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内燃机HCCI技术的发展郑茂桃;吴玉明;何青海;邓信文;贺正达【摘要】机产业化的难题所在;阐述了目前国际上HCCI产业化研究主要集中在汽油机和柴油机HCCI燃烧控制方面,包括燃烧诊断、燃烧模式切换和瞬态工况过渡;缸内直喷多段喷射是HCCI燃烧在车用发动机上应用更有前途和更具可行性的方式.【期刊名称】《科技资讯》【年(卷),期】2010(000)032【总页数】2页(P88-89)【关键词】内燃机;均质压燃;进展【作者】郑茂桃;吴玉明;何青海;邓信文;贺正达【作者单位】吐哈油田公司机械厂,新疆哈密,839009;吐哈油田公司机械厂,新疆哈密,839009;吐哈油田公司机械厂,新疆哈密,839009;吐哈油田公司机械厂,新疆哈密,839009;吐哈油田公司机械厂,新疆哈密,839009【正文语种】中文【中图分类】TK421自从1876年产生第一台四冲程内燃机以来,内燃机工业经过一百多年的发展,传统的点燃式和压燃式内燃机在进一步提高燃料利用率和降低有害物排放方面已经达到了极限。
为此,要突破内燃机排放和经济性的限制,世界各发达国家开展了内燃机新型燃烧技术的研究。
直到20世纪70年代,首次提出了均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)的概念,但由于控制技术的限制而没有受到重视。
90年代后期,随着控制技术的发展,均质压燃技术以其在内燃机节能减排方面的巨大潜力而备受关注。
迄今为止,虽已有少量生产但离广泛的商业化还仍有许多技术难题需要解决。
1.1 HCCI燃烧方式预混合气均质压燃技术(HCCI)也称均质充量压缩燃烧。
它既不同于传统汽油机的火花点火、火焰传播燃烧方式,也不同于传统柴油机的燃油喷射、扩散燃烧方式(如图1)。
在HCCI燃烧过程中,空气与燃料预混合形成较稀薄的均匀混合气,在活塞压缩到上止点附近时,依靠混合气的自燃,实现缸内混合气的着火燃烧。
HCCI燃烧方式的出现,有效地解决了传统均质稀混燃烧不同步的缺点,是有别于传统的汽油机均质点燃预混合燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和缸内直喷汽油机分层稀薄燃烧的第4种燃烧方式。
预混合汽油/柴油双燃料发动机的排放控制研究1、问题的提出、课题界定、国内外研究现状述评、选题意义与研究价值。
问题的提出：我国在“十二五”规划中明确提出汽车节能领域目标是“汽车平均油耗比常规电喷汽油车降低10%-20%。
研发重点是系统精确控制”。
汽车节能、减排和降耗是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是提高人民生活质量，维护中华民族长远利益的必然要求。
课题界定：随着经济与社会的飞速发展，汽车保有量的迅速增加，燃油消耗量呈几何倍数增长，汽车排放出来的尾气严重影响了人类的生存环境，汽车节能减排技术成为了一项紧迫而艰巨的任务。
汽油/柴油双燃料发动机主要是利用汽油和柴油各自的物理化学特性的差异，能通过ECU的系统精确控制，减少CO、NOx、SOOT等物质的排放。
因此，研究和控制汽油/柴油双燃料发动机的排放控制，有利于提高发动机的性能，降低能耗和污染物，创造出一定的经济价值和社会价值，具有现实意义。
国内外研究现状述评：随着世界能源形势的日益紧张，环境污染的进一步加剧，发动机行业采用了多种替代燃料方案，提出了许多新型的燃烧方式，以满足日益严格的排放法规要求。
以汽油/柴油双燃料为例，美国威斯康星大学的Reitz教授提出了RCCI燃烧模式，天津大学的尧命发教授提出了HPCC燃烧模式，英国伯明翰大学的Xu等人研究了汽油/柴油混合燃料在HCCI模式燃烧的结果，英国剑桥大学Weall等人研究了汽油/柴油混合燃料在PPCI模式燃烧的结果，其结论显示都能较好的降低碳烟和NOx的排放量。
选题意义与研究价值：为了更好的完成发动机缸内的燃油混合和雾化，RCCI模式和HPCC模式在进气道和缸内分别安装一个汽油喷油器和一个柴油喷油器，汽油/柴油的混合方式、喷油的控制方式上更加复杂，在汽油/柴油双燃料发动机的结构上提出了新的要求。
RCO催化燃烧VOCs有机废气处理技术挥发性有机化合物(VOCs)是一类毒性大、污染严重的化学物质。
目前VOCs的污染问题日益受到各国的高度重视，我国颁布的《大气污染物综合排放标准》，规定了各类有机污染物在空气中严格的排放标准。
国内外VOCs污染控制方法目前主要有吸附法、吸收法、生物处理技术、膜分离技术、直接燃烧法、催化燃烧法等。
其中，催化燃烧法是一种高效清洁燃烧技术，主要利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧。
相对其他处理技术，催化燃烧具有显著的优点：起燃温度低能耗少，处理效率高，无二次污染等，使之成为目前前景广阔的VOCs有机废气治理方法之一。
高效催化燃烧催化剂是催化燃烧技术的关键核心，以块状载体作为骨架基体的催化剂称为规整结构催化剂，也称为整体式催化剂。
由于具有特殊孔道结构，这类催化剂改善了催化反应床层上的物质传递，提高了催化效率，降低了压力，减少了操作费用，在石油化工、精细化工等多相催化反应中得到越来越广泛的应用。
RCO有机废气催化燃烧技术在日本、美国和西欧被广泛地应用于VOCs的治理，工艺设备非常成熟，相关的技术标准和使用规范已经非常完善，一些大公司都有自己的企业标准，对工艺设计、催化剂的性能要求、反应器制造和工程控制措施等都有详细的规定。
不同的燃烧工艺组合，形成4种基本的燃烧工艺方式：催化燃烧（换热），直接燃烧（换热），回热催化燃烧（RCO），回热燃烧（RTO）。
在此基础上还形成了转轮富集燃烧，陶瓷过滤器等方式。
RCO有机废气催化燃烧技术是指在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳，达到彻底治理的目的。
一、RCO有机废气催化燃烧工艺原理：催化净化是典型的气固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。
在催化净化过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行；借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能，从而达到去除废气中的有害物的方法。
cic在线燃烧离子色谱法
CIC在线燃烧离子色谱法是一种用于分析和检测环境样品中卤
代阻燃剂和其他有机卤化物的方法。
这种方法结合了燃烧技术和离
子色谱技术，可以有效地分离和检测样品中的卤代化合物。
首先，样品被送入燃烧炉中进行高温燃烧，将有机卤化物转化
为卤化氢。
接下来，卤化氢气体被传送到离子色谱仪中进行分离和
检测。
离子色谱仪利用化学分离和电化学检测技术，可以准确地定
量分析样品中的卤化物。
CIC在线燃烧离子色谱法具有高灵敏度、高选择性和高准确性
的特点。
它可以广泛应用于环境监测、食品安全、药品分析等领域。
通过这种方法，可以快速、准确地检测样品中微量的卤代化合物，
为环境保护和食品安全提供重要的技术支持。
此外，CIC在线燃烧离子色谱法还可以实现自动化在线分析，
提高了分析效率，减少了人工干预，降低了操作成本。
因此，这种
方法在实验室和工业生产中得到了广泛的应用和推广。
总的来说，CIC在线燃烧离子色谱法是一种高效、准确的分析
方法，对于卤代化合物的检测具有重要意义，有着广阔的应用前景和发展空间。
RCO蓄热式催化燃烧法技术简介蓄热式催化燃烧法（regenerative catalytic oxidizers，RCO）是在蓄热式焚烧法（RTO，regenerative thermal oxidizers）的基础上发展起来的，两者的最大不同之处是氧化的温度不同，RTO需要在800℃以上的高温，高温会产生NOX二次污染物；而RCO只需要300～500℃之间的温度，因此RCO更节能、安全，完全不产生NOX。
RCO蓄热式催化燃烧法为燃烧处理技术之一，其原理是在一定温度，以催化剂的作用下将污染物完全氧化，去除效率可达99%以上。
此技术是用多床可蓄热材质的催化室进行蓄热与催化氧化互相切换的方式进行，以大幅减少热量的损耗。
与直接燃烧和催化燃烧的主要差别在于废热回收的型式和效率上。
一般而言：催化燃烧为30-50%，直接焚烧为50-70%，RCO 则高达90%以上。
RCO蓄热式催化燃烧法的热回收方式属于热再生型(Thermal Regenerative)，是利用陶瓷材料的高热传导系数特性作为热交换介质，以得到较完整的热能传导率。
将含恶臭气体或VOCs的废气，在通过一个回收废热的陶瓷填充床预热后，其废气温度几乎达到催化室设定温度，并使污染物产生氧化作用，然后导入加热室升温，并维持在设定温度，以达到预定的去除效率，经催化处理后的废气导入其它的陶瓷填充床，回收热能后排到大气中，其排放温度仅略高于废气处理前的温度。
所有的陶瓷填充床均做加热、催化净化、蓄热冷却的循环步骤。
该技术具有净化效率高、运行费用低的特点。
RCO蓄热式催化燃烧法工作原理：蓄热催化床分成八等分，其中三份是进气区，三份是排气区，一分是吹扫区，一分是盲区。
待处理的气体从进气区进入，进过蓄热陶瓷层，气体被陶瓷加热，气体温度提高，蓄热陶瓷被；冷却，然后进过催化层，气体被净化，净化后的气体通过排气区，气体中的热量被蓄热陶瓷吸收，陶瓷升温，气体被冷却，冷却后的气体排入烟囱排放。
均质压燃（HCCI）发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究共3篇均质压燃（HCCI）发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究1均质压燃（HCCI）发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究均质压燃（Homogeneous charge compression ignition，简称HCCI）是一种新型的发动机燃烧模式，其将汽油发动机和柴油发动机的优点集成在一起，可以同时实现高效、低排放和高功率。
HCCI发动机虽然具有广泛应用前景，但是其着火与燃烧过程复杂，仍需深入研究。
本文主要介绍HCCI发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究。
一、HCCI发动机的优势HCCI发动机具有以下优点：首先，由于HCCI燃烧时采用了均质混合气，其NOx排放量较低；其次，使用混合气进行燃烧，燃烧效率较高，具有高功率特性；最后，不需要点火系统，使HCCI发动机的制造和维修成本较低。
二、HCCI发动机着火与燃烧过程的理论研究HCCI发动机中，燃料和空气混合在缸内，进入压缩阶段，若缸内压力和温度达到一定条件时，则发生着火。
着火点取决于混合气的成分、压强、温度和混合气的体积。
理论研究表明，HCCI燃烧的关键是混合气的均匀性和稳定性。
此外，混合气温度也是控制HCCI发动机着火与燃烧过程的重要参数。
三、HCCI发动机着火与燃烧过程的数值模拟数值模拟是HCCI发动机着火与燃烧过程研究的重要手段之一。
数值模拟可以提供一些难以从实验中获得的性能指标和工作参数信息，可以在燃料和操作条件变化的情况下进行HCCI发动机的优化。
在数值模拟中，需要确定HCCI燃烧时的物理、化学和流动学参数，包括混合气成分、热力学状态参数、燃油喷射过程、着火过程和燃气扩散过程等。
数值模拟的结果应与实验数据进行对比，以进一步优化HCCI发动机的设计和控制。
四、HCCI发动机着火与燃烧过程的关键技术HCCI发动机的着火与燃烧过程仍需要面临一些关键技术问题。
首先，需要寻找一种可靠的方法来预测着火和燃烧过程，以优化喷油量和提高发动机效率。
HUNAN UNIVERSITY 流 体 力 学 论 文
论文题目
发动机RCCI燃烧技 术方案研究
学生姓名 明阳 学生学号 S********* 专业班级 动力工程及工程热物理 学院名称 机械与运载工程学院 指导老师 杨小龙
2015 年 10 月 日 湖南大学毕业论文 第 1 页 摘要
在环境问题日益严重的今天，汽车排放的净化处理技术显得愈加重要。以现有的后处理技术，虽然可以使排放数值达到标准，但是其后续的费用、复杂的结构、昂贵的原料使得排放性和经济性无法得到平衡。 本文旨在解决过分依赖后处理来提高排放所引出的问题，通过优化缸内燃烧过程，运用RCCI技术降低排放、减轻后处理负担，最大限度的平衡经济性和排放性的国四柴油机技术的匹配。RCCI（Reactivity Controlled Compression Ignition）是比较新的一种低温预混合燃烧并且可以实现燃烧相位可控的均质稀燃技术，本文通过进气道喷射汽油进行预混合，在缸内直喷直喷柴油后压燃混合气，通过两种燃油质量比的改变控制燃烧相位，达到小负荷不熄火、高负荷不粗暴的目的，同时有着较高的热效率。为了进一步净化CO和HC的排放污染，搭配催化氧化技术（DOC）的RCCI内燃机，可以在原有极低的NOx和soot排放的基础上达到四种排放物数值同时降低到国四标准以下的程度，并且有望实现对于燃烧效率和排放性能的平衡。 关键词：国四排放标准，RCCI，DOC，PFI，DI 湖南大学毕业论文 第 2 页 1、引言 1.1 课题背景及目的和意义 环境与发展是世界各国普遍关注的焦点问题，发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的生存条件。因此，保护人类赖以生存的环境成为世界共同关心的问题。汽车污染是环境污染的主要途径，为了人类的可持续发展，防治汽车污染已经成了刻不容缓的全球性问题，这就需要我们共同努力在科技创新、节能减排等方面来防治汽车污染。汽车作为人们日常生活中不可或缺的部分，其造成的排放对于环境的影响愈加严重[1]。世界各国对于汽车排放的法规颁布随着技术的发展日趋严格，排放性能的要求对于汽车的研发环节的影响也同样占据了越来越重的比例。相比于汽油机，柴油机的良好的热效率和经济性，以及很低的CO和HC排放，受到厂商和研发机构的青睐。然而，传统CDC柴油机存在一个难以解决的问题——NOx和soot碳烟的排放无法降低。原因在于，高温富氧促进了NOx的生成，而为了减少NOx排放而降低燃烧温度的做法，又减少了对soot的氧化，从而增加了soot的排放。因为传统CDC柴油机缸内燃烧以扩散燃烧为主，这种矛盾很难解决，只能通过改变燃烧机理，利用新的燃烧方式来尝试解决。 1.2 国内排放法规现状 目前地方政府的措施已取得了一些成效，据统计，从2000年到2010年，在中国机动车保有量总量翻3倍多的情况下，污染物排放量仅增加了0.3倍，各项污染物均实现50%以上的消减，采取的控制措施累计减少了3800万吨氮氧化物、4450万吨碳氢化合物、2.387亿吨一氧化碳和700 万吨颗粒物的排放。 轻型柴油车国四标准于2005年颁布，规定从2011年7月1日起，全部正在制造和已经售出的轻型汽车，必须符合国四污染物排放标准。然而，由于尚未出台国四车用燃油标准，仍然无法保证符合标准的车用燃油全国范围内的及时供应，决定将国四标准施行日期推延至2013年7月1日[2]。 2013年7月1日，国四限定实施日期即将到来前，部分整车企业得到消息，由于SCR后处理技术所需要的尿素供应仍然无法确保供应，因此，相关国家部门将国四排放标准实施日期再次推迟。同时，自2013年7月1日起，国三排放的车型将不再允许上工信部公告。 湖南大学毕业论文 第 3 页 事实上，很多大型柴油机厂商早都已经开始基于国四标准提前进行产能和技术建设。其中，上柴2011年募投项目中就包括中轻型柴油机的开发制等以国四标准为目标的产品项目。 总体来讲，虽然轻型柴油机的国四标准一再推迟，但由于国家对于轻型汽车的排放管理十分严格，多数市场上的产品都已经达到甚至超出国四标准。因此，生产轻型柴油机的厂商受到标准推迟的影响微乎其微。另外，从环保的角度来说，柴油机的未来市场前景依旧良好，在各大厂商的充分准备下，其市场占有率提升的态势很难受到影响，其改进技术的发展会保持其地位在相当长一段时间内不被动摇。 湖南大学毕业论文 第 4 页 2、论点 2.1 RCCI技术背景 近年来研究的低温预混合燃烧包括：均质充量压缩着火燃烧(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)、伞型喷雾燃烧、MK燃烧(Modulated Kinetics)、三喷油器多段燃烧(multiple stage diesel combustion，MULDIC)、均质充量—喷雾复合燃烧(Homogeneous Charge Diesel Combustion，HCDC)、多脉冲喷射HCCI燃烧、以及低温燃烧(Low Temperature Combustion，LTC)。然而，这些新技术的提出与实验，依旧无法大规模投入市场的使用，原因在于基于压燃技术特点的低温预混合无法控制燃烧相位，同时还有着负荷适应性较差、HC和CO排放较高等等问题。其中，燃烧相位的控制是较为重要的，因为如果燃烧相位失控，工作粗暴、效率下降等一系列问题会接踵而至。 RCCI（Reactivity Control Compression Ignition）应运而生，成为现有方案中较为有效的可以实现可控低温预混合燃烧的技术。 2.2 RCCI与其他燃烧方式特点的对比
图2.1 不同燃烧方式所处区域示意图 由于传统CDC柴油机为压燃的点火方式，在喷油过程中，混合气浓度在燃烧室内分布极不均匀，混合气浓度大的地方在喷油结束前已经达到着火点并开始燃烧。因此，尽管总体上柴油机燃烧室内过量空气系数较高，但是局部混合气浓度往往非常高，理论当量比的混合气也非常多，导致混合气浓度范畴横跨了NOx和soot排放的高发区域。 汽油机缸内燃烧混合气当量比为1左右的燃烧方式决定了它只穿过NOx的高发区，但是soot排放相对较低。 湖南大学毕业论文 第 5 页 均质充量Y(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI) HCCI燃烧是低当量比、均匀混合气(稀薄均质混合气)的燃烧，既避免了NOx高发区，又不在soot的高发区，因此这两种排放物均达到极低的水平。但是，HCCI燃烧相位不可控，并且燃烧范围非常窄的缺陷对于其应用前景有着较大影响。 预混合压燃（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI） PCCI燃烧的混合气浓度略高于HCCI，均匀程度低于HCCI，但也能够同时避开两种排放的高发区，因此其排放相对于传统方式同样要好得多，但略高于HCCI燃烧。 从燃烧基本特征来看，RCCI属于低温预混合燃烧的类型。研究表明，RCCI燃烧可以实现排放性能大幅度提升，而且除了氧化催化器外，不需要任何其他后处理设施的条件下，就能实现美国EPA2010排放标准，同时具有高达53％的热效率。 可以看出上述其它诸如HCCI，PCCI等低温预混合燃烧虽然可以同时将NO，与soot排放降低到非常低的值，但是期望达到产品能够运用的程度，还远远不够。 表2.1 RCCI燃烧与其他低温预混合燃烧特点的对比 RCCI燃烧 其他低温预混合燃烧 可以实现燃烧相位的控制 无法实现燃烧相位控制 预混合气制备快而且均匀 较难实现着火前形成相对均匀混合气 负荷适应性相对较好 负荷适应性差 HC和CO排放偏高
低温预混若要成为成熟的能够运用到市场上的技术，仍需解决一些问题。 其一，由于预混燃烧采用压燃，对于混合气着火时刻提前和燃烧起始的控制是重中之重，稍不注意，会导致缸内压力过高，工作粗暴等问题；其二，当发动机处于高负荷工况时，对于工作粗暴的倾向会更加严重，而低负荷时又有熄火的倾向的问题；其三，预混合气的均匀而快速的制备，是对于较为优秀的燃烧的一个重要条件；其四，混合气无法避免地进入缝隙区域而导致的CO、HC排放较高的问题同样亟待解决。上述问题，是基于缸内燃烧优化排放思路的重点，亦是难点所在，是打开这扇大门的钥匙，值得科研人员投入力量去解决的。 湖南大学毕业论文 第 6 页 这四个问题中，燃烧相位的控制以及混合气制备是较为重要的。众所周知，柴油机的燃烧相位依靠喷油时刻来控制，汽油机的燃烧相位依靠火花塞点火时刻来控制，而低温预混合燃烧的燃烧相位则由混合气性质、温度和压力共同决定。 研究表明，汽油的良好的挥发性决定了其预混合气可以通过进气道喷射得到很好的制备，但是由于其低十六烷值的较差的着火性能，因此低负荷时的燃烧性能很差，有熄火的倾向。而正相反的是，柴油的高十六烷值决定了其良好的着火性能，但也导致了随着负荷增加随之带来的对于燃烧相位的失控。对于柴油机的PCCI燃烧，使用EGR来控制高负荷下的燃烧相位，但是，高EGR对于氧气浓度的限制同样影响了高负荷工况的燃烧情况，因此，这种方法只能说是个暂时的思路，却无法彻底解决燃烧相位的问题。 研究表明，当使用十六烷值27、压缩比12的燃油燃烧时，均质充量压缩着火燃烧可以运行1.6MPa的BMEP，比传统柴油高出60%的运行负荷。因此，理想的低温预混合燃烧对于不同工况适用不同性质的燃油：低负荷需要大扭矩，此时燃油需要高十六烷值的良好着火性能，高负荷需要低爆震，此时燃油需要低十六烷值的燃烧平稳。 基于这一特点，为了扩展低温预混合燃烧对于不同工况的适应性，决定采用双燃油系统双燃料的低温预混合燃烧，RCCI技术应运而生。
