「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

最近又看到一則舊聞。之前本田的F1負責人說"我確定不僅奔馳車隊和法拉利車隊用了HCCI,也聽說雷諾車隊有用HCCI。"然後說"我們本田也覺得HCCI非常有用,做到什麼程度不能透露,不過稀薄壓燃技術肯定有應用。"加上最近對馬自達SKYACTIV-X的SPCCI比較關注,稍微調查了一下。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

2017年F1宣佈了最大壓縮比不能超過18的比賽規則,也就是說這之前2016年有廠商提供了壓縮比超過18的發動機比賽。這種壓縮比的發動機,很容易推測採用了HCCI技術。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

HCCI是什麼? Homogeneous Charge Compression Ignition的簡稱HCCI,中文譯作"均質混合氣 壓縮燃燒"。指燃料(汽油)和空氣均勻混合,通過壓縮自點火燃燒的一種方式。均質的反義詞對應的分層燃燒(大眾FTSI),自點火反義詞對應於汽油機的火花塞點火(Spark Ignition)。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

HCCI是多麼牛B高能的技術呢?HCCI能實現極其稀薄的狀態的著火燃燒,熱效率非常高。熱效率高就是同樣的出力更加省油。

把普通發動機根本燃燒不了的稀薄混合氣,混合均勻使用高壓縮比壓縮,溫度達到700℃以上自發燃燒。由於是多點自點火,火焰傳播擴散的時間非常短,瞬時燃燒壓力巨大。

F1在11000rpm附近達到供油量的設計界限,而且賽事也規定油箱最多允許105公斤的燃油且賽中不允許加油。所以F1引擎對油耗也有一定要求,在這種情況下不增加噴油只增加吸入的新鮮空氣是一個好的選擇。利用渦輪增壓,不斷泵入新鮮空氣,然後壓燃,這些多餘泵入的空氣首先作為膨脹的基礎增量。加上HCCI燃燒迅速的優勢,在上止點附近快速完成燃燒,熱效率最高。

對於量產發動機為什麼HCCI還有一個好處,不僅實現稀薄燃燒燃油利用率高,由於燃燒溫度低。 HCCI一般在1900 K以下(SI往往燃燒溫度可以達到2500 K),NOx(氮氧化物)和PM(顆粒物)的排放也很低。所以量產車如果應用HCCI,不僅有燃油經濟性的利益,尾氣處理也有較大好處。下面這張圖是空燃比,燃燒溫度,排放物的三角關係,搞內燃機的就是在這張圖裡打轉轉。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

其實在1900年左右HCCI研究就非常火熱,但是研究了1950年之前開始熱度降低。因為有幾個問題一直解決不了,在中負荷能穩定燃燒的設計,但到了低負荷燃燒不穩定(失火misfire),到了高負荷又容易發生敲缸(knock)。因為HCCI本身也是不點火就燃燒(屬於一種可控敲缸)與敲缸本身相近,無法對敲缸進行控制被敲缸損壞發動機的情況無法避免。所以發動機只能在一個比較窄的工況內穩定工作,負荷高低都不行,滿足不了實用的需求。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

再說回F1,F1發動機如果全域採用HCCI也面臨這HCCI穩定工作區域狹窄的問題。本田提到到一種HLSI(Homogeneous Lean Spark Ignition)技術,原理和SPCCI類似通過火花塞周邊的小範圍點火燃燒來控制其他區域的壓縮力,擴展HCCI的工作區域。對於高負荷如何避免敲缸問題,沒有看到相關詳細的論述。本田沒有在2020年之前量產HLSI發動機的計劃。

「技術雜談」F1發動機與HCCI技術

在量產車上第一個應用HCCI技術的引擎應該是2020年上市的馬自達SKYACTIV-X了。一個沒有在F1玩過HCCI的廠商,命名SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition),在HCCI燃燒不成立的負荷區域採用了SI燃燒。但是對於爆震,油品,環境溫度等等還沒經過市場批量的考驗,期待上市之後的表現。


分享到:


相關文章: