崔雁清 劉海峰 易文韜 堯命發(fā)

（天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室 天津 300072）

引言

提高內(nèi)燃機氣缸壓力，有助于提高內(nèi)燃機升功率，增強動力性的同時進一步拓展內(nèi)燃機運行邊界。氣缸壓力提高，膨脹輸出功增大，能量轉(zhuǎn)化效率提高，即內(nèi)燃機熱效率提高。因此，提高氣缸壓力，在滿足日益嚴格的排放法規(guī)的同時，為熱效率的提高提供了可行的技術(shù)路線。為實現(xiàn)高氣缸壓力目標，一系列技術(shù)需要單獨或相互耦合使用，這些技術(shù)包括進氣增壓(單級增壓和兩級增壓)、米勒循環(huán)、可變氣門正時、可變壓縮比、噴油策略優(yōu)化等。

本文從缸內(nèi)爆發(fā)壓力的研究進展、提高內(nèi)燃機氣缸壓力的技術(shù)措施及新型燃燒方式下氣缸壓力的發(fā)展等3個方面進行了論述，對氣缸壓力未來的發(fā)展方向進行了展望。

1 缸內(nèi)爆發(fā)壓力的研究進展

德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的Peter Eilts等人通過仿真計算表明，乘用車內(nèi)燃機的最大平均有效壓力若達到8 MPa，其對應(yīng)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力將達到70～80 MPa。而目前乘用車市場中，汽油機和柴油機的最大平均有效壓力僅能達到2～3 MPa，缸內(nèi)爆發(fā)壓力在20 MPa左右。Peter Eilts等人還指出，為使內(nèi)燃機能在上述缸內(nèi)爆發(fā)壓力下工作，進氣壓力需要達到1 MPa，這對增壓系統(tǒng)提出了很大挑戰(zhàn)。若缸內(nèi)爆發(fā)壓力達到70～80 MPa，遠超目前內(nèi)燃機材料所能承受的極限，如此高的缸內(nèi)爆發(fā)壓力對未來內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料應(yīng)用提出了很大挑戰(zhàn)。同時，計算表明，內(nèi)燃機在上述高缸內(nèi)爆發(fā)壓力下工作時，有效燃油消耗率下降了5%。此外，熱負荷增大也是一個不容忽視的問題。如圖1所示[1]。

圖1 不同負荷工況下活塞表面平均溫度

圖1 中，Series 4表示模型中使用Kolesa對流換熱模型修正后的結(jié)果。在平均有效壓力為8 MPa的工作環(huán)境下，活塞表面溫度將超過600℃，而目前常用的鋁活塞中，鋁的熔點為660℃。因此，在上述高缸內(nèi)爆發(fā)壓力下工作，無疑對內(nèi)燃機新材料的使用以及換熱強度的增大提出了更高要求。

德國內(nèi)燃機研究學(xué)會聯(lián)合漢堡工業(yè)大學(xué)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)開展內(nèi)燃機高氣缸壓力研究，在一臺中速柴油機中研究缸內(nèi)爆發(fā)壓力對燃燒、熱應(yīng)力及機械應(yīng)力的影響。

漢堡工業(yè)大學(xué)的Ruschmeyer等人在一臺1L26/40（缸徑為265 mm，行程為400 mm）型單缸中速柴油機上開展了缸內(nèi)熱力學(xué)性質(zhì)研究[2]。研究表明，最大負荷可達平均有效壓力4 MPa，缸內(nèi)爆發(fā)壓力為36.5 MPa。圖2為全負荷工況下功率損失分析。圖中，紅色柱狀圖代表的是未經(jīng)改造的原始內(nèi)燃機，使用單級增壓器，最大平均有效壓力為2.6 MPa；藍色柱狀圖代表的是為適應(yīng)缸內(nèi)爆發(fā)壓力而改造的內(nèi)燃機，使用兩級增壓器，最大平均有效壓力為4.0 MPa。

圖2 不同工況下功率損失分析

從圖2可以看出，相比于前者，提高氣缸壓力，內(nèi)燃機有效熱效率顯著提高，其值從40.1%提高到43.7%。具體包含以下3個主要原因：

1）高壓對缸內(nèi)氣體熱力學(xué)性質(zhì)帶來積極影響。增加氣缸壓力，氣體絕熱指數(shù)進一步增加，較高的絕熱指數(shù)對內(nèi)燃機燃燒過程有積極影響。如圖3所示[3]。

圖3 絕熱指數(shù)及壓縮比對內(nèi)燃機效率的影響

在相同的壓縮比下，缸內(nèi)氣體絕熱指數(shù)增大，內(nèi)燃機熱效率升高。在絕熱工況下，較高的絕熱指數(shù)會提高缸內(nèi)爆發(fā)壓力。

圖4為絕熱和低散熱模式下缸內(nèi)爆發(fā)壓力隨氬氣比例和壓縮比的變化[4]。

圖4 絕熱和低散熱模式下缸內(nèi)爆發(fā)壓力隨氬氣比例和壓縮比的變化

從圖4可以看出，增大進氣充量中氬氣的比例，氣體絕熱指數(shù)增大，缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高，尤其是在壓縮比高于40的工況下，缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高明顯。

2）增大進氣充量密度，改善了燃料與空氣的混合，加快了燃燒反應(yīng)速率。同時，CO和HC排放更低，特別是在低負荷工況下更為明顯。碳煙排放也有所降低，低于0.25 FSN。

3）兩級增壓改善了換氣過程。增大進氣壓力，可將泵氣負功轉(zhuǎn)變?yōu)楸脷庹?，減少泵氣損失。但是，隨著缸內(nèi)溫度和壓力的進一步升高，為適應(yīng)高的氣缸壓力而改造冷卻系統(tǒng)，使內(nèi)燃機的傳熱損失比原機高7%，加權(quán)傳熱損失比原機高4%。如圖5所示[2]。

圖5 不同負荷工況下傳熱情況的詳細分析

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Schneider等人研究了高氣缸壓力下內(nèi)燃機的熱負荷和機械負荷[5]。表1為內(nèi)燃機在平均有效壓力為4.0 MPa的最大負荷條件運行時，各零部件主要位置的熱負荷情況。

表1 平均有效壓力為4.0 MPa時各零部件主要位置的熱負荷情況

圖6為有限元分析模擬的氣缸蓋溫度分布圖。圖6a和圖6b分別表示25%負荷和全負荷工況下通過有限元分析模擬出的氣缸蓋溫度分布。

圖6 有限元分析模擬的氣缸蓋溫度分布

結(jié)合表1和圖6可知，當內(nèi)燃機平均有效壓力達到4.0 MPa時，熱負荷主要集中于進排氣門、排氣門側(cè)的氣缸蓋區(qū)域、第一道活塞環(huán)表面、近活塞上止點的第一道活塞環(huán)周邊的氣缸套區(qū)域以及整個活塞表面等。因此，需對這些部位的冷卻系統(tǒng)進行更細致的設(shè)計。噴霧錐角過小，同樣會給活塞表面帶來很大的熱負荷[6]。原因在于噴霧錐角過小，油束撞擊活塞表面，使得燃燒化學(xué)反應(yīng)的放熱更多地發(fā)生于活塞表面，增大了活塞表面的熱負荷。

提高內(nèi)燃機氣缸壓力，能提高做功能力，但過高的缸內(nèi)爆發(fā)壓力帶來更大的機械負荷及熱負荷，超出目前材料所能承受的極限。開發(fā)耐高溫高壓、低散熱特性、低摩擦、輕量化及價格合理的先進材料，成為未來內(nèi)燃機發(fā)展的關(guān)鍵之一。

2 提高內(nèi)燃機氣缸壓力的技術(shù)措施

點燃燃燒方式常應(yīng)用于汽油機中，由于汽油機受爆震及表面點火等不正常燃燒限制，壓縮比往往不能很高，這也成為限制汽油機缸內(nèi)爆發(fā)壓力和熱效率進一步提高的重要因素。壓燃燃燒方式常應(yīng)用于柴油機中，相比于汽油機，柴油機擁有更高的壓縮比。同時，柴油機進氣管中不加裝節(jié)氣門，泵氣損失小，因此，柴油機的熱效率高于汽油機。限制壓燃燃燒時氣缸壓力進一步提高的原因是燃燒噪聲。燃燒噪聲與壓力升高率有十分密切的關(guān)系。壓力升高率過大，會產(chǎn)生比較強烈的噪聲，這種現(xiàn)象被稱為工作粗暴。一般需要將壓力升高率控制在0.6 MPa/°CA以下[7]。

內(nèi)燃機燃燒技術(shù)的發(fā)展在不斷融合汽油機和柴油機各自的優(yōu)勢，因此，無論是柴油機還是汽油機，常用以下一些技術(shù)和方法來提高內(nèi)燃機氣缸壓力：

1）提高壓縮比。提高壓縮比是一種常見的提高氣缸壓力的方式。汽油機壓縮比一般在9～12之間，柴油機壓縮比一般在12～22之間。

英菲尼迪QX50所搭載的2.0 L可變幾何壓縮比汽油機，可使壓縮比在8～14之間任意調(diào)節(jié)，在高壓縮比14模式下運行時，可保證內(nèi)燃機有更低的燃油消耗率[8]。

馬自達創(chuàng)馳藍天技術(shù)，將汽油機和柴油機壓縮比都定為14，通過調(diào)節(jié)可變進氣門時刻，調(diào)節(jié)有效壓縮比，避免汽油機爆震[9]。

薛忠業(yè)等人通過研究發(fā)現(xiàn)，當壓縮比由9.6升高至11.5時，CA10和CA50均顯著提前，不同工況下，IMEP增加約0.02 MPa，發(fā)動機的指示熱效率上升約2%～3%[10]。

Liu H.等人通過GT-Power軟件模擬了不同壓縮比對內(nèi)燃機指示熱效率的影響，如圖7所示[4]。圖中，Mc及Mr分別表示對流傳熱系數(shù)及輻射傳熱系數(shù)。Mc0/Mr0表示絕熱工況、Mc1.2/Mr1表示與內(nèi)燃機臺架試驗相匹配的實際內(nèi)燃機工況。

圖7 壓縮比對內(nèi)燃機指示熱效率的影響

圖7 表明，在絕熱工況下，內(nèi)燃機指示熱效率隨壓縮比的增大而增大。當壓縮比為100時，指示熱效率超過60%。在考慮實際傳熱損失工況中，隨著壓縮比的增大，內(nèi)燃機指示熱效率先增大后減小，這是由于傳熱損失會隨著壓縮比的增大而增大。

Annandhan等人通過改變傳統(tǒng)曲柄連桿機構(gòu)，設(shè)計出了一種可變膨脹比機構(gòu)。之后通過GT-Power軟件仿真計算了不同膨脹比下內(nèi)燃機實際示功圖。結(jié)果表明，增大內(nèi)燃機的膨脹比，缸內(nèi)爆發(fā)壓力和溫度降低，抑制了爆震傾向。同時，膨脹過程中對外做功增加，熱效率提高。然而，此套可變膨脹比機構(gòu)僅能在中高負荷下滿足較高的熱效率，在低負荷下，由于泵氣損失增大，熱效率降低[11]。

2）使用VVT技術(shù)。VVT機構(gòu)通過進氣門晚關(guān)降低有效壓縮比，降低壓縮氣體溫度，延長燃料滯燃期，進而促進燃料與空氣的混合[12]。借助VVT技術(shù)，可實現(xiàn)Atkinson或Miller循環(huán)，使內(nèi)燃機膨脹比大于壓縮比，從而提高熱效率。同時，可允許汽油機使用更高的壓縮比，在容易爆震的區(qū)域通過控制進氣門關(guān)閉時刻，降低有效壓縮比和爆震傾向。

Aoyag等人通過試驗研究表明，推遲進氣門關(guān)閉時刻，會降低有效壓縮比和缸內(nèi)爆發(fā)壓力；當缸內(nèi)爆發(fā)壓力限制在28 MPa，壓縮比限制在18時，可獲得的最佳有效熱效率為45.2%；當使用可變氣門正時系統(tǒng)降低有效壓縮比后，可獲得的最佳有效熱效率為46.3%，他們還指出，在單缸內(nèi)燃機中測出的有效熱效率與直列六缸內(nèi)燃機中49.7%的有效熱效率相當[13-14]。

3）增大進氣壓力。增大進氣壓力，能使內(nèi)燃機在相同的進氣時間內(nèi)獲得更多的新鮮空氣，壓燃燃燒方式下，噴射的燃料量隨之增加，內(nèi)燃機每個循環(huán)可獲得更多有用功，IMEP增加。

Wu等人通過GT-Power軟件模擬了上止點關(guān)閉時刻氣缸壓力由0.2 MPa增加至0.28 MPa時缸內(nèi)的變化情況，通過改變EGR率，將CA50控制在14°CA ATDC。結(jié)果表明，雖然較高的進氣壓力能產(chǎn)生較大的IMEP，但BMEP改變并不明顯。這是由于BMEP會隨著進氣壓力的增大而增大[15]。

黃開勝等人通過研究發(fā)現(xiàn)，進氣壓力每升高100 kPa，缸內(nèi)爆發(fā)壓力增加約 4.8～7.0 MPa[16]。

4）增大噴油壓力。隨著噴油壓力升高，燃料霧化改善，燃料與空氣混合更充分，可加快燃燒反應(yīng)速率，提高氣缸壓力。而且，在相同的噴油時刻下，增大噴油壓力，允許更多的燃料進入氣缸內(nèi)燃燒，循環(huán)有用功增加，IMEP也隨之增加。隨著噴油壓力升高，碳煙、UHC及CO排放減少。缸內(nèi)爆發(fā)壓力、燃燒效率及放熱率均有所提高，NOx和CO2排放也隨之增加[17]。

Dinesha等人在試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著噴油壓力提高，缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高，噴油壓力為22.0 MPa時，缸內(nèi)爆發(fā)壓力達到最大值6.91 MPa，放熱率峰值及有效熱效率也隨之增大，HC、CO和碳煙排放逐漸減少，NOx排放增加[18]。

Engelmayer等人在一臺中速柴油機上研究了高噴油壓力對燃燒和排放的影響。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在1 000 r/min、空燃比控制在26、噴油時刻控制在4°CA BTDC，改變噴油壓力，使發(fā)動機在全負荷2.5 MPa IMEP工況下運行。圖8為柴油機在最大負荷工況下運行時最大噴油壓力和最小噴油壓力所對應(yīng)的氣缸壓力和放熱率曲線。圖中，黑色實線代表最大噴油壓力接近300 MPa，黑色虛線代表最小噴油壓力為200 MPa。

圖8 全負荷工況下最大及最小許用噴油壓力所對應(yīng)的氣缸壓力和放熱率曲線

由圖8可以看出，隨著噴油壓力提高，缸內(nèi)爆發(fā)壓力提高，接近300 MPa的噴油壓力使缸內(nèi)爆發(fā)壓力接近25 MPa。同時，進一步提高噴油壓力，使著火時刻提前，燃燒持續(xù)期縮短，燃燒速率升高[19]。

Thongchai等人在一臺汽油壓燃式發(fā)動機中進行了試驗。選擇的燃料包括柴油（D100）、汽油中摻混5%濃度的生物柴油（GB05）等，噴油壓力為60、100 MPa，保證每循環(huán)當量比為1、噴油時刻為40°CA BTDC。圖9為使用不同燃料及噴油壓力時的氣缸壓力曲線。圖中，藍線表示柴油（D100），紅線表示汽油中摻混5%生物柴油（GB05），虛線表示噴油壓力為60 MPa，實線表示噴油壓力為100 MPa。

圖9 不同燃料及噴油壓力下的氣缸壓力曲線

圖9 表明，隨著噴油壓力升高，柴油（D100）燃料燃燒時缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高，與之前所得出的現(xiàn)象一致；而汽油摻混5%生物柴油（GB05）燃燒時缸內(nèi)爆發(fā)壓力下降且著火時刻推遲。原因可能在于，對于柴油，提高噴油壓力，改善了燃料在氣缸內(nèi)的分布情況；而對于汽油等辛烷值較高的不易自燃燃料，提高噴油壓力，會降低局部濃區(qū)的當量比，滯燃期進一步延長，著火時刻延遲。著火時刻過于滯后，會造成缸內(nèi)爆發(fā)壓力下降[20]。

5）合適的EGR率。將適量尾氣引入內(nèi)燃機循環(huán)中，能改善內(nèi)燃機的NOx排放問題。但同時，EGR率會影響燃燒反應(yīng)速率，進而影響缸內(nèi)爆發(fā)壓力。

Lattimore等人指出，在負荷為0.7 MPa IMEP和0.85 MPa IMEP時，氣缸壓力隨著EGR率的增加而增加。這是由于受到爆震的限制，在使用EGR的情況下，能通過調(diào)整點火提前角將CA50維持在一個合適的位置[21]。一般 CA50 控制在 6～10°CA ATDC，燃燒持續(xù)期不超過20～25°CA時，熱效率最高[22]。

Wu等人通過CFD模擬仿真研究表明，發(fā)動機在汽油-柴油RCCI燃燒模式下，能將負荷拓展到1.8MPa IMEP，并保證比較合理的最高壓力升高率和排放特性。隨著EGR率由35%減小到25%，缸內(nèi)爆發(fā)壓力由12 MPa增加至20 MPa，最高壓力升高率由低于1.0 MPa/°CA 增加至 5.5 MPa/°CA[15]?？梢?，對于傳統(tǒng)燃燒方式和新型燃燒方式，EGR率均是調(diào)控缸內(nèi)爆發(fā)壓力的有效手段之一。

Shi W.等人通過研究發(fā)現(xiàn)，氫氣體積分數(shù)增大，有效熱效率增加，CA50更加靠近上止點，缸內(nèi)爆發(fā)壓力和最高壓力升高率增大，NOx排放增加，HC和CO排放減少[23]。

Michal等人通過研究表明，在低轉(zhuǎn)速中等負荷工況下，平均有效壓力隨氫氣含量的增加而下降；最大轉(zhuǎn)速中等負荷工況下，變化趨勢相反；缸內(nèi)爆發(fā)壓力隨著氫氣含量的增加而增大[24]。

Liu J.等人在試驗中觀察到，氫氣能量比分別為0%、10.4%、16.2%時，缸內(nèi)爆發(fā)壓力分別為1.76、2.25、2.41 MPa[25]。

Yu X.等人在GDI發(fā)動機上的研究表明，氫氣能量比為10%時，缸內(nèi)平均有效壓力和熱效率分別增加10%和4%～4.5%，缸內(nèi)爆發(fā)壓力由3.87 MPa增加到4.72 MPa[26]。

醇類燃料一般具有較高的辛烷值，能延長燃料的滯燃期，在缸內(nèi)溫度、壓力控制得當?shù)那闆r下，能提高燃燒定容度，提高內(nèi)燃機熱效率。同時，由于較長的滯燃期及分子中含氧，醇類燃料能降低內(nèi)燃機的碳煙排放。

Wang Z.等人使用進氣道噴射和缸內(nèi)直噴相結(jié)合的方法研究了醇類燃料對汽油機燃燒和排放的影響。試驗使用汽油和甲醇等2種燃料，結(jié)果表明，缸內(nèi)直噴汽油模式下，缸內(nèi)爆發(fā)壓力為6.08 MPa，最高壓力升高率為0.286 MPa/°CA；缸內(nèi)直噴甲醇模式下，缸內(nèi)爆發(fā)壓力為6.49 MPa，最高壓力升高率為0.294 MPa/°CA。汽油-醇類噴射模式能獲得更高的BMEP和熱效率，這是由于將醇類燃料直接噴入氣缸中，能更好地利用醇類燃料較高的汽化潛熱。在所有噴射模式下，汽油-甲醇模式能獲得最好的抗爆震性能及最高的熱效率[27]。

Shi L.等人通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著混合燃料中DME能量比例提高，IMEP增大，缸內(nèi)爆發(fā)壓力升高，CA0～CA10及CA10～CA90均減小，循環(huán)變動系數(shù)減小，排氣溫度降低，HC排放降低，CO和NOx排放升高[28]。

ThanhSa等人的模擬結(jié)果表明，在壓縮行程中向缸內(nèi)噴水，會降低缸內(nèi)溫度和壓力，因此會減少壓縮功，提高內(nèi)燃機的熱效率，但缸內(nèi)爆發(fā)壓力會上升。這是由于水在高溫下轉(zhuǎn)化為蒸汽，其膨脹功使得缸內(nèi)爆發(fā)壓力上升，改善了內(nèi)燃機性能[29]。

可以看到，隨著N增大，dθ會逐漸變小，意味著我們選取的微元電流的長度也會越來越小，最后我們將兩個圓環(huán)都拆分成了許多微小的直線微元電流。整個亥姆霍茲線圈在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度矢量就等于所有微元電流在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的矢量求和：

Caton等人將鉑作為燃料催化劑后發(fā)現(xiàn)，在壓縮行程和膨脹行程中，氣缸壓力會有所升高[30]。

3 新型燃燒方式下氣缸壓力的發(fā)展

內(nèi)燃機新型燃燒方式一直是內(nèi)燃機研究的前沿和熱點課題，內(nèi)燃機新型燃燒方式的技術(shù)瓶頸之一是氣缸壓力或壓力升高率過高，導(dǎo)致新型燃燒方式只能在部分負荷下運行，無法實現(xiàn)全負荷工況運行。因此，在現(xiàn)有發(fā)動機技術(shù)和材料強度下，新型燃燒方式的研究主要是通過不同的控制策略抑制過高的氣缸壓力和壓力升高率的同時，不斷拓展發(fā)動機運行范圍。

均質(zhì)充量壓燃技術(shù)（HCCI）最早于20世紀70年代由Onishi[31]在二沖程內(nèi)燃機中提出，并被Najt等人[32]在1983年應(yīng)用于四沖程內(nèi)燃機中。HCCI是介于傳統(tǒng)壓燃和火花點燃之間的一種新型低溫燃燒方式，它能有效降低NOx和soot排放，并具有與柴油機相當甚至更高的熱效率。但由于HCCI存在著火時刻控制困難、低負荷難以壓燃、高負荷拓展困難等問題，使得HCCI沒有被推廣應(yīng)用。之后，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，混合氣的濃度分層能改善HCCI諸多問題。因此，在21世紀初，在HCCI基礎(chǔ)上衍生出柴油低溫燃燒（柴油LTC）、柴油部分預(yù)混燃燒（柴油PPC）、部分預(yù)混充量壓燃（PCCI/PPCI）等低溫燃燒方式。這些燃燒方式與HCCI顯著的不同是在缸內(nèi)主動控制混合氣濃度分層，實現(xiàn)可控的壓燃燃燒過程。但在大負荷工況下引入過量EGR，會使油耗增加，同時碳煙排放增加。通常，最大負荷能夠達到0.8～1.5 MPa IMEP[33]。

2006年，Kalghatgi等人將汽油類燃料用于壓燃式內(nèi)燃機中，提出了汽油部分預(yù)混燃燒（汽油PPC）的概念。結(jié)果表明，使用汽油類燃料，最大負荷拓展至1.595 MPa IMEP，缸內(nèi)爆發(fā)壓力為12 MPa；而在相同條件下使用柴油類燃料，負荷最大只能達到0.65 MPa IMEP[34]。也就是說，在這種分層壓燃燃燒里面，引入了燃料特性的控制來調(diào)控燃燒反應(yīng)歷程。

Zhang Y.等人在一臺重型柴油機中使用E85/柴油混合燃料，將負荷拓展至了1.9 MPa BMEP[35]。

Liu Haifeng等人在一臺6缸重型柴油機上實現(xiàn)了汽油壓燃即汽油PPC全負荷運行，熱效率最高達到44%[36]。目前，汽油燃料發(fā)動機的最高熱效率為41%～42%[37]，44%的熱效率是目前見諸報道的最高汽油燃料發(fā)動機熱效率。盡管通過多次噴射策略可抑制過高的壓力升高率，但汽油PPC的壓力升高率還是高于傳統(tǒng)汽油點燃發(fā)動機。

Kokjohn等人針對內(nèi)燃機不同工況使用不同活性燃料，提出了燃料活性控制燃燒方式（RCCI），進一步拓展了新型燃燒方式的運行負荷范圍[38]。

Lim等人的模擬結(jié)果表明，在RCCI燃燒模式中使用高壓縮比，可以將負荷拓展至2.1MPagrossIMEP，優(yōu)化噴油策略后，內(nèi)燃機缸內(nèi)爆發(fā)壓力為15.8 MPa；隨著第1次噴入缸內(nèi)異辛烷量的增加，內(nèi)燃機的燃燒噪聲明顯減小[39]。

Nieman等人采用甲烷作為低辛烷值燃料，同時應(yīng)用推遲第2階段噴射時刻的噴油策略，證明了內(nèi)燃機負荷能被拓展至2.2 MPa IMEP[40]。

Tong L.等人通過研究發(fā)現(xiàn)，RCCI模式中，單次噴射策略下，汽油/PODE混合燃料運行工況的最大負荷能拓展至1.76 MPa IMEP。同時，能維持碳煙的超低排放和適當?shù)臒嵝始白罡邏毫ι呗省６?柴油混合燃料在優(yōu)化后的雙噴射策略下，最大負荷僅能拓展至1.39 MPa IMEP[41]。

Benajes等人通過不同RCCI燃燒控制策略，實現(xiàn)了內(nèi)燃機負荷的進一步拓展，如圖10所示。

在低負荷工況（＜0.8 MPa IMEP），可使用完全預(yù)混RCCI燃燒控制策略，能實現(xiàn)較低的NOx和soot排放。在中高負荷（0.8～1.5 MPa IMEP），則需要使用高比例預(yù)混RCCI燃燒控制策略，將缸內(nèi)第2次噴油時刻推遲至近上止點附近，以降低爆震傾向。能滿足EURO VI排放法規(guī)規(guī)定的NOx排放，但soot排放增加。在大負荷工況（1.5～2.0 MPa IMEP），則需要使用雙燃料擴散燃燒控制策略，缸內(nèi)直噴時刻推遲至上止點附近，以降低過高的壓力升高率，但NOx和soot排放都將增加[42]。

表2為新型燃燒方式下氣缸壓力的進展。

圖10 不同負荷下RCCI燃燒控制策略

表2 新型燃燒方式下氣缸壓力的進展

4 總結(jié)與展望

研究內(nèi)燃機氣缸壓力情況，能幫助研究人員確定內(nèi)燃機安全穩(wěn)定運行工況，為實現(xiàn)更高的熱功轉(zhuǎn)化效率提供技術(shù)指導(dǎo)路線。通過總結(jié)歸納氣缸壓力的研究進展以及提高內(nèi)燃機氣缸壓力的技術(shù)措施，結(jié)合新型燃燒方式下氣缸壓力的發(fā)展，得到以下主要研究進展和趨勢：

1）目前，試驗研究的內(nèi)燃機缸內(nèi)爆發(fā)壓力達到36.5 MPa，平均有效壓力達到4.0～5.0 MPa，無論是試驗還是模擬，均表明，進一步提高氣缸壓力，對熱功轉(zhuǎn)換效率的進一步提高有限。主要是受內(nèi)燃機不完全燃燒、傳熱損失、機械負荷及熱負荷等原因限制。

2）提高內(nèi)燃機氣缸壓力的技術(shù)手段通常包括提高壓縮比、使用可變氣門機構(gòu)、增大進氣壓力、增大噴油壓力、合適的EGR率以及改變?nèi)剂咸匦缘?。這些技術(shù)將被綜合應(yīng)用來調(diào)控缸內(nèi)爆發(fā)壓力，避免高缸內(nèi)爆發(fā)壓力條件下內(nèi)燃機發(fā)生爆震、工作粗暴等不正常燃燒現(xiàn)象。

3）目前，提高氣缸壓力的燃燒方式主要聚焦于傳統(tǒng)的汽油點燃或柴油壓燃。未來先進的新型燃燒方式如PPC和RCCI等，如果在耐高缸內(nèi)爆發(fā)壓力的高強化內(nèi)燃機上應(yīng)用，有望在拓展高效清潔燃燒運行工況范圍的同時，進一步通過降低燃燒溫度、提高燃燒定容度等措施提高內(nèi)燃機熱效率。相關(guān)研究是未來發(fā)展方向。此外，未來高強化內(nèi)燃機如果能承受更大的缸內(nèi)爆發(fā)壓力，那么氣缸內(nèi)溫度和壓力等熱力學(xué)狀況將發(fā)生改變。不同燃料特性對燃燒過程的影響規(guī)律也是未來研究的重要方向之一。