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先进内燃机燃烧及燃烧控制技术 苏万华 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 提要新一代内燃机燃烧理论和技术的核I心是燃烧过程的协同控制。本文介绍 新一代内燃机燃烧理论的科学和社会背景，通过作者的研究_T-作介绍先进内燃机燃 烧及燃烧控制研究的趋势和现状。 l问题的提出 20世纪70年代以来，随着发达国家排放法规和油耗法规的实施，内燃机技术取得了飞 速发展。与70年代相比，内燃机热效率和有害排放得到明显的改善。理论上已经证明，传统 火花点燃式内燃机和喷雾压燃式内燃机发展到今天，分别在热效率和有害排放控制上达到了 极限。 汽油机属于预混合均质燃烧，借助电火花点燃。由于爆震等诸多因素的限制，压缩比低， 热效率低，且产生大量NOx和不完全燃烧产物。另外由于汽油机需要用节气门控制进气量， 部分负荷时的泵气损失很大，因此机械效率低。由于热效率低和机械效率低，汽油机的能量 利用率比压燃式柴油机低20％一30％。 柴油机属于燃料喷雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使混合气自 燃着火。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气混合的严重不均匀，混合气分为高温 过浓区和高温火焰区。在高温过浓区，由于缺氧的氛围在其中生成大量碳烟，其中一部分碳 烟在随后与氧接触的过程中被氧化烧掉。但燃烧的同时会伴随着NOx的生成。由于这种喷雾 压燃方式的缺陷，柴油机的碳烟和NOx排放也存在极限。 为了突破传统燃烧方式的热效率和排放极限，必须采用新的燃烧方式，其基本要点是： 均质预混合，压燃，低温火焰。这是现代内燃机燃烧理论的核心思想。实现这一思想的基本 理论是“燃烧边界条件与燃料化学的协同控制理论”，简单地说即“燃烧的精细控制”。 2新一代内燃机燃烧理论研究的必威体育精装版进展 国外的进展和发展概况： 近几年来国外著名研究机构都在积极开展新一代内燃机燃烧控制理论和控制技术的研 究，人们首先想到的是稀薄、预混燃烧方式，其中美国西南研究院的“柴油机燃烧均质充量 14 特邀论文 压燃燃烧过程”(HCCI)、日本交通安全研究院提出的“均匀充量柴油机燃烧过程”(HCDC)、 日本新ACE研究院则提出“预混稀燃柴油机燃烧过程”(PRIDlC)，通过采用很大的喷油 提前角实现稀薄预混合，但很难控制燃烧始点。最近又提出了多级喷射柴油机燃烧过程 (MULDIC)。其中HCCI燃烧过程的研究在近1～2年内取得了很大进展，在汽油机基础E 发展起来的HCCI燃烧过程主要的科学问题是燃料自燃着火的控制和燃烧反应动力学的控 制。英国Brunel大学的学者赵华教授提出了一种可控自燃着火理论(CAI)，非常成功地在 汽油机基础上实现了均质压燃着火燃烧过程(HCCI)，NOx排放只有几个ppm，比原机减 概念是在柴油机上成功的实例。2001年提出的第二代MK燃烧系统可在日本15工况法工况 内实现HCCI运行，生成极低的NOx排放。但受到柴油的燃料化学性质限制，在高负荷工况 尚不能实现HCCI运行，目前正为扩大负荷适应性而开展深入的研究工作，包括进行超临界 环境、超高压喷射条件下燃料喷雾特性的研究。 国内柴油机燃烧及燃烧控制研究的概况： f在实验发动机上实现超低排放燃烧 1)发展新的高压共轨技术，提出了通过多脉冲喷射形成预混合气的新方法 本项目在一套能够灵活控制喷油规律的高压共轨系统(FIRCRI)基础上开发了多脉冲燃 油喷射控制系统。控制系统产生如图1所示信号驱动高压共轨喷油器喷油。该信号由多脉冲 部分和主喷射组成。各喷射间隔、脉冲喷射宽度、主喷射宽度、脉冲喷射提前角及主喷射提 前角均可灵活调节。 多脉冲复合喷射控制技术就是在柴油机压缩冲程早期，利用大提前角、多次、窄脉宽喷 劓形成预混合气。从预混合气控制角度要求： 利用单次脉冲喷射宽度来限制油束贯穿度，确保燃油不会附着在汽缸上。 脉冲喷射间隔应保证各次喷射独立，同时后次喷射应能对前次产生扰动，促进均质混合 气形成。 图I 多脉冲复合喷射控制信号 fIj基于多脉冲喷射控制实现了可控预混均质压燃燃烧。 均质充量压燃着火(HCCI)过程是同时大幅度降低NOx和微粒排放，实现未来内燃机 超低排放燃烧过程的潜在技术途径。但是由于柴油本身的特点，在实现HCCI燃烧过程时与 气体燃