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[摘 要] 本文详细分析了可控自燃的特点、研究现状及实现途径，并且以实例的方式对于可控自燃在发动机上的应用进行了详细阐述。
[关键词] 可控自燃 发动机 配气相位
1. 引言
进入二十世纪以来，我国汽车行业突飞猛进，2010年10月底我国的汽车的保有量已达27671.33万辆。汽车在消耗油气资源的同时，其释放的大量废气及产生的噪声，构成了大中城市主要的污染源，城市中90%以上的CO， 60%的HC，30% 的CO2和30%的NOx来源于汽车排放。可见，汽车未来的发展面临能源与环保两方面的挑战。欧盟制定2012年强制性的排放法规，美国已通过法律要求汽车的平均燃油消耗在2020年前下降40%。
目前，提高汽油发动机经济性能、减少排放的主要技术有缸内直接喷射、发动机小型化、无节气门技术(利用可变配气机构)、可控自燃和均质稀薄燃烧等技术，缸内直喷技术是目前欧洲最广泛采用的解决方案，其缺点是需要昂贵的尾气后处理保证其排放到达排放法规。使用可变配气机构实现无节气门控制进而实现可控自燃是很有吸引力的作法，因为其尾气后处理与传统的发动机相同，同时可控自燃是一种燃烧过程的革新，是最有前途的一种方案，对实现内燃机高效燃烧、降低排放方面有重要的研究价值，因此在近20年里一直是国内外研究的重要内容之一。
2.可控自燃的特点
传统内燃机的燃烧方式分为压燃式和点燃式两种。压燃式通过对燃料的调质控制来适应内燃机的工况变化。其燃烧过程受混合与扩散燃烧过程控制，化学反应速度远高于燃料和空气的混合与扩散速度，燃烧速度取决于混合扩散速度。燃烧过程中，混合气浓度和温度分布不均，在燃烧室的局部高温富氧区产生NOx，高温浓混合气区域产生碳粒。火花点燃式采用预混合燃烧，可燃混合气被火花点燃，火焰前锋在混合气中传播，导致燃烧室内温度分布不均，局部的高温易导致NOx的生产，同时受到爆震燃烧的限制，其压缩比不能提高，燃油消耗较高。可见在这两种燃烧中都存在着温度分布和燃烧过程不均的特点，同时提高其热效率和降低排放是很困难的。
可控自燃是一种有别于上述两种燃烧的新型燃烧方式，从20世纪末就受到世界上主要汽车公司和内燃机研究机构的重视。其特征是均质混合气压燃和低温燃烧，综合了汽油机和柴油机燃烧的优点。类似汽油机使用均质混合气，避免了柴油机燃烧的高温火焰区和燃料过浓区，降低了污染物排放。类似柴油机，使用压燃方式，提高了压缩比，降低了泵气损失，燃烧效率得到提高，这是可控自燃的一个主要的优点。试验表明，汽油机可控自燃在部分负荷下，其热效率达到并超过了目前的柴油机，但同时，由于可控自燃的低温燃烧，导致燃烧室内燃烧氧化率的降低，增加了HC和CO的排放，这可以通过后处理来解决。
3. 可控自燃的研究现状
可控自燃概念最早是由俄国科学家Nikolai semenov提出的，但大量的研究工作是从1970年后才开始的。可控自燃技术由Onishi等人在1979年成功的应用于二冲程汽油发动机。Najt和Foster在1983年利用实验发展了可控自燃的燃烧经验模型，第一次将可控自燃技术应用在四冲程汽油机。Thring在1989年研究了空燃比、EGR率、燃料类型以及压缩比对可控自燃工作范围和发动机排放的影响。Stockinger等人在1992年首先在四缸四冲程汽油机上实现了可控自燃模式，并研究了进气温度与转速和空燃比的关系，运行的负荷范围到达了点燃式发动机的34%。1999年Christensen等人使用多種燃料在不同的压缩比和进气温度下获得了可控自燃。研究发现燃烧效率与压缩比的变化趋势相反。在自然进气条件下，汽油燃料比异辛烷更难实现可控自燃。值得一提的是Pucher等人和Stanglmaier等人对可控自燃相关研究工作进行了综合评述，对已进行的工作进行了较为精辟的分析。
在2000年，Flowers等人结合实验和理论工作进行了空气稀释、进气的初始温度对可控自燃影响的研究，结果表明较低的进气温度和空气稀释相结合使燃烧延迟，降低了IMEP和NOx排放，相应的增加了HC的排放，模型预测与试验结果表现了良好的一致性，显示了包含高十六烷值和低十六烷值两种燃料的混合燃料其放热规律有双峰的特征。
同年Lavy等人发表了其初步成果，称为“4SPACE”，这是一个为了达到欧4排放标准而对可控自燃进行的全面的研究。对一台二冲程发动机进行的三维CFD分析，发现可控自燃的发生是由新鲜进气与残余废气间的混合度来进行控制的。四冲程式发动机可以通过改变气门正时、升程和持续期来实现。
在2001年，我国的史绍熙教授发表了汽车发动机燃烧技术的新进展，将可控自燃技术的最新进展进行了介绍和评论，论述了可控自燃的优点和不足，同时指出可以用增压的方式提高发动机的负荷。
总之，可控自燃已被确认为一种能同时降低发动机NOx排放和提高燃油经济性的燃烧方式。
4. 可控自燃的实现途径
实现可控自燃的主要难题是燃烧相位的控制，燃烧起始点取决于混合气的自燃特性。主要受两个方面的影响：一是混合气的自燃温度；二是混合气在压缩过程中温度和时间的关系。可见实现可控自燃的方法有如下途径，见图1所示。
图1 可控自燃的实现方式
利用可变气门机构可以方便的实现对残余废气的控制，对原发动机的改动佷小，仅需要增加相应的可变配气机构，而且控制迅速，因此得到了广泛的研究。
在2000年，由George Kontarakis等人利用汽油作为燃料，通过安装可变配气相位将一台单缸四冲程发动机改装成为无节气门，压缩比为10.3：1的可控自燃发动机。在1300-2000r/min下，实现可控自燃的稳定运行，其原理如图2所示。从此后，在这方面开展了越来越多的研究工作。研究内容丰富了其着火机理，首先在燃料不均匀性、直喷发动机的混合气形成及分层影响因素等方面进行了研究。其次研究的重点是如何拓展可控自燃的负荷范围，如采用增压技术、不同的残余废气策略以及与SI模式之间的平顺转换等。
图2 Kontarakis的可变配气示意图
可见，利用可变配气相位实现可控自燃已经取得了共识。其最大的优点是相对简单，如进行大规模的生产，也仅需要对原有的生产线进行部分改造。因此，注重对可变配气机构的研究也就显得十分重要。
参考文献：
[1] Matsuo Odaka, Hisakazu Suzuki, Noriyuki Koike et al. Search for Optimizing Control Method of Homogeneous Charge Diesel Combustion[C] . SAE Paper 1999,01-0184.
[2] YANG J,Cuip T,KENNEY T.Development of a gasoline engine system using HCCI technology-The concept and the teat results[C].SAE paper, 2002,01-2832.
[3] Flowers, D, Aceves, S, Smith, R., et al.HCCI in a CFR Engine: Experiments and Detailed Kinetic Modelling[C]. SAE Paper 2000-01-0328, 2000.
[关键词] 可控自燃 发动机 配气相位
1. 引言
进入二十世纪以来，我国汽车行业突飞猛进，2010年10月底我国的汽车的保有量已达27671.33万辆。汽车在消耗油气资源的同时，其释放的大量废气及产生的噪声，构成了大中城市主要的污染源，城市中90%以上的CO， 60%的HC，30% 的CO2和30%的NOx来源于汽车排放。可见，汽车未来的发展面临能源与环保两方面的挑战。欧盟制定2012年强制性的排放法规，美国已通过法律要求汽车的平均燃油消耗在2020年前下降40%。
目前，提高汽油发动机经济性能、减少排放的主要技术有缸内直接喷射、发动机小型化、无节气门技术(利用可变配气机构)、可控自燃和均质稀薄燃烧等技术，缸内直喷技术是目前欧洲最广泛采用的解决方案，其缺点是需要昂贵的尾气后处理保证其排放到达排放法规。使用可变配气机构实现无节气门控制进而实现可控自燃是很有吸引力的作法，因为其尾气后处理与传统的发动机相同，同时可控自燃是一种燃烧过程的革新，是最有前途的一种方案，对实现内燃机高效燃烧、降低排放方面有重要的研究价值，因此在近20年里一直是国内外研究的重要内容之一。
2.可控自燃的特点
传统内燃机的燃烧方式分为压燃式和点燃式两种。压燃式通过对燃料的调质控制来适应内燃机的工况变化。其燃烧过程受混合与扩散燃烧过程控制，化学反应速度远高于燃料和空气的混合与扩散速度，燃烧速度取决于混合扩散速度。燃烧过程中，混合气浓度和温度分布不均，在燃烧室的局部高温富氧区产生NOx，高温浓混合气区域产生碳粒。火花点燃式采用预混合燃烧，可燃混合气被火花点燃，火焰前锋在混合气中传播，导致燃烧室内温度分布不均，局部的高温易导致NOx的生产，同时受到爆震燃烧的限制，其压缩比不能提高，燃油消耗较高。可见在这两种燃烧中都存在着温度分布和燃烧过程不均的特点，同时提高其热效率和降低排放是很困难的。
可控自燃是一种有别于上述两种燃烧的新型燃烧方式，从20世纪末就受到世界上主要汽车公司和内燃机研究机构的重视。其特征是均质混合气压燃和低温燃烧，综合了汽油机和柴油机燃烧的优点。类似汽油机使用均质混合气，避免了柴油机燃烧的高温火焰区和燃料过浓区，降低了污染物排放。类似柴油机，使用压燃方式，提高了压缩比，降低了泵气损失，燃烧效率得到提高，这是可控自燃的一个主要的优点。试验表明，汽油机可控自燃在部分负荷下，其热效率达到并超过了目前的柴油机，但同时，由于可控自燃的低温燃烧，导致燃烧室内燃烧氧化率的降低，增加了HC和CO的排放，这可以通过后处理来解决。
3. 可控自燃的研究现状
可控自燃概念最早是由俄国科学家Nikolai semenov提出的，但大量的研究工作是从1970年后才开始的。可控自燃技术由Onishi等人在1979年成功的应用于二冲程汽油发动机。Najt和Foster在1983年利用实验发展了可控自燃的燃烧经验模型，第一次将可控自燃技术应用在四冲程汽油机。Thring在1989年研究了空燃比、EGR率、燃料类型以及压缩比对可控自燃工作范围和发动机排放的影响。Stockinger等人在1992年首先在四缸四冲程汽油机上实现了可控自燃模式，并研究了进气温度与转速和空燃比的关系，运行的负荷范围到达了点燃式发动机的34%。1999年Christensen等人使用多種燃料在不同的压缩比和进气温度下获得了可控自燃。研究发现燃烧效率与压缩比的变化趋势相反。在自然进气条件下，汽油燃料比异辛烷更难实现可控自燃。值得一提的是Pucher等人和Stanglmaier等人对可控自燃相关研究工作进行了综合评述，对已进行的工作进行了较为精辟的分析。
在2000年，Flowers等人结合实验和理论工作进行了空气稀释、进气的初始温度对可控自燃影响的研究，结果表明较低的进气温度和空气稀释相结合使燃烧延迟，降低了IMEP和NOx排放，相应的增加了HC的排放，模型预测与试验结果表现了良好的一致性，显示了包含高十六烷值和低十六烷值两种燃料的混合燃料其放热规律有双峰的特征。
同年Lavy等人发表了其初步成果，称为“4SPACE”，这是一个为了达到欧4排放标准而对可控自燃进行的全面的研究。对一台二冲程发动机进行的三维CFD分析，发现可控自燃的发生是由新鲜进气与残余废气间的混合度来进行控制的。四冲程式发动机可以通过改变气门正时、升程和持续期来实现。
在2001年，我国的史绍熙教授发表了汽车发动机燃烧技术的新进展，将可控自燃技术的最新进展进行了介绍和评论，论述了可控自燃的优点和不足，同时指出可以用增压的方式提高发动机的负荷。
总之，可控自燃已被确认为一种能同时降低发动机NOx排放和提高燃油经济性的燃烧方式。
4. 可控自燃的实现途径
实现可控自燃的主要难题是燃烧相位的控制，燃烧起始点取决于混合气的自燃特性。主要受两个方面的影响：一是混合气的自燃温度；二是混合气在压缩过程中温度和时间的关系。可见实现可控自燃的方法有如下途径，见图1所示。
图1 可控自燃的实现方式
利用可变气门机构可以方便的实现对残余废气的控制，对原发动机的改动佷小，仅需要增加相应的可变配气机构，而且控制迅速，因此得到了广泛的研究。
在2000年，由George Kontarakis等人利用汽油作为燃料，通过安装可变配气相位将一台单缸四冲程发动机改装成为无节气门，压缩比为10.3：1的可控自燃发动机。在1300-2000r/min下，实现可控自燃的稳定运行，其原理如图2所示。从此后，在这方面开展了越来越多的研究工作。研究内容丰富了其着火机理，首先在燃料不均匀性、直喷发动机的混合气形成及分层影响因素等方面进行了研究。其次研究的重点是如何拓展可控自燃的负荷范围，如采用增压技术、不同的残余废气策略以及与SI模式之间的平顺转换等。
图2 Kontarakis的可变配气示意图
可见，利用可变配气相位实现可控自燃已经取得了共识。其最大的优点是相对简单，如进行大规模的生产，也仅需要对原有的生产线进行部分改造。因此，注重对可变配气机构的研究也就显得十分重要。
参考文献：
[1] Matsuo Odaka, Hisakazu Suzuki, Noriyuki Koike et al. Search for Optimizing Control Method of Homogeneous Charge Diesel Combustion[C] . SAE Paper 1999,01-0184.
[2] YANG J,Cuip T,KENNEY T.Development of a gasoline engine system using HCCI technology-The concept and the teat results[C].SAE paper, 2002,01-2832.
[3] Flowers, D, Aceves, S, Smith, R., et al.HCCI in a CFR Engine: Experiments and Detailed Kinetic Modelling[C]. SAE Paper 2000-01-0328, 2000.