代初已经被提出并开始实验，但是当时电子控制技术没有现在成熟，所以这项技术直到现在才被大众所知。

简介

HCCI发动机和传统的汽油发动机一样，都是向汽缸里面注入比例非常均匀的空气和燃料混合气。传统的汽油发动机通过火花塞打火，点燃空气和燃料混合气产生能量。但HCCI发动机则不同，它的点火过程同柴油发动机相类似，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度时自行燃烧。

HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，简单来说就是汽油机的一种压燃方式。这项技术在90年代初已经被提出并开始实验，但是当时电子控制技术没有现在成熟，所以这项技术直到现在才被大众所知。

优点

装备HCCI技术的发动机的技术结构比一般发动机要复杂(相比那些“经典”发动机)，当汽油机的压缩冲程快结束时，汽油通过直喷油咀喷进汽缸，HCCI发动机压缩比比普通的汽油机高，所以喷出的小油滴在压缩冲程完成时有时间在汽缸内形成均匀的分布，这时汽缸的压力足够使均匀分布的油滴自动压燃，所有的燃料都在同一时间点燃，所以提高了燃油的使用效率（传统的汽油和柴油机都是非均匀的扩散式燃烧，在扩散的同时浪费了部分的能量）而且由于它采用压缩点燃的缘故，可以采用相当稀薄的混合气，因此可以按照变质调节的方式，直接通过调节喷油量来调节扭矩，不需要节气门。HCCI发动机的燃烧温度低，对燃烧室壁的传热很低，能够减少辐射热的传递，还能大幅降低氮氧化合物的形成。另一个特点是燃烧周期很短。因为燃烧过程主要是受化学反应而不是受混合过程的支配，能够使得燃烧周期比传统的柴油机短。而且它采用的燃油辛烷值允许在一个广阔的范围内变动。可以采用汽油、天然气、二甲醚等辛烷值较高的燃油作为主要燃料，也可以采用多种燃料混合燃烧。还可以将对高辛烷值燃料和低辛烷值燃料配比的调整，用作在HCCI燃烧中控制燃烧起点和负荷范围的方法。但也有人试图用柴油作为HCCI燃料，效果远不及汽油，为什么呢？因为汽油有较高的挥发性，能够在汽缸内尽快与空气混合形成均匀的油气混合气，而柴油沸点高，与空气较难混合均匀。

缺点

那HCCI技术那么好，为什么还不马上推广大量是用呢？原来现在的HCCI技术还有一些技术难关。

一　在燃烧时刻的控制上，HCCI发动机靠汽缸的压力和温度自燃，油气混合气的密度，气缸的温度和压力都需要进行精确的检测和控制，所以发动机的ECU管理程序也要进行相应的加强。

二　由于HCCI的同时压燃和放热，瞬时间汽缸和活塞会受到强大的压力，有可能会产生爆震的现象，所以必须提高混合气的空燃比（高于传统的14.7：1），这就需要HCCI在稀燃状态下工作，排气的温度也比较低，使得发动机较难采用涡轮增压。以上这些都使得HCCI可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多。另外，低排气温度对催化转化器来说也是一个问题，因为需要相当高的温度才能起动氧化/还原反应。

三　也就由于刚才我们讲到的HCCI发动机可能达到的最大负荷比典型的火花点燃式和直喷式柴油机低得多，所以，在大负荷高转速的时候或者冷机状态下发动机还必须依靠传统的火花塞点火系统，这就间接要求了发动机的压缩比可变，在传统点火模式的时候变回低压缩比。所以气门正时系统及众多的压力传感器也是必须的。

所以就现在的限制而言，HCCI汽油发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗。

实际运用

在实际运用HCCI技术的研发上，奔驰和GM走在了前列，以奔驰的07年的F700概念车为例，其DiesOtto 1.8T直4 CGI直喷发动机在采用HCCI技术后，输出功率达到238hp，最大扭矩达到400N.m，完全就是一台3.5L V6的水平，难得的是它的油耗仅为6L/100km，二氧化碳排放仅127g/100km。采用HCCI技术的GM OPEL Vectra和Saturn Aura 2.2L L4汽油机的油耗也仅为4.3L/100km，比常规技术降低15%以上。相信随着技术难关的不断攻克，HCCI技术将会快速普及到大众当中，作为一种新的节能增效技术，为地球的蓝天作一份贡献。

燃烧方式

HCCI发动机利用的是均质混合气，但它不同于常规汽油机的单点点火方式,它通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力,促使混合气压缩自燃,在缸内形成多点火核,有效维持了着火燃烧的稳定性，并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。它的燃烧速率只与本身的化学反应动力学有关。

大多数燃料的HCCI燃烧表现出独特的二阶段放热，第一阶段放热和主放热阶段。第一阶段放热与低温动力学反应有关,此时是冷焰、蓝焰。在第一阶段放热和主放热之间有一个时间延迟,延迟时间主要由这些反应的negative temperature coefficient regime(NTCR）,负温度系数现象,即温度升高,反应变慢)决定的。用光学诊断的方法来研究HCCI的燃烧过程发现第二阶段燃烧是多点同时进行的,一旦着火,混合气迅速燃烧,没有可视火焰传播,一般认为HCCI的完全燃烧仅由化学动力学控制,没有一般燃烧中的流动,局部仍存在不均匀物质,从而有局部波动现象,所以尽管没有前端火焰,HCCI的放热率并不是由化学反应速率来控制的,有人提出破碎湍流漩涡对HCCI燃烧放热率有重要影响,这一问题现在仍然有争执。HCCI燃烧方式的出现,有效地解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点,是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第4种燃烧方式。

面临的技术问题及解决途径

目前对HCCI技术的研究方兴未艾,但距离商业化仍需时日,归纳起来主要要以下问题:

发动机冷启动困难

多种多样冷启动方案被提出并研究,例如,使用预热器,使用不同的燃料或是燃料添加剂,增加压缩比,使用可变压缩比或可变气门正时等技术。有资料显示,点燃是个切实可行的办法。

废气控制系统的研究

使用HCCI技术的发动机由于燃烧温度低混合气混合均匀的缘故产生很低的NOX和微粒排放,但UHC和CO排放较高。降低UHC和CO排放的机外净化装置已经成熟,但废气再循环技术更受青睐。一般认为,再循环废气有这样的作用,加热作用,稀释作用分层作用和化学性作用。

拓宽HCCI运行工况范围

HCCI燃烧几乎是同时进行的,大负荷时过快的燃烧速度会引起发动机的爆震燃烧;低负荷时燃烧速度过慢会引起火焰传播中断。研究表明,通过分层燃烧可以有效地拓宽HCCI的运行工况范围,采用两种不同特性的燃料也是拓宽HCCI运行工况范围和控制着火时刻的重要途径之一。

控制着火时刻和燃烧率

HCCI着火过程主要受化学反应动力学控制,着火时刻决定于混合气的成分、温度和压力,只能间接控制着火时刻和燃烧过程。目前的解决办法是通过EGR、VCR和VVT等技术。

快速反应

研发快速反应控制系统来解决不同工况下的动态响应灵敏性。