RCCI燃烧技术研究文档格式.docx

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杨小龙

2015年10月日

摘要

在环境问题日益严重的今天，汽车排放的净化处理技术显得愈加重要。

以现有的后处理技术，虽然可以使排放数值达到标准，但是其后续的费用、复杂的结构、昂贵的原料使得排放性和经济性无法得到平衡。

本文旨在解决过分依赖后处理来提高排放所引出的问题，通过优化缸内燃烧过程，运用RCCI技术降低排放、减轻后处理负担，最大限度的平衡经济性和排放性的国四柴油机技术的匹配。

RCCI（ReactivityControlledCompressionIgnition）是比较新的一种低温预混合燃烧并且可以实现燃烧相位可控的均质稀燃技术，本文通过进气道喷射汽油进行预混合，在缸内直喷直喷柴油后压燃混合气，通过两种燃油质量比的改变控制燃烧相位，达到小负荷不熄火、高负荷不粗暴的目的，同时有着较高的热效率。

为了进一步净化CO和HC的排放污染，搭配催化氧化技术（DOC）的RCCI内燃机，可以在原有极低的NOx和soot排放的基础上达到四种排放物数值同时降低到国四标准以下的程度，并且有望实现对于燃烧效率和排放性能的平衡。

关键词：

国四排放标准，RCCI，DOC，PFI，DI

1、引言

1.1课题背景及目的和意义

环境与发展是世界各国普遍关注的焦点问题，发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的生存条件。

因此，保护人类赖以生存的环境成为世界共同关心的问题。

汽车污染是环境污染的主要途径，为了人类的可持续发展，防治汽车污染已经成了刻不容缓的全球性问题，这就需要我们共同努力在科技创新、节能减排等方面来防治汽车污染。

汽车作为人们日常生活中不可或缺的部分，其造成的排放对于环境的影响愈加严重[1]。

世界各国对于汽车排放的法规颁布随着技术的发展日趋严格，排放性能的要求对于汽车的研发环节的影响也同样占据了越来越重的比例。

相比于汽油机，柴油机的良好的热效率和经济性，以及很低的CO和HC排放，受到厂商和研发机构的青睐。

然而，传统CDC柴油机存在一个难以解决的问题——NOx和soot碳烟的排放无法降低。

原因在于，高温富氧促进了NOx的生成，而为了减少NOx排放而降低燃烧温度的做法，又减少了对soot的氧化，从而增加了soot的排放。

因为传统CDC柴油机缸内燃烧以扩散燃烧为主，这种矛盾很难解决，只能通过改变燃烧机理，利用新的燃烧方式来尝试解决。

1.2国内排放法规现状

目前地方政府的措施已取得了一些成效，据统计，从2000年到2010年，在中国机动车保有量总量翻3倍多的情况下，污染物排放量仅增加了0.3倍，各项污染物均实现50%以上的消减，采取的控制措施累计减少了3800万吨氮氧化物、4450万吨碳氢化合物、2.387亿吨一氧化碳和700万吨颗粒物的排放。

轻型柴油车国四标准于2005年颁布，规定从2011年7月1日起，全部正在制造和已经售出的轻型汽车，必须符合国四污染物排放标准。

然而，由于尚未出台国四车用燃油标准，仍然无法保证符合标准的车用燃油全国范围内的及时供应，决定将国四标准施行日期推延至2013年7月1日[2]。

2013年7月1日，国四限定实施日期即将到来前，部分整车企业得到消息，由于SCR后处理技术所需要的尿素供应仍然无法确保供应，因此，相关国家部门将国四排放标准实施日期再次推迟。

同时，自2013年7月1日起，国三排放的车型将不再允许上工信部公告。

事实上，很多大型柴油机厂商早都已经开始基于国四标准提前进行产能和技术建设。

其中，上柴2011年募投项目中就包括中轻型柴油机的开发制等以国四标准为目标的产品项目。

总体来讲，虽然轻型柴油机的国四标准一再推迟，但由于国家对于轻型汽车的排放管理十分严格，多数市场上的产品都已经达到甚至超出国四标准。

因此，生产轻型柴油机的厂商受到标准推迟的影响微乎其微。

另外，从环保的角度来说，柴油机的未来市场前景依旧良好，在各大厂商的充分准备下，其市场占有率提升的态势很难受到影响，其改进技术的发展会保持其地位在相当长一段时间内不被动摇。

2、论点

2.1RCCI技术背景

近年来研究的低温预混合燃烧包括：

均质充量压缩着火燃烧（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）、伞型喷雾燃烧、MK燃烧（ModulatedKinetics）、三喷油器多段燃烧（multiplestagedieselcombustion，MULDIC）、均质充量—喷雾复合燃烧（HomogeneousChargeDieselCombustion，HCDC）、多脉冲喷射HCCI燃烧、以及低温燃烧（LowTemperatureCombustion，LTC）。

然而，这些新技术的提出与实验，依旧无法大规模投入市场的使用，原因在于基于压燃技术特点的低温预混合无法控制燃烧相位，同时还有着负荷适应性较差、HC和CO排放较高等等问题。

其中，燃烧相位的控制是较为重要的，因为如果燃烧相位失控，工作粗暴、效率下降等一系列问题会接踵而至。

RCCI（ReactivityControlCompressionIgnition）应运而生，成为现有方案中较为有效的可以实现可控低温预混合燃烧的技术。

2.2RCCI与其他燃烧方式特点的对比

图2.1不同燃烧方式所处区域示意图

由于传统CDC柴油机为压燃的点火方式，在喷油过程中，混合气浓度在燃烧室内分布极不均匀，混合气浓度大的地方在喷油结束前已经达到着火点并开始燃烧。

因此，尽管总体上柴油机燃烧室内过量空气系数较高，但是局部混合气浓度往往非常高，理论当量比的混合气也非常多，导致混合气浓度范畴横跨了NOx和soot排放的高发区域。

汽油机缸内燃烧混合气当量比为1左右的燃烧方式决定了它只穿过NOx的高发区，但是soot排放相对较低。

均质充量Y（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）

HCCI燃烧是低当量比、均匀混合气（稀薄均质混合气）的燃烧，既避免了NOx高发区，又不在soot的高发区，因此这两种排放物均达到极低的水平。

但是，HCCI燃烧相位不可控，并且燃烧范围非常窄的缺陷对于其应用前景有着较大影响。

预混合压燃（PremixedCharge 

Compression 

Ignition，PCCI）

PCCI燃烧的混合气浓度略高于HCCI，均匀程度低于HCCI，但也能够同时避开两种排放的高发区，因此其排放相对于传统方式同样要好得多，但略高于HCCI燃烧。

从燃烧基本特征来看，RCCI属于低温预混合燃烧的类型。

研究表明，RCCI燃烧可以实现排放性能大幅度提升，而且除了氧化催化器外，不需要任何其他后处理设施的条件下，就能实现美国EPA2010排放标准，同时具有高达53％的热效率。

可以看出上述其它诸如HCCI，PCCI等低温预混合燃烧虽然可以同时将NO，与soot排放降低到非常低的值，但是期望达到产品能够运用的程度，还远远不够。

表2.1RCCI燃烧与其他低温预混合燃烧特点的对比

RCCI燃烧

其他低温预混合燃烧

可以实现燃烧相位的控制

无法实现燃烧相位控制

预混合气制备快而且均匀

较难实现着火前形成相对均匀混合气

负荷适应性相对较好

负荷适应性差

HC和CO排放偏高

低温预混若要成为成熟的能够运用到市场上的技术，仍需解决一些问题。

其一，由于预混燃烧采用压燃，对于混合气着火时刻提前和燃烧起始的控制是重中之重，稍不注意，会导致缸内压力过高，工作粗暴等问题；

其二，当发动机处于高负荷工况时，对于工作粗暴的倾向会更加严重，而低负荷时又有熄火的倾向的问题；

其三，预混合气的均匀而快速的制备，是对于较为优秀的燃烧的一个重要条件；

其四，混合气无法避免地进入缝隙区域而导致的CO、HC排放较高的问题同样亟待解决。

上述问题，是基于缸内燃烧优化排放思路的重点，亦是难点所在，是打开这扇大门的钥匙，值得科研人员投入力量去解决的。

这四个问题中，燃烧相位的控制以及混合气制备是较为重要的。

众所周知，柴油机的燃烧相位依靠喷油时刻来控制，汽油机的燃烧相位依靠火花塞点火时刻来控制，而低温预混合燃烧的燃烧相位则由混合气性质、温度和压力共同决定。

研究表明，汽油的良好的挥发性决定了其预混合气可以通过进气道喷射得到很好的制备，但是由于其低十六烷值的较差的着火性能，因此低负荷时的燃烧性能很差，有熄火的倾向。

而正相反的是，柴油的高十六烷值决定了其良好的着火性能，但也导致了随着负荷增加随之带来的对于燃烧相位的失控。

对于柴油机的PCCI燃烧，使用EGR来控制高负荷下的燃烧相位，但是，高EGR对于氧气浓度的限制同样影响了高负荷工况的燃烧情况，因此，这种方法只能说是个暂时的思路，却无法彻底解决燃烧相位的问题。

研究表明，当使用十六烷值27、压缩比12的燃油燃烧时，均质充量压缩着火燃烧可以运行1.6MPa的BMEP，比传统柴油高出60%的运行负荷。

因此，理想的低温预混合燃烧对于不同工况适用不同性质的燃油：

低负荷需要大扭矩，此时燃油需要高十六烷值的良好着火性能，高负荷需要低爆震，此时燃油需要低十六烷值的燃烧平稳。

基于这一特点，为了扩展低温预混合燃烧对于不同工况的适应性，决定采用双燃油系统双燃料的低温预混合燃烧，RCCI技术应运而生。

3、论据

3.1实现方式

基于传统柴油机模型，我们加装了PFI燃油系统，通过调整两套燃油系统分别的喷油量、喷油速率、喷油提前角、喷油压力以及进排气的开闭时刻等参数，使得整个模型实现较高的排放性与燃油效率的目的。

可以看到，双燃油系统的RCCI燃烧，由进气道喷射燃油系统PFI和缸内直喷燃油系统DI构成。

PFI喷油器喷射低十六烷的易挥发性燃油：

如甲醇、汽油等，可以在着火前在进气道内充分混合为均匀混合气。

而DI喷油器喷射高十六烷值着火性好的燃料进入缸内，随后对均匀混合气进行压燃。

不同扭矩负荷的不同工况下，我们通过调节两套燃油系统的喷油比例来调节缸内混合燃料的综合当量十六烷值，从而达到调节燃烧相位的目的。

3.2RCCI技术的特点

虽然RCCI燃烧为双燃烧系统，但是都是采用现有汽油机的燃油系统和柴油机的燃油系统，从研发角度来看，不需要过多投入，只需要进行改装和参数匹配即可。

进气道喷射的喷油压力较低，约0.4MPa，成本低，结构简单，而缸内直喷的喷油器所需喷油压力采用传统高压共轨的柴油机燃油系统常用压力即可，100MPa就能满足使用。

研究表明，在不采用除DOC以外任何后处理的情况下，仍可以做到非常高的排放性能，因此，总的来说，即便是两套燃油系统，RCCI的总体成本并不是很高。

正如上文提到的，RCCI燃烧由于其双燃烧系统的设计，无法通过喷射时刻控制燃烧相位，同样由于缺少点火装置，无法利用点火时刻来控制。

其燃烧相位由压力、温度以及当量比等混合气特性综合决定。

可以看出，RCCI燃烧是一种以低温预混燃烧相位可控为目的的新型低温预混合燃烧。

放热率和燃烧汽缸压力随两种燃料不同配比的变化而变化。

随着柴油增加，PFI喷油减少，DI喷射的配比增加导致总体反应活性增加，使燃烧初始位置时刻提前。

由此可得，RCCI燃烧可以通过调节两种燃料不同比例来控制燃烧相位，是其不同于其他预混燃烧的独特优势，而正是由于其有控制燃烧相位的能力，相对于现有预混合燃烧的区域，RCCI的实现区域要宽得多，即在低负荷熄火倾向弱，高负荷爆震倾向弱。

图2.2RCCI与传统柴油机燃烧的传热损失以及缸内燃烧温度比较

如图所示，RCCI燃烧的温度场较为均匀，最高温度相对较低，而整体的平均温度却不低，而传统柴油机的最高温度很高，而且距离缸壁较近，造成较大的传热损失，但是整体平均温度略低于RCCI。

造成这个现象的原因是，RCCI燃烧有着更为均匀的工质混合，而传统柴油机的工质混合相当不均匀，且当量比分层范围较大。

正是由于均匀的特质，虽然RCCI燃烧效率相对略低，但是整体热效率要略高于传统柴油机。

对于排放的问题，虽然RCCI解决了NOx和soot的排放问题，但是对于HC和CO的控制却并不是那么到位。

原因是，进气道喷射的混合气进入缸内像是活塞与缸套的间隙之类的狭缝区域，火焰传播无法触及，进而造成这一部分的混合气燃烧达不到完全，所以相对于传统柴油机而言，RCCI的CO和HC要来的比较高，同时还影响了RCCI的燃烧效率。

由于是低温预混合燃烧，其燃烧温度较低，进而导致排气温度同样略低于传统柴油机，因此，对于后处理的氧化催化器DOC的低温处理性能能提出了更高的要求。

图2.3RCCI燃烧与传统柴油机CDC排气温度对比

同时，RCCI存在的另一个大问题就是高负荷下的燃烧不稳定。

尽管中低负荷时的RCCI可以在缺少EGR的情况下就实现NOx和soot的超低排放，并且不失较高的热效率和平稳的工作状况。

可是当负荷逐渐增加，又要保持较好的排放性能，那么PFI喷油所占据比例势必增加，进而导致混合气压缩燃烧时发生类似于汽油机爆震的状况，压力升高率急剧上升、压力波动加剧，燃烧粗暴而不稳定。

3.3RCCI燃烧的喷油策略

双燃油系统的RCCI燃烧，其燃烧特性必然由各自的喷射策略共同决定，并且相互影响。

研究表明，进气道喷射的喷射正时对与发动机的性能影响较小，因此PFI喷射持续的区间从进气门开启后几乎同时开始，在上止点前200°

结束。

然而，缸内直喷射的时刻和次数则很大程度上影响了整机的性能。

RCCI燃烧的缸内直喷的喷射时间与传统柴油机不同，需要较早的喷油提前才有较好的排放性。

研究表明，单次或多次喷射的喷射区间基本都在上止点前200°

左右结束。

而对于RCCI燃烧的缸内直喷的喷射次数来说，目前的缸内直喷基本上采用1-3次喷射，低负荷采用一次喷射即可，高负荷则可以采用更多喷射次数以维持排放性能。

对于两套燃油系统的喷射量而言，PFI喷油器的喷油量通常占据总喷油量的70％左右，当负荷增加，PFI的占比会升高，以达到降低NOx与soot排放的目的。

甚至比例能够达到90％以上，但是随之而来的问题是，压力升高率会随之增加，气缸有爆燃的倾向和危险。

而DI喷油器的喷射量，目的仅仅是为了两者混合气能够在压缩时得到燃烧，起到引燃混合气的目的。

但是这种考虑两者的喷油量时，还要实现对于燃烧相位的控制，并保证较低的排放。

而对于两套燃油系统的喷射压力，PFl喷油器只需0.5MPa的低压喷射就能够满足充分混合的要求，而DI喷油器的喷射压力则可以选用低于传统柴油机高压共轨系统的压力数值，一般在50-100MPa可以满足使用。

3.4RCCI燃烧控制策略

RCCI燃烧控制策略由进气状态参数、喷油控制策略、EGR率等控制策略构成。

低负荷时：

对RCCI燃烧控制比较容易，即便无EGR作用也可实现NOx与soot的超低排放，并且工况较为平稳，低噪声。

高速、高负荷时：

RCCI燃烧则容易出现爆燃，、进气温度、压力、EGR率等参数对于发动机性能的影响较为敏感。

负荷的增加要求PFI喷油器喷射量随之增加。

但是，这会引起压力升高率暴增，从而导致工作会粗暴，有爆燃倾向，因此造成了PFI喷油器喷油量与工作粗暴的矛盾。

此时，通过EGR率的匹配是解决这个矛盾的有效方法。

研究表明，大负荷（IMEP大于1．7MPa）时，PFI喷油量占比80％左右，不能太高、否则燃烧粗暴。

DI分3次喷射，最后一次在上止点附近，需要一定的EGR率（50％左右）。

总体上，RCCI燃烧高负荷运行时，其喷油策略、压力、温度、EGR率等参数都需要精细控制，及时调整与反馈，才能使RCCI燃烧达到预期燃烧效果，发动机性能与排放更加优秀。

4、结论

对于不同工况下，该匹配模型燃烧与排放的主要特点是：

A、低速低负荷（小于0.6MPa）且无EGR情况下，NOx与soot可以实现超低排放，而且可以平稳运行，噪音很低，同时在加装DOC后处理的情况下，CO和HC的净化效果显著；

B、中负荷（0.6~1.1MPa），燃烧压力升高率较高，噪声较大，四种排放物均能达到很好的净化效果；

C、高负荷（大于1.1MPa），RCCI燃烧不稳定，工作较为粗暴，工作峰值温度较高，NOx升高，而其他排放物的排放数值变化不大；

D、RCCI有着较高的燃烧效率：

基于其工质的均质特点，燃烧的温度场同样均匀，使得有着较低的最高温度，不低的平均温度。

因此，虽然RCCI相对于传统柴油机燃烧效率略低，但是总体热效率较高。

E、RCCI燃烧的HC、CO的排放较高，排气温度低，通过加装DOC，并对排气温度进行控制来解决后处理的工作效率问题；

F、燃烧相位和燃烧速率一定程度上可以得到控制。

通过改变两种燃料组分的比值可以实现相位与速率的可能控制，是RCCI所独有优点。

但是燃烧相位的控制与NOx的排放相互矛盾，在高负荷时，需要更多的高辛烷值低沸点燃料的质量比，但是这样做又会导致NOx急剧升高，工作粗暴。

这个矛盾也是亟需解决的难点。

总的来说，与现有HCCI、PCCI等低温预混燃烧技术相比，RCCI不但实现一定程度上的NOx与soot的超低排放，还实现了燃烧相位的控制，拓展了运行区间，增大了实用性。

但是，也可以清楚的看到，高负荷区域的运行状况依旧不太理想，存在工作粗暴，噪声大，NOx升高等现象。

还需要我们进一步研究进排气、燃油系统等的配合，进一步提升RCCI的实用性，为该技术大规模投入市场的应用打下基础。

参考文献

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[2]缪雪龙.RCCI新燃烧技术综述.现代车用动力[J]，2014，153，6-13

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[5]周龙保.内燃机学[M].机械工业出版社，1996.

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