阿葱葱葱，前上海交通大学赛车队技术负责人，美国石溪大学内燃机相关专业在读博士，研究领域主要包括先进内燃机和动力总成。
这次来说说「均质压燃Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI」。
HCCI其实并不是一个特别新的技术。这项技术应该很早就有人提出了，有些人叫他它CAI、Controlled Auto-Ignition、可控的自发点火……正式被叫作HCCI是在1989年。
在HCCI发动机里，燃料和空气是完全预混合的，并且混合气是稀薄的，进气道喷射，一般不用直喷。混合气在缸内压缩，压缩时缸内混合气的温度和压力都会迅速上升，到某个临界点以后，混合气会自发点火（autoignition）。因为缸内混合气是均匀的，缸内气体温度也几乎一样，所以自发点火会迅速在缸内各处发生，快速完成燃烧。气体的自发点火时刻和燃烧速率，由混合气的热力学和化学动力学决定，没有任何外界因素可以直接控制它们。
理论上HCCI可以烧任何燃料，但主流研究的燃料为汽油、天然气、醇类。这类燃料辛烷值都很高，有利于提高压缩比。
我先用两句话说清楚HCCI高效率低排放的原因，然后再慢慢解释——
HCCI高效率的主要原因有： 接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失；
HCCI低排放的主要原因有： 均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。
HCCI的高速燃烧
首先可以确定的是，在相同压缩比下，理想奥拓循环能够实现最大的热效率。再来看一看下面这张 p-V 图，从1-2这是一瞬间的发生的，因为活塞不会停留在某一个位置。也就是说，如果在上止点瞬间完成燃烧，发动机热效率最大。如果燃烧过早，那么在压缩气体时会需要做多余的功，如果燃烧过晚，那么高温气体有一部分能量没有被充分利用。
图片来源：https://www.wiley.com/college/moran/CL_0471465704_S/user/tutorials/tutorial9/tut9c_content.html
所以在上止点附近快速完成燃烧，热效率最高，而HCCI就有这样的特性。那么为什么HCCI燃烧快呢？
我再解释一下SI发动机是如何进行火焰传播的。做一个简单的假设：假设汽油空气的混合气在1100 K以上，会自发燃烧，而1100 K以下不会。下面手画了一张示意图，火花塞在左侧，火焰从左至右传播。在SI发动机里，压缩过程中气体温度很低，决不会接近1100 K，假设只有800 K。在图a中，左侧的火花塞点火，燃烧开始。燃烧放热会提高局部温度，达到2500 K，高温火焰会提高右侧局部气体的温度，到达着火点，开始燃烧，火焰就这么传播下去了。但是，远处未燃烧的气体温度还是很低，所以并不会自己烧起来。燃烧过程中，气体会膨胀，压缩那些没有燃烧的气体，所以，未燃气体的温度会略有上升，如图b所示，比如到了900 K，但还是低于自发点火温度1100 K，直到燃烧完成。特殊情况下，如果可燃混合气温度在燃烧前温度已经很高，比如有900 K，在火焰传播的过程中，未燃气体的温度有可能被压缩至自发点火温度1100 K以上，那么这些未燃气体会瞬间点火，一起燃烧，这就发生了end gas knocking。
所以，SI的燃烧需要局部的火焰（正在燃烧的气体）和未燃烧气体混合，让局部未燃气体温度提高到自发点火温度之上，才能燃烧。燃烧速度取决于局部气体混合的速度，这相对比较慢。
但HCCI不是这样。在HCCI发动机里，缸内的气体温度都在1100 K附近，有些气体温度高一点点，有些气体温度低一点点。温度最高的气体先燃烧，放出一些热量，这个时候，那些温度只是低一点点的气体温度就高于1100 K了，所以也开始燃烧。这个过程非常快。举一个极端的例子，如果缸内气体的温度，正好都是1100 K，那么一瞬间，所有的气体都会自发点火，并且完成燃烧——这个时候就会和理想奥拓循环一模一样。但实际情况下，因为气缸壁是冷的，气体会有不同的温度，所以点火时间略有先后，因为偏冷的气体只要热一点点，就能烧起来了，所以HCCI燃烧速度但仍然远快于SI。下面放一张在光学发动机缸内拍摄的气体温度分布的照片，冷和热的地方是随机分布的。热的点烧了，周围一点点的也很快就烧起来了，而不是像SI那样，从中心向外传播的。
John Dec, SAE, 2009-01-0650
高压缩比
压缩比越高当然热效率越高，HCCI一般会比SI压缩比高很多。这有两个原因：一是SI要保证气体不会自发点火，而HCCI要保证气体能自发点火，自然HCCI的压缩比更高；另外，HCCI的混合气一般是稀薄的 ，那么可以想象，让稀薄气体自发燃烧的温度压力要求更高，所以HCCI可以用更高的压缩比。实际上HCCI压缩比提到16并不是很罕见的事情。
低温燃烧
HCCI和它的衍生技术其实经常被称作低温燃烧（Low Temperature Combustion，LTC），因为它们的共同特点是燃烧温度很低——SI往往燃烧温度可以达到2500 K，HCCI一般在1900 K以下。
前面说的快速燃烧和高压缩比，主要是可以提高效率，对排放影响不是很大。而这里说的低温燃烧，对效率、排放影响都很大。
说到这里，有人会问，我之前有一篇文章说卡诺效率，不是高温热源温度越高，热效率上限越高吗？是的，没错，如果高温热源温度是2500 K，卡诺效率是88%。但如果高温热源是1700 K，卡诺效率还有82%。都远远高于奥托循环的热效率上限。因此，热力学第二定律在这里不是特别的重要。事实上，很多时候提高“热力学第二定律效率”和提高“热力学第一定律效率”是矛盾的，而提高第一定律效率更有意义，也更实际。
降低燃烧温度，最大的优点就是，缸内温度低了，散热损失少了。理想奥托循环假设缸内绝热，也就是没有散热损失。所以散热损失越小，热效率越接近理想奥托循环。
另外，降低燃烧温度还能有效降低NOx排放。下面这张图，是一张非常非常有名的图，你如果看懂这张图了，那说明你对HCCI的理解入门了——
图片来源：https://www.enginelabs.com/news/video-hcci-future-internal-combustion-engine/
我来仔细解释一下：纵坐标是空燃比，不同地方的空燃比定义不一样，在这张图里，空燃比小于1的时候是稀薄的，空燃比大于1的时候是浓的。Soot排放是碳烟，很明显，soot只会在浓混合气、温度不高不低的情况下产生。而柴油机燃烧路径正好完美穿过有soot排放的岛，所以柴油机的soot排放很要命。NOx会在高温富氧的情况下产生，所以SI和CI发动机都会产生NOx。那么，如果使用低温燃烧，把缸内温度控制在2000 K以下，NOx排放就可以完全忽略不计。当然了，温度也不能太低，1450 K有一个CO-CO2的临界转化温度，所以温度太低也不好，燃烧会不完全，从而降低燃烧效率，提高CO排放。
稀薄、均匀的混合气
从效率角度来说： 首先要均匀的混合气才能实现HCCI。其次，适当稀薄的混合气可以让燃烧更完全，这可以提高发动机效率。另外，我在之前的文章中提到奥拓循环的公式的时候都说不要去管的参数
吗？现在我要说了，这个叫绝热系数，或者比热容比：
这个值一般介于1.3和1.4之间，如果压缩比是15，那么
在1.3和1.4时，理想奥拓循环的效率分别是56%和66%，差别还是挺大的。所以，这个值越大越好。那么怎么让它更大？用稀薄混合气，让燃烧温度更低。（比热容比
\\gamma 变化规律背后的物理意义，需要一个统计热力学甚至懂量子力学的物理大佬来解释，我不是很清楚。）
从排放角度来说： 稀薄均匀的混合气可以避免soot排放。也可以避免局部高温产生的NOx。
限制HCCI应用的两大原因——
·HCCI燃烧时刻难以控制
很好理解，柴油机由喷油时刻来控制燃烧，不喷油就不烧，不可能喷了还不烧。汽油机由点火时刻来控制燃烧，不点火就不烧，但点火了一定烧（因为实际点火能量一般远大所需求的最低能量）。HCCI呢？进气道喷完，听天由命。混合气的自动点火对于温度是很敏感的，不同进气温度下怎么保证燃烧时刻一样？冷启动的时候怎么办？这都是问题。但说实话，尽管很麻烦，我认为控制问题还是能解决的，关键在于第二点。
·HCCI工作区间窄
HCCI由于燃烧太快，所以混合气其实并不能很浓，也就是说，稀薄混合气对于HCCI来说是必须的。这导致了同样排量的HCCI发动机，功率可能只有SI发动机的一半不到。看下面这张图，左边的BMEP可以认为是扭矩，大的框是SI，小的框是HCCI，如果发动机只能运行在小框里，显然不能给车车辆用，扭矩转速都不够。但下面这张图也可以看到，在低负荷，HCCI的优势巨大，主要是SI低负荷的泵气损失让其热效率极低。
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.
为了解决这个问题，有几个方案。一是用混动，用高功率电机+电池来解决一些短暂的高功率需求。二是做SI-HCCI双模的发动机，因为在高负荷情况下，SI的效率其实可以接受，两田已经做到45%了，一般的HCCI热效率其实也就45-55%。但是，双模就有一个问题，HCCI压缩比高，怎么办？当然，有很多种解决方案，但都比较麻烦，以后有机会再讲。
所以，所有的HCCI衍生技术都是为了解决这两个问题诞生的，各个技术各有优缺点。以后也可以分别详细讲一讲。
总结：
前面两句话重复一遍，记住这两句话就行了——
HCCI高效率的主要原因有：接近理想奥拓循环的高速近等容燃烧、高压缩比、低温燃烧、稀薄混合气、没有泵气损失。
HCCI低排放的主要原因有：均匀稀薄的预混合气和低温燃烧。
文｜阿葱葱葱
图｜阿葱葱葱 网络及相关截图
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