关键词：低温燃烧；均质压燃；预混压燃；反应活性控制压燃；
发展柴油机缸内燃烧诊断技术和先进的低温燃烧(LTC)技术，包括均相压缩燃烧(HCCI)、预混压缩燃烧(PCCI)和反应性控制压缩燃烧(RCCI)。低温燃烧策略有助于减少氮氧化物和颗粒物的排放并且会提高发动机效率，其面临的HC和CO排放问题可以通过柴油氧化催化加以控制。
一、柴油发动机燃烧技术
1.均质充量压缩着火（HCCI）燃烧。均质充量压缩着火燃烧其实就是将柴油机设计的像汽油机那样，使柴油在燃烧时也形成均质混合气，使其燃烧更充分，以此消除扩散燃烧，当然此技术采用的压缩比较高，可控着火，尽量实现近似等压燃烧，其燃烧持续期短，燃烧效率高，既可以保持较高的动力性又可以增加燃油的经济性，这样就达到了节能减排的要求。HCCI节气门已被取消，泵气时的气体损失比较小，可实现气体的多点同时着火，减少了燃烧时间，但热效率更高，又因为柴油机内的燃烧反应几乎是同步进行的，有效降低了燃烧温度，这样就可以有效降低NOx和PM的产生，达到节能环保的目的。另外，如果柴油机采用HCCI燃烧模式还能达到简化发动机结构的目的，其燃烧和喷油系统将更加的简单，便于以后的维护和保养。HCCI的燃料选择性更好，可使像天然气、甲醇、乙醇等等多种清洁或可再生能源都可以作为它柴油机的燃料。
2.低温扩散燃烧。柴油机的燃烧技术关键就是在降低微粒和NOx排放的同时还需降低燃烧的温度，其基本思路就是尽量使柴油与空气混合均匀，形成“均匀”的混合气，通过增加油气的混合接触面积以实现“低温”燃烧。这样柴油机燃烧室内的温度会低于NOx和碳烟的生成温度，达到减少这两种物质的产生的目的。但是目前基本无实际应用，HCCI燃烧和低温扩散燃烧都属于属于低温燃烧技术，但是二者还是有明显区别的，就像低温扩散燃烧需燃油喷射来控制，而HCCI则不用。综上就可以看出低温扩散燃烧的实际应用还是任重而道远。
3.富氧燃烧技术。我国起步较晚，相关领域的研究也较少，发动机富氧燃烧技术其实就是用比正常空气含氧浓度高的富氧空气为发动机进气的燃烧，通过提高柴油机的燃烧速率，提高燃料能量释放率，优化发动机里燃料的燃烧过程，达到减排的目的。但是富氧燃烧会增加NO的排放量，这也是一个技术漏洞。近年来研究人员对其做了改进，改进成了膜法富氧燃烧技术，该方法通过利用供应气体分离膜两边的压力差实现渗透和分离供应气体以获得高浓度气体的目的。对于柴油发动机来说，膜法富氧在提高动力性能的同时，能有效降低NOx和碳烟的排放，非常符合现在节能减排的追求。
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二、先进的低温燃烧对策
均质充量压燃技术（HCCI）是一种极具前途的燃烧策略，因为稀的均质充量避免局部高温或燃空当量比，允许发动机在低的排放区域下运转，同时由于较低的壁面传热损失，低温燃烧策略也可以提高热效率。但低温燃烧会减少可用于涡轮增压的排气能量，由于需要将热量传递给更多的惰性气体，也会增加燃烧的不可逆性。然而总的来说，HCCI是一种高效率、低排放的优良燃烧策略。但有以下问题限制了HCCI在现实中的使用。（1）是均质充量在发动机实现，燃料准备已经提出许多方法，如进气道喷射或避免碰壁的具有小喷射锥角早喷阶段。后一种方法称为部分预混压燃技术，因为晚喷阶段，充量会在没混合均匀的时候着火。（2）是HCCI有限工况范围，由于定容燃烧的性质，气缸内工质几乎同时点燃，这会在高负荷产生不可接受的噪音和爆震。研究者已经做出很多尝试来提升负荷范围，如通过喷水技术，使用高的EGR率，或通过分层技术。但更切实用的策略应该是使用双模式燃烧，中低负载时使用HCCI，而在高负荷时使用常规燃烧。（3）是控制HCCI的燃烧相位，即燃烧的开始时间。在传统的压燃发动机中，通过喷油定时来控制燃烧始点，而在火花点火内燃机上通过火花塞跳火时刻来控制。HCCI点火由充量的温度，组成和被压缩的程度来控制，其时间上的控制更多的是通过低活性的燃料来实现的，如汽油，其低的自燃性允许燃烧前有更多的混合时间，增加局部的空燃比，从而降低NOx和碳烟的排放量。事实上，最佳的用于HCCI的燃油的自燃性是介于柴油和汽油之间的。高负荷工况下适合用低十六烷值的燃料，而低负荷工况适合高的十六烷值燃料。PCCI是部分预混充量压燃和燃料缸内直喷扩散燃烧相结合的复合燃烧方式。该技术通过燃油部分预混来减少扩散燃烧部分的比例，整个燃烧过程的前期是预混稀薄燃烧，缸内最高燃烧温度较低，有助于减少氮氧化物的排放。PCCI将部分燃油在压缩行程直喷，在压缩着火前形成较为均质的稀预混合气，剩余燃油直喷入缸内后油束自燃并形成多个火焰中心。与HCCI不同的是，PCCI的充量为非充分均质混合，而是采用了浓度分层，使得不同浓度梯度的混合气在缸内并未同时燃烧。反应活性控制压燃技术（RCCI），可以实现燃烧室中空燃比和反应活性的分层，改善双燃料压缩点火燃烧的控制。在缸内使用低活性的燃料（例如汽油）在进气道预喷混合，使用高活性的燃料（如柴油）进行多次直喷改变缸内不同区域的活性，通过改变进气道喷射和直喷的比例来改变充量活性以适应不同工况。燃烧从高反应活性区域到低反应性活性区域顺序进行，从而有效地降低压力升高率。RCCI不需要高的燃油喷射压力，因为喷射发生于上止点前较远时刻，能提供长的燃油蒸发和混合时间。RCCI的工作负荷范围超过了HCCI或PCCI，因为其燃料的混合可以为不同负荷制定合适的燃烧过程。与其他低温燃烧策略不同的是，RCCI的燃烧相位的可以通过高反应活性燃料和低反应活性燃料之间的混合比例来改变。通过使用柴油直喷并伴随着进气道甲醇和天然气喷射，或者甚至使用含水乙醇进气道喷射能实现高效率低排放的运行，低适应性的火花点火内燃机和普通柴油机是不能直接使用甲醇、天然气和含水乙醇这些燃料。
总之，低温燃烧技术有着显著的成本优势，同时低温燃烧发动机在燃油效率改善上具有较大潜能。RCCI发动机在燃料使用灵活性方面具有更好的优势，只要两种燃料具有显著不同的反应活性，那么就可以在缸内适当地混合，在不同工况下获得最佳的性能。
参考文献：
[1]王锋.浅谈柴油发动机燃烧技术研究进展.2017.
[2]赵恩诚.探讨柴油发动机燃烧技术研究进展.2018.
论文作者:肖文龙
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
标签：燃料论文; 低温论文; 直喷论文; 技术论文; 活性论文; 柴油机论文; 燃油论文; 《科学与技术》2019年第17期论文;