將汽油以柴油的壓燃方式點著有多難

在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車地位受到新能源汽車沖擊的大環(huán)境下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機要想具有競爭力需要追求燃燒過程的極致。目前，傳統(tǒng)的燃燒方式為汽油點燃（SI）和柴油壓燃（CI）。汽油SI需要提前將汽油以化學當量比在燃燒室內(nèi)進行預混合后，再由火花塞點燃；而柴油CI則是在高壓縮比下，待活塞運行至接近上止點時實現(xiàn)燃油噴射，是一邊噴射一邊燃燒的擴散燃燒。無論汽油SI還是柴油CI都會產(chǎn)生較高的氮氧，但不同的是汽油SI可采用三效催化器同時去除排氣中的氮氧、碳氫和一氧化碳；而柴油CI產(chǎn)生的氮氧和碳煙顆粒則需要付出較大的代價去除。另一方面，汽油SI雖然燃燒較為清潔，但卻遠遠達不到柴油CI那樣高的熱效率。那么，是否存在一種既清潔、熱效率又高的燃燒方式呢？有關這一問題的探索，最著名的是均質(zhì)充量壓燃（HCCI）燃燒，即以均勻混合的汽油作為燃料，以CI的方式進行著火。1.汽油壓燃的困境將汽油這種燃點高的燃料CI需要很高的初始溫度；而要想燃燒過程不產(chǎn)生氮氧化合物，則需要很低的燃燒溫度。因此，HCCI燃燒往往需要很大比例的高溫殘余廢氣參與，在加熱初始混合氣的同時對其進行稀釋，以限制燃燒溫度。

而高溫殘余廢氣的參與意味著HCCI燃燒的負荷會受到很大程度的限制：

負荷較高時，殘余廢氣不足可能導致初始溫度不夠而失火，或稀釋效果下降造成排氣中的氮氧以及壓升率過高；負荷極低時，燃燒溫度過低可能導致殘余廢氣的熱量不足以實現(xiàn)汽油壓燃（GCI），從而造成失火。

針對高負荷存在的問題，目前研究中多采用推遲噴射、多次噴射、冷廢氣再循環(huán)、進氣增壓等策略；針對低負荷存在的失火問題，目前研究中多采用進氣增加、進氣加熱、負氣門重疊（NVO）、燃油分層、燃油活性添加劑等策略。但是，若考慮發(fā)動機怠速的情況，進氣增壓和進氣加熱顯然難以實施；NVO幾乎也是GCI或HCCI發(fā)動機實現(xiàn)低負荷燃燒的標配；燃油活性添加劑會給實際使用增加額外的負擔，同時還可能會對高負荷的工作帶來不良影響。因此，如何實現(xiàn)穩(wěn)定的GCI發(fā)動機的怠速燃燒是一個仍待研究的課題。此外，在完全沒有熱機的情況下，如何快速地實現(xiàn)GCI發(fā)動機的著火也是一個尚未解決的問題。有學者提出，既然直接冷機著火困難，那么先按傳統(tǒng)的汽油SI熱機，再切換到GCI即可實現(xiàn)穩(wěn)定著火。但是，若想采用汽油SI，那就需要為發(fā)動機增加火花塞、點火線圈、節(jié)氣門等部件，并且在燃燒模式切換時需要保障氣門型線、節(jié)氣門位置、點火時刻、燃油噴射的協(xié)同。僅僅為了實現(xiàn)冷機啟動而付出如此大的代價并不值得。2.實驗中的NVO策略要想實現(xiàn)冷機著火，首先需要實現(xiàn)在常溫常壓下的穩(wěn)定燃燒，即在進氣溫度、壓力、冷卻液溫度為環(huán)境狀態(tài)下實現(xiàn)穩(wěn)定著火，并通過該狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒來實現(xiàn)發(fā)動機的熱機。

為實現(xiàn)所述狀態(tài)下的冷機著火，本研究對三種噴油策略開展了研究：NVO策略（即在負氣門重疊期間噴油），HCCI策略（即在進氣開始時噴油，獲得均質(zhì)燃油），PPC策略（即在壓縮行程噴油，實現(xiàn)適當?shù)娜加头謱樱?

實驗中的噴油策略與氣門的相對關系在進氣溫度、壓力保持環(huán)境狀態(tài)，冷卻液溫度為65°C時，三種噴油策略在低負荷下均可保持穩(wěn)定燃燒；但當冷卻液溫度降低至常溫25°C時，HCCI和PPC策略均出現(xiàn)了失火的燃燒循環(huán)，唯獨NVO策略還能保持穩(wěn)定燃燒，其原因是NVO策略改變了燃燒室內(nèi)燃油的活性和成分。

不同噴油策略和冷卻液溫度條件下最大壓力和相應曲柄角的分布NVO策略使得燃油在高溫殘余廢氣的作用下發(fā)生了低溫反應，從而在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生了大量的高活性小分子，如H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、CH2O等。這些高活性小分子大大提高了燃料的著火特性，對穩(wěn)定燃燒相位、提升穩(wěn)定性有巨大的作用。然而，NVO策略對于發(fā)動機的功率輸出具有負面作用：其在負氣門重疊期間噴入的燃料參與的化學反應增加了散熱損失，同時，提前的燃燒相位對功率輸出也有不利的影響。NVO策略適合提升發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，可用于發(fā)動機的冷機怠速工況，但不利于功率輸出。在選擇最適合冷機啟動的噴油策略后，研究人員進一步探索了實現(xiàn)冷機啟動的策略。結(jié)果表明，在進氣、冷卻液均為常溫的條件下，不采用額外的輔助措施無法實現(xiàn)GCI發(fā)動機著火。因此，本研究采用最為常見的進氣加熱輔助著火。當進氣溫度增加至55°C時，可在4個循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)冷機的穩(wěn)定著火。這一啟動速度在實際使用中也較為可觀。?

采用NOV策略時，GCI發(fā)動機點火實驗中的進氣預熱對平均有效壓力及燃燒質(zhì)量為50%時曲柄角軌跡的改變。冷卻液溫度：25°C；燃料供應：12毫克每循環(huán)。在冷機啟動的第一個著火循環(huán)中，存在輕微的壓力震蕩，在隨后的燃燒循環(huán)中，壓力震蕩逐漸消失。在整個啟動過程中都存在負氣門重疊，即從著火到穩(wěn)定的過程伴隨著殘余廢氣從0到逐漸趨于穩(wěn)定的過程，因此才存在壓力震蕩逐漸減小的趨勢。從第5個燃燒循環(huán)開始，燃燒過程達到穩(wěn)定，在進氣加熱的輔助下，整個冷機啟動過程完成，在移除進氣加熱的輔助后，保持穩(wěn)定燃燒。本研究通過將負氣門重疊、負氣門噴油和進