汽油压燃丨将汽油以柴油的压燃方式点着有多难？

来源：中国工程院院刊

在传统内燃机汽车地位受到新能源汽车冲击的大环境下，传统内燃机要想具有竞争力需要追求燃烧过程的极致。

目前，传统的燃烧方式为汽油点燃（SI）和柴油压燃（CI）。

汽油SI需要提前将汽油以化学当量比在燃烧室内进行预混合后，再由火花塞点燃；而柴油CI则是在高压缩比下，待活塞运行至接近上止点时实现燃油喷射，是一边喷射一边燃烧的扩散燃烧。

无论汽油SI还是柴油CI都会产生较高的氮氧，但不同的是汽油SI可采用三效催化器同时去除排气中的氮氧、碳氢和一氧化碳；而柴油CI产生的氮氧和碳烟颗粒则需要付出较大的代价去除。另一方面，汽油SI虽然燃烧较为清洁，但却远远达不到柴油CI那样高的热效率。

那么，是否存在一种既清洁、热效率又高的燃烧方式呢？

有关这一问题的探索，最著名的是均质充量压燃（HCCI）燃烧，即以均匀混合的汽油作为燃料，以CI的方式进行着火。

1.

汽油压燃的困境

将汽油这种燃点高的燃料CI需要很高的初始温度；而要想燃烧过程不产生氮氧化合物，则需要很低的燃烧温度。因此，HCCI燃烧往往需要很大比例的高温残余废气参与，在加热初始混合气的同时对其进行稀释，以限制燃烧温度。

而高温残余废气的参与意味着HCCI燃烧的负荷会受到很大程度的限制：

负荷较高时，残余废气不足可能导致初始温度不够而失火，或稀释效果下降造成排气中的氮氧以及压升率过高；负荷极低时，燃烧温度过低可能导致残余废气的热量不足以实现汽油压燃（GCI），从而造成失火。

针对高负荷存在的问题，目前研究中多采用推迟喷射、多次喷射、冷废气再循环、进气增压等策略；针对低负荷存在的失火问题，目前研究中多采用进气增加、进气加热、负气门重叠（NVO）、燃油分层、燃油活性添加剂等策略。

但是，若考虑发动机怠速的情况，进气增压和进气加热显然难以实施；NVO几乎也是GCI或HCCI发动机实现低负荷燃烧的标配；燃油活性添加剂会给实际使用增加额外的负担，同时还可能会对高负荷的工作带来不良影响。

因此，如何实现稳定的GCI发动机的怠速燃烧是一个仍待研究的课题。此外，在完全没有热机的情况下，如何快速地实现GCI发动机的着火也是一个尚未解决的问题。

有学者提出，既然直接冷机着火困难，那么先按传统的汽油SI热机，再切换到GCI即可实现稳定着火。

但是，若想采用汽油SI，那就需要为发动机增加火花塞、点火线圈、节气门等部件，并且在燃烧模式切换时需要保障气门型线、节气门位置、点火时刻、燃油喷射的协同。仅仅为了实现冷机启动而付出如此大的代价并不值得。

2.

实验中的NVO策略

要想实现冷机着火，首先需要实现在常温常压下的稳定燃烧，即在进气温度、压力、冷却液温度为环境状态下实现稳定着火，并通过该状态下的稳定燃烧来实现发动机的热机。

为实现所述状态下的冷机着火，本研究对三种喷油策略开展了研究：NVO策略（即在负气门重叠期间喷油），HCCI策略（即在进气开始时喷油，获得均质燃油），PPC策略（即在压缩行程喷油，实现适当的燃油分层）。

☝  实验中的喷油策略与气门的相对关系

在进气温度、压力保持环境状态，冷却液温度为65°C时，三种喷油策略在低负荷下均可保持稳定燃烧；但当冷却液温度降低至常温25°C时，HCCI和PPC策略均出现了失火的燃烧循环，唯独NVO策略还能保持稳定燃烧，其原因是NVO策略改变了燃烧室内燃油的活性和成分。

☝  不同喷油策略和冷却液温度条件下

最大压力和相应曲柄角的分布

NVO策略使得燃油在高温残余废气的作用下发生了低温反应，从而在燃烧室内产生了大量的高活性小分子，如H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、CH2O等。这些高活性小分子大大提高了燃料的着火特性，对稳定燃烧相位、提升稳定性有巨大的作用。

然而，NVO策略对于发动机的功率输出具有负面作用：其在负气门重叠期间喷入的燃料参与的化学反应增加了散热损失，同时，提前的燃烧相位对功率输出也有不利的影响。

NVO策略适合提升发动机的燃烧稳定性，可用于发动机的冷机怠速工况，但不利于功率输出。

在选择最适合冷机启动的喷油策略后，研究人员进一步探索了实现冷机启动的策略。结果表明，在进气、冷却液均为常温的条件下，不采用额外的辅助措施无法实现GCI发动机着火。因此，本研究采用最为常见的进气加热辅助着火。当进气温度增加至55°C时，可在4个循环内实现冷机的稳定着火。这一启动速度在实际使用中也较为可观。

☝  采用NOV策略时，GCI发动机点火实验中的进气预热对平均有效压力及燃烧质量为50%时曲柄角轨迹的改变。

冷却液温度：25°C；燃料供应：12毫克每循环。

在冷机启动的第一个着火循环中，存在轻微的压力震荡，在随后的燃烧循环中，压力震荡逐渐消失。

在整个启动过程中都存在负气门重叠，即从着火到稳定的过程伴随着残余废气从0到逐渐趋于稳定的过程，因此才存在压力震荡逐渐减小的趋势。

从第5个燃烧循环开始，燃烧过程达到稳定，在进气加热的辅助下，整个冷机启动过程完成，在移除进气加热的辅助后，保持稳定燃烧。

本研究通过将负气门重叠、负气门喷油和进气加热策略相结合实现了GCI的冷机启动策略，从而实现了快速冷机启动。

☝  采用NOV策略时，GCI发动机点火过程中前几个燃烧循环的压力和过滤压力。

进气温度：55°C；冷却液温度：25°C；燃料供应：12毫克每循环。

☟ 改编原文

Zhou L, Hua L, Wei H, Han Y. An Experimental Investigation on Low Load Combustion Stability and Cold-Firing Capacity of a Gasoline Compression Ignition Engine [J]. Engineering, https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.12.010