03.31 詳解均質壓燃HCCI：內燃機的未來就靠它了？

阿蔥蔥蔥，前上海交通大學賽車隊技術負責人，美國石溪大學內燃機相關專業在讀博士，研究領域主要包括先進內燃機和動力總成。

這次來說說「均質壓燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。

HCCI其實並不是一個特別新的技術。這項技術應該很早就有人提出了，有些人叫他它CAI、Controlled Auto-Ignition、可控的自發點火……正式被叫作HCCI是在1989年。

在HCCI發動機裡，燃料和空氣是完全預混合的，並且混合氣是稀薄的，進氣道噴射，一般不用直噴。混合氣在缸內壓縮，壓縮時缸內混合氣的溫度和壓力都會迅速上升，到某個臨界點以後，混合氣會自發點火（autoignition）。因為缸內混合氣是均勻的，缸內氣體溫度也幾乎一樣，所以自發點火會迅速在缸內各處發生，快速完成燃燒。氣體的自發點火時刻和燃燒速率，由混合氣的熱力學和化學動力學決定，沒有任何外界因素可以直接控制它們。

理論上HCCI可以燒任何燃料，但主流研究的燃料為汽油、天然氣、醇類。這類燃料辛烷值都很高，有利於提高壓縮比。

我先用兩句話說清楚HCCI高效率低排放的原因，然後再慢慢解釋——

HCCI高效率的主要原因有： 接近理想奧拓循環的高速近等容燃燒、高壓縮比、低溫燃燒、稀薄混合氣、沒有泵氣損失；

HCCI低排放的主要原因有： 均勻稀薄的預混合氣和低溫燃燒。

HCCI的高速燃燒

首先可以確定的是，在相同壓縮比下，理想奧拓循環能夠實現最大的熱效率。再來看一看下面這張 p-V 圖，從1-2這是一瞬間的發生的，因為活塞不會停留在某一個位置。也就是說，如果在上止點瞬間完成燃燒，發動機熱效率最大。如果燃燒過早，那麼在壓縮氣體時會需要做多餘的功，如果燃燒過晚，那麼高溫氣體有一部分能量沒有被充分利用。

圖片來源：https://www.wiley.com/college/moran/CL_0471465704_S/user/tutorials/tutorial9/tut9c_content.html

所以在上止點附近快速完成燃燒，熱效率最高，而HCCI就有這樣的特性。那麼為什麼HCCI燃燒快呢？

我再解釋一下SI發動機是如何進行火焰傳播的。做一個簡單的假設：假設汽油空氣的混合氣在1100 K以上，會自發燃燒，而1100 K以下不會。下面手畫了一張示意圖，火花塞在左側，火焰從左至右傳播。在SI發動機裡，壓縮過程中氣體溫度很低，決不會接近1100 K，假設只有800 K。在圖a中，左側的火花塞點火，燃燒開始。燃燒放熱會提高局部溫度，達到2500 K，高溫火焰會提高右側局部氣體的溫度，到達著火點，開始燃燒，火焰就這麼傳播下去了。但是，遠處未燃燒的氣體溫度還是很低，所以並不會自己燒起來。燃燒過程中，氣體會膨脹，壓縮那些沒有燃燒的氣體，所以，未燃氣體的溫度會略有上升，如圖b所示，比如到了900 K，但還是低於自發點火溫度1100 K，直到燃燒完成。特殊情況下，如果可燃混合氣溫度在燃燒前溫度已經很高，比如有900 K，在火焰傳播的過程中，未燃氣體的溫度有可能被壓縮至自發點火溫度1100 K以上，那麼這些未燃氣體會瞬間點火，一起燃燒，這就發生了end gas knocking。

所以，SI的燃燒需要局部的火焰（正在燃燒的氣體）和未燃燒氣體混合，讓局部未燃氣體溫度提高到自發點火溫度之上，才能燃燒。燃燒速度取決於局部氣體混合的速度，這相對比較慢。

但HCCI不是這樣。在HCCI發動機裡，缸內的氣體溫度都在1100 K附近，有些氣體溫度高一點點，有些氣體溫度低一點點。溫度最高的氣體先燃燒，放出一些熱量，這個時候，那些溫度只是低一點點的氣體溫度就高於1100 K了，所以也開始燃燒。這個過程非常快。舉一個極端的例子，如果缸內氣體的溫度，正好都是1100 K，那麼一瞬間，所有的氣體都會自發點火，並且完成燃燒——這個時候就會和理想奧拓循環一模一樣。但實際情況下，因為氣缸壁是冷的，氣體會有不同的溫度，所以點火時間略有先後，因為偏冷的氣體只要熱一點點，就能燒起來了，所以HCCI燃燒速度但仍然遠快於SI。下面放一張在光學發動機缸內拍攝的氣體溫度分佈的照片，冷和熱的地方是隨機分佈的。熱的點燒了，周圍一點點的也很快就燒起來了，而不是像SI那樣，從中心向外傳播的。

高壓縮比

壓縮比越高當然熱效率越高，HCCI一般會比SI壓縮比高很多。這有兩個原因：一是SI要保證氣體不會自發點火，而HCCI要保證氣體能自發點火，自然HCCI的壓縮比更高；另外，HCCI的混合氣一般是稀薄的

，那麼可以想象，讓稀薄氣體自發燃燒的溫度壓力要求更高，所以HCCI可以用更高的壓縮比。實際上HCCI壓縮比提到16並不是很罕見的事情。

低溫燃燒

HCCI和它的衍生技術其實經常被稱作低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC），因為它們的共同特點是燃燒溫度很低——SI往往燃燒溫度可以達到2500 K，HCCI一般在1900 K以下。

前面說的快速燃燒和高壓縮比，主要是可以提高效率，對排放影響不是很大。而這裡說的低溫燃燒，對效率、排放影響都很大。

說到這裡，有人會問，我之前有一篇文章說卡諾效率，不是高溫熱源溫度越高，熱效率上限越高嗎？是的，沒錯，如果高溫熱源溫度是2500 K，卡諾效率是88%。但如果高溫熱源是1700 K，卡諾效率還有82%。都遠遠高於奧托循環的熱效率上限。因此，熱力學第二定律在這裡不是特別的重要。事實上，很多時候提高“熱力學第二定律效率”和提高“熱力學第一定律效率”是矛盾的，而提高第一定律效率更有意義，也更實際。

降低燃燒溫度，最大的優點就是，缸內溫度低了，散熱損失少了。理想奧托循環假設缸內絕熱，也就是沒有散熱損失。所以散熱損失越小，熱效率越接近理想奧托循環。

另外，降低燃燒溫度還能有效降低NOx排放。下面這張圖，是一張非常非常有名的圖，你如果看懂這張圖了，那說明你對HCCI的理解入門了——

圖片來源：https://www.enginelabs.com/news/video-hcci-future-internal-combustion-engine/

我來仔細解釋一下：縱座標是空燃比，不同地方的空燃比定義不一樣，在這張圖裡，空燃比小於1的時候是稀薄的，空燃比大於1的時候是濃的。Soot排放是碳煙，很明顯，soot只會在濃混合氣、溫度不高不低的情況下產生。而柴油機燃燒路徑正好完美穿過有soot排放的島，所以柴油機的soot排放很要命。NOx會在高溫富氧的情況下產生，所以SI和CI發動機都會產生NOx。那麼，如果使用低溫燃燒，把缸內溫度控制在2000 K以下，NOx排放就可以完全忽略不計。當然了，溫度也不能太低，1450 K有一個CO-CO2的臨界轉化溫度，所以溫度太低也不好，燃燒會不完全，從而降低燃燒效率，提高CO排放。

稀薄、均勻的混合氣

從效率角度來說： 首先要均勻的混合氣才能實現HCCI。其次，適當稀薄的混合氣可以讓燃燒更完全，這可以提高發動機效率。另外，我在之前的文章中提到奧拓循環的公式的時候都說不要去管的參數

嗎？現在我要說了，這個叫絕熱係數，或者比熱容比：

這個值一般介於1.3和1.4之間，如果壓縮比是15，那麼

在1.3和1.4時，理想奧拓循環的效率分別是56%和66%，差別還是挺大的。所以，這個值越大越好。那麼怎麼讓它更大？用稀薄混合氣，讓燃燒溫度更低。（比熱容比

\\gamma 變化規律背後的物理意義，需要一個統計熱力學甚至懂量子力學的物理大佬來解釋，我不是很清楚。）

從排放角度來說： 稀薄均勻的混合氣可以避免soot排放。也可以避免局部高溫產生的NOx。

限制HCCI應用的兩大原因——

·HCCI燃燒時刻難以控制

很好理解，柴油機由噴油時刻來控制燃燒，不噴油就不燒，不可能噴了還不燒。汽油機由點火時刻來控制燃燒，不點火就不燒，但點火了一定燒（因為實際點火能量一般遠大所需求的最低能量）。HCCI呢？進氣道噴完，聽天由命。混合氣的自動點火對於溫度是很敏感的，不同進氣溫度下怎麼保證燃燒時刻一樣？冷啟動的時候怎麼辦？這都是問題。但說實話，儘管很麻煩，我認為控制問題還是能解決的，關鍵在於第二點。

·HCCI工作區間窄

HCCI由於燃燒太快，所以混合氣其實並不能很濃，也就是說，稀薄混合氣對於HCCI來說是必須的。這導致了同樣排量的HCCI發動機，功率可能只有SI發動機的一半不到。看下面這張圖，左邊的BMEP可以認為是扭矩，大的框是SI，小的框是HCCI，如果發動機只能運行在小框裡，顯然不能給車車輛用，扭矩轉速都不夠。但下面這張圖也可以看到，在低負荷，HCCI的優勢巨大，主要是SI低負荷的泵氣損失讓其熱效率極低。

Lawler BJ, Filipi ZS. Integration of a Dual-Mode SI-HCCI Engine Into Various Vehicle Architectures. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. 2013;135(5):052802-052802-8. doi:10.1115/1.4022990.

為了解決這個問題，有幾個方案。一是用混動，用高功率電機+電池來解決一些短暫的高功率需求。二是做SI-HCCI雙模的發動機，因為在高負荷情況下，SI的效率其實可以接受，兩田已經做到45%了，一般的HCCI熱效率其實也就45-55%。但是，雙模就有一個問題，HCCI壓縮比高，怎麼辦？當然，有很多種解決方案，但都比較麻煩，以後有機會再講。

所以，所有的HCCI衍生技術都是為了解決這兩個問題誕生的，各個技術各有優缺點。以後也可以分別詳細講一講。

總結：

前面兩句話重複一遍，記住這兩句話就行了——

HCCI高效率的主要原因有：接近理想奧拓循環的高速近等容燃燒、高壓縮比、低溫燃燒、稀薄混合氣、沒有泵氣損失。

HCCI低排放的主要原因有：均勻稀薄的預混合氣和低溫燃燒。

文｜阿蔥蔥蔥

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