王文彬

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

前言

隨著化石能源的減少，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已不能滿足可持續(xù)發(fā)展要求，急需尋找一種新型替代燃料和更加合理的燃燒模式。氫氣作為一種無(wú)碳能源，可以很大程度上減少有害尾氣的排放，是一種理想的新型替代能源。HCCI可有效降低PM、NOx等有害尾氣的排放。把氫燃料與HCCI相結(jié)合，不僅可以減少環(huán)境污染問(wèn)題而且還能有效緩解能源危機(jī)。

1 HCCI

HCCI最主要的燃燒特征是：a.均值，b.低溫，c.壓燃。HCCI采用稀薄混合氣燃燒，中小負(fù)荷燃燒時(shí)速度快，接近等容燃燒，由于HCCI燃燒溫度較低，傳熱損失較少，因此HCCI能夠獲得較高的熱效率，節(jié)省燃料，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

HCCI可有效降低氮氧化物排放。NO生成有兩個(gè)因素，高溫和氮氧在高溫中滯留的時(shí)間。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)本身的燃燒溫度相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)較低，相對(duì)于燃料燃燒的化學(xué)反應(yīng)，NO生成的化學(xué)反應(yīng)速度相對(duì)較慢，只有少量的 NO是在火焰當(dāng)中生成，其余大部分是在火焰過(guò)后的高溫已燃?xì)怏w中形成，在HCCI中氮氧在高溫環(huán)境當(dāng)中停滯的時(shí)間不足，導(dǎo)致NO的生成量大幅度減少。所以與傳統(tǒng)的汽油柴油機(jī)相比HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況下NO排放可降低95%-98%。HCCI最大的缺陷就是由于使用較強(qiáng)的EGR，使得HC、CO的排放較高。

2 氫燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)

氫燃料 HCCI就是用氫氣來(lái)替代傳統(tǒng)的燃料達(dá)到均值低溫壓燃的燃燒效果，純氫燃料相對(duì)于傳統(tǒng)燃料有著天然的優(yōu)勢(shì)，氫氣里面不含碳元素，也就是說(shuō)在燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生PM、HC、CO等含C污染氣體。把氫作為單一燃料應(yīng)用到常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)上基本上只有NO一種污染物。而HCCI可有效降低NO排放，把氫氣與HCCI相結(jié)合起到了1+1＞2的效果，有效的降低污染物排放，甚至不產(chǎn)生任何有害氣體。

3 氫燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)方式

目前，把氫氣作為燃料應(yīng)用到HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種方式，一種是氫氣和低燃點(diǎn)燃料摻燒，另外一種是使用純氫氣作為燃料。

3.1 摻燒

氫氣和低燃點(diǎn)燃料摻燒就是在壓縮過(guò)程中由低燃點(diǎn)燃料引燃?xì)錃猓疫@一方式在國(guó)內(nèi)的研究較多。根據(jù)NO的生成機(jī)理可知，HCCI對(duì)改善氫發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放是可行的。因?yàn)闅錃獾娜紵俣纫哂谝话闳剂系娜紵俣?，通過(guò)摻氫燃燒可以提高整體的燃燒速度，縮短主放熱階段，減少氮氧在高溫中滯留的時(shí)間，從而降低氫燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)NO排放水平。

3.2 純氫

由于HCCI使用低溫壓縮著火的方式，對(duì)燃料的自然溫度有一定的要求，自然溫度不能太高，否則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造要求太高以至于很難實(shí)現(xiàn)。氫氣的自然溫度是 547℃，而傳統(tǒng)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)使用的柴油的自然溫度約 250℃，遠(yuǎn)低于氫氣的自然溫度。把HCCI與氫燃料相結(jié)合一般采用兩種方法：

（1）提高壓縮終了混合氣溫度

一般提高壓縮比終了混合氣溫度的措施有：提高壓縮比，進(jìn)氣道空氣加熱，廢氣再循環(huán)（EGR）等。較高的壓縮比可以得到較高壓縮溫度，進(jìn)氣道空氣加熱提高進(jìn)氣溫度，EGR提高缸內(nèi)混合氣溫度。通常是多種措施相結(jié)合使用，提高提高壓縮終了混合氣溫度。

（2）火花塞點(diǎn)火輔助

火花塞點(diǎn)火輔助類似于傳統(tǒng)的汽油機(jī)，保留了火花塞點(diǎn)火能夠使得 HCCI過(guò)程有了更多的控制，火花塞能夠引燃?xì)錃?，這樣就能避免失火現(xiàn)象的出現(xiàn)，而且火花塞還能夠控制著火時(shí)刻，大負(fù)荷和冷啟動(dòng)情況下能夠使用傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)燃模式工作，使氫氣的燃燒在各個(gè)工況下有所保障。

4 氫燃料HCCI燃燒缺陷及處理

HCCI通過(guò)控制缸內(nèi)混合氣溫度，濃度以及成分來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)著火以及燃燒過(guò)程的控制，相比汽油柴油機(jī)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)缺乏一種直接有效的強(qiáng)制性控制性手段對(duì)其燃燒過(guò)程進(jìn)行控制，如果發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)只能依靠改變內(nèi)部溫度、濃度來(lái)補(bǔ)償，這樣的話HCCI的瞬態(tài)響應(yīng)就會(huì)先天比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)弱。而氫燃料HCCI也存在同樣的問(wèn)題，不過(guò)它可以通過(guò)火花塞點(diǎn)火輔助解決瞬態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題。

氫燃料 HCCI存在的另外一個(gè)問(wèn)題是純氫燃燒速率過(guò)快導(dǎo)致爆震現(xiàn)象。氫燃料HCCI形成爆震的主要原因是氫氣的燃燒速度過(guò)快，為解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)添加抑制劑，在一定程度上抑制氫氣過(guò)快的燃燒速度，降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而改善爆震現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

氫燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新型高效低污染發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)于汽車尾氣污染問(wèn)題，氫燃料HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)為我們提供了一個(gè)很好的選擇，如果能夠大范圍的推廣使用，可以很大程度上緩解大氣污染問(wèn)題。

[1] M.Mohamed Ibrahim, A.Ramesh. Investigations on the effects of intake temperature and charge dilution in a hydrogen fueled HCCI engine[J]. Int J hydrogen energy.2014.07:14097-14108.

[2] A.Aziz Hairuddin,Talal Yusaf, Andrew P.Wandel. A review of hydro-gen and natural gas addition in diesel HCCI engines[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014.01:747-757.

[3] Zunhua Zhang,Qian Xie,Junjie Liang,Gesheng Li. Numerical study of combustion characteristics of a natural gas HCCI engine with closed loop exhaust-gas fuel reforming[J].Applied Thermal Engine ering, 2017.03:430-437.