均質壓燃

均質壓燃(英文:Homogeneous charge compression ignition,縮寫為 HCCI)是一種內燃機的工作方式,這種內燃機把燃料和氧化劑充分混合壓縮,達到自燃點。如同其他燃燒,均質壓燃通過放熱反應將化學能轉化為功和熱。

簡介

均質壓燃的汽油發動機可以將燃油效率達到柴油發動機的水平,同時在不使用催化轉換器的情況下保持低的氮氧化物NO排放標準。碳氫化合物(未燃燒的燃料和油)和一氧化碳排放物仍需要處理以符合汽車排放控制法規。

傳統的汽油發動機結合了混合進氣和火星點火(英文縮寫為 HCSI)。柴油發動機結合了分層進氣和壓縮點火(英文縮寫為 SCCI)。均質壓燃結合了傳統汽油發動機和柴油發動機的特點;與 HCSI一樣在進氣衝程期間注入燃料;但均質壓燃不會使用放電火星去點燃一部分混合物,而是以壓縮提高溫度,直到整個混合油氣自發反應。分層進氣壓縮點火也依賴於由壓縮高壓引發的高溫,但它會在壓縮衝程中稍後注射燃油。燃燒發生在燃料和空氣的邊界,會產生更多廢氣排放,但允許更精細和更高的壓縮燃燒,產生更高的效率。

HCCI結合了傳統汽油發動機和柴油發動機的特點。汽油發動機結合了均質充量(HC)和火花點火(SI),縮寫為HCSI。柴油發動機結合了分層充氣(SC)和壓縮點火(CI),縮寫為SCCI。

與HCSI一樣,HCCI在進氣衝程期間噴射燃料。然而,HCCI不是使用放電(火花)來點燃一部分混合物,而是通過壓縮提高密度和溫度,直到整個混合物自發反應。

分層充氣壓縮點火也依賴於由壓縮引起的溫度和密度增加。但是,它會在壓縮衝程中稍後噴射燃油。燃燒發生在燃料和空氣的邊界,產生更高的排放,但允許更精簡和更高的壓縮燃燒,從而產生更高的效率。

HCCI需要微處理器控制和理解點火過程。HCCI設計實現類似柴油發動機效率的汽油發動機排放。

沒有催化轉換器,HCCI發動機實現極低的氮氧化物排放量(NOx)。碳氫化合物(未燃燒的燃料和油)和一氧化碳排放物仍需要處理以符合汽車排放控制法規。

最近的研究表明,結合不同反應性(如汽油和柴油)的混合燃料可以幫助控制HCCI點火和燃燒速率。RCCI或反應性控制壓縮點火已被證明可在寬負載和速度範圍內提供高效,低排放的操作。這種HCCI系統可以在自由活塞式發動機的幫助下高效運行。

歷史

HCCI發動機有著悠久的歷史,儘管HCCI還沒有像火花點火或柴油噴射那樣廣泛實施。它基本上是一個奧托燃燒循環。HCCI在使用電子火花點火之前很流行。一個例子是使用熱蒸發室幫助混合燃料和空氣的熱球引擎。與壓縮相結合的額外熱量引起了燃燒的條件。另一個例子是“柴油”模型飛機發動機。

操作方法

當反應物的濃度和溫度足夠高時,燃料和空氣的混合物被點燃。濃度和/或溫度可以以幾種不同的方式增加:

•提高壓縮比

•感應氣體的預熱

•強迫歸納

•保留或重新導入廢氣

一旦點燃,燃燒就會很快發生。當自燃過早發生或化學能過多時,燃燒過快,缸內壓力過高會破壞發動機。由於這個原因,HCCI通常在稀薄的整體燃料混合物中運行。

優點

•由於HCCI發動機屬於貧油燃料,因此它們可以在類似柴油的壓縮比(> 15)下運行,從而比傳統SI汽油發動機的效率高出30%。

•燃料和空氣的均勻混合導致更清潔的燃燒和更低的排放。由於峰值溫度明顯低於典型的SI發動機,因此NOx水平幾乎可以忽略不計。此外,該技術不會產生菸灰。

•HCCI發動機可以使用汽油,柴油和大多數替代燃料。

•HCCI避免了油門損失,進一步提高了效率。

缺點

•實現冷啟動能力。

•高熱釋放和壓力上升率有助於發動機磨損。

•自燃很難控制,與SI和柴油發動機中的點火事件不同,後者分別由火花塞和缸內燃料噴射器控制。

•HCCI發動機的功率範圍很小,在低負載情況下受到燃油限制和缸內壓力限制導致的高負載的限制。

•一氧化碳(CO)和碳氫化合物(HC)預催化劑排放量分別高於典型火花點火發動機,這是由不完全氧化(由於快速燃燒事件和低缸內溫度)和陷阱裂縫氣體引起的。

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