王昆，廖世勇，袁春，張勇

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)基礎(chǔ)研究

王昆，廖世勇，袁春，張勇

(重慶理工大學(xué)車輛工程學(xué)院，重慶 400054)

活性氛圍分層壓燃(RCCI)是面向壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的一種燃燒新技術(shù)，在能夠維持壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)高熱效率的前提下實(shí)現(xiàn)氮氧化物(NOx)與炭煙顆粒(PM)排放同時(shí)降低?；仡櫫薘CCI燃燒理論的提出和發(fā)展歷程，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前RCCI燃燒基礎(chǔ)研究中亟需解決的關(guān)鍵問題。

活性氛圍分層壓燃(RCCI)；低溫燃燒

壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)因其低轉(zhuǎn)數(shù)域的高扭矩輸出特性和寬廣的功率范圍，以及良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和高可靠性，在工程機(jī)械、運(yùn)輸、艦船以及發(fā)電裝備等方面有著非常廣泛的應(yīng)用。但壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中氮氧化物(NOx)和炭煙(PM)排放存在嚴(yán)重的折中(Trade-off)關(guān)系，同時(shí)降低這兩種排放物異常困難[1]。而PM和NOx都是形成當(dāng)前最嚴(yán)重的大氣污染型氣候——霧霾的重要誘因。因此，開發(fā)面向壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的高效、清潔燃燒技術(shù)，不僅是滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)高效動(dòng)力需求的重要舉措，更是適應(yīng)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求、建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的必然。

活性氛圍壓縮燃燒(Reactivity Charge Compression Ignition，RCCI)[2]是繼均質(zhì)充量壓縮著火燃燒(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)[3]、預(yù)混合壓縮燃燒(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)[4]等低溫燃燒(Low Temperature Combustion,LTC)技術(shù)后，面向壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)新興的技術(shù)。已有的試驗(yàn)表明，RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)能較好地克服HCCI，PCCI等燃燒技術(shù)的燃燒控制難、負(fù)荷適應(yīng)性差等問題，并能較好地規(guī)避傳統(tǒng)柴油機(jī)NOx與PM排放的折中關(guān)系難題，極具應(yīng)用前景。

1 RCCI的提出

燃燒是燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的最基本途徑，而發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒是化石燃料能量利用最普遍、最有效的方式。隨著化石能源短缺以及環(huán)境污染問題的嚴(yán)重,國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)工作者都致力于研究發(fā)動(dòng)機(jī)高效潔凈燃燒技術(shù)，以解決能源和環(huán)境問題。壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)作為重要?jiǎng)恿υ?，更是獲得大量的關(guān)注。

柴油機(jī)電控高壓共軌噴射燃燒[5]是壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的最新進(jìn)展。該技術(shù)采用200 MPa左右的超高壓噴霧技術(shù)，使得柴油霧化質(zhì)量顯著提高，能大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中PM的生成。但其仍未突破傳統(tǒng)柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒的固有瓶頸，在燃燒過程中，缸內(nèi)仍充盈著滿足NOx和PM生成條件的局部當(dāng)量比和溫度區(qū)域，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)超低NOx和PM排放。

低溫預(yù)混合燃燒是同時(shí)降低PM與NOx生成的重要技術(shù)途徑[6]。HCCI，PCCI等技術(shù)是目前低溫預(yù)混合燃燒理論最典型的應(yīng)用。HCCI的混合氣制備一般采用燃油早噴方式，形成類似于火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的均質(zhì)稀薄混合燃?xì)猓?同時(shí)采用廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)、進(jìn)氣加溫和增壓等手段來提高缸內(nèi)混合氣的溫度和壓力，使氣缸內(nèi)的稀薄預(yù)混合氣可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)著火。HCCI近似均質(zhì)的混合燃?xì)馊紵?，避免了燃油過濃區(qū)域的存在，因而能夠抑制PM的生成，同時(shí)由于采用多點(diǎn)壓縮著火，避免了預(yù)混火焰的傳播，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒沒有明顯的火焰鋒面，并且由于采用稀薄燃燒，燃燒溫度得以降低，使得NOx的生成也大幅減少。

PCCI是部分預(yù)混壓燃和燃料缸內(nèi)直噴擴(kuò)散燃燒相結(jié)合的復(fù)合燃燒方式。該技術(shù)一般通過燃油部分預(yù)混來減少燃燒中擴(kuò)散部分的比例。具體實(shí)現(xiàn)是通過將部分燃油在壓縮行程直噴，或者采用調(diào)整進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻和提前噴油時(shí)刻，輔以EGR等手段，在燃?xì)鈮嚎s著火前形成較為均質(zhì)的預(yù)混燃?xì)猓Ｓ嗳加椭眹娙敫變?nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣基于壓縮實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)燃燒。

最近發(fā)展起來的柴油機(jī)LTC 技術(shù)[6]是基于高壓共軌噴射技術(shù)的一種燃燒方式。其主要通過高EGR率或可變壓縮比、可變進(jìn)排氣門正時(shí)等方法來延長燃油著火滯燃期，降低缸內(nèi)平均溫度，實(shí)現(xiàn)低溫預(yù)混燃燒，達(dá)到同時(shí)減少NOx和PM生成的目的。

HCCI，PCCI 以及LTC發(fā)動(dòng)機(jī)都能避開NOx與PM生成的高發(fā)區(qū)，可以將NOx和PM排放同時(shí)降到極低的水平，但也存在顯著的缺點(diǎn)： HCCI和PCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍很窄，僅限于中小負(fù)荷，因此在動(dòng)力性上受到限制； HCCI與PCCI著火過程主要受制于化學(xué)動(dòng)力學(xué)，其燃燒相位和燃燒速率難以直接控制，此外還存在HC 和CO 排放增大、冷起動(dòng)困難等問題；LTC，PCCI發(fā)動(dòng)機(jī)如果不使用EGR技術(shù)，會(huì)造成預(yù)混燃燒過于劇烈，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放和燃燒噪聲會(huì)大幅增加；特別地，基于高壓噴射的LTC發(fā)動(dòng)機(jī)一般需要高EGR，以防止LTC發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，但過高的EGR率會(huì)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的高負(fù)荷運(yùn)行。

面向壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫燃燒技術(shù)還有許多應(yīng)用方式，比如 MK (Modulated Kinetics)燃燒、UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System)燃燒、多段噴霧燃燒(Multiple Stage Diesel Combustion，MULDIC)、均質(zhì)充量噴霧復(fù)合燃燒(Homogeneous Charge Diesel Combustion，HCDC)、多脈沖噴射HCCI 燃燒等[6]。這些燃燒技術(shù)與HCCI和PCCI一樣，都是基于預(yù)混燃燒和稀釋燃燒發(fā)展起來的燃燒技術(shù)，因而都屬于LTC技術(shù)范疇。同樣地，這些燃燒技術(shù)在發(fā)展過程中也都遇到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制困難、負(fù)荷適應(yīng)特性較差、CO和HC排放較高、燃燒效率降低等問題，仍需要予以持續(xù)研究。

燃?xì)饣旌鲜怯绊憠嚎s著火發(fā)生及整個(gè)燃燒進(jìn)程的關(guān)鍵。因發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)瞬變特性，理想的預(yù)混燃?xì)庵苽湟恢笔荋CCI，PCCI，LTC等發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒調(diào)控的難點(diǎn)。Reitz教授等[2]提出了RCCI燃燒概念：通過采用進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴兩套獨(dú)立的噴油系統(tǒng)(見圖1)，就能較好地克服目前低溫預(yù)混發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混燃?xì)庵苽涞碾y題，為燃燒精準(zhǔn)調(diào)控創(chuàng)造條件。

圖1 RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒

RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道噴射一般是將汽油、甲醇、乙醇等高辛烷值、低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的燃料噴入氣道，這部分燃料將在著火前在缸內(nèi)形成均勻混合氣；缸內(nèi)直噴則是仍沿用傳統(tǒng)柴油機(jī)供油方式，將柴油等高十六烷值燃料噴入缸內(nèi)與缸內(nèi)的均勻混合氣混合。通過調(diào)控預(yù)混與直噴燃用比例，RCCI燃燒可以調(diào)控?cái)U(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒強(qiáng)度，降低燃燒最高溫度，同時(shí)，通過預(yù)混燃燒強(qiáng)化燃料射流與空氣的混合，從而能達(dá)到同時(shí)降低NOx和PM排放的目的[2,7]。

從燃燒機(jī)理上看，RCCI仍屬于低溫預(yù)混燃燒范疇。RCCI的燃?xì)饣旌蠙C(jī)制與PCCI較為相似，但RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中引入了高反應(yīng)活性燃料作為預(yù)混燃料，而且雙燃油噴射系統(tǒng)能靈活調(diào)整預(yù)混燃料的比例，這些措施可以解決目前低溫預(yù)混和燃燒模式中燃燒相位可控性及負(fù)荷適應(yīng)性差等問題。已有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在不作相關(guān)后處理的情況下能達(dá)到EPA2010排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可大幅度提高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷能拓展到中高負(fù)荷[8-9]。

2 RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究

RCCI技術(shù)是HCCI,PCCI以及LTC等低溫預(yù)混燃燒技術(shù)的發(fā)展。最早系統(tǒng)地研究RCCI在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的是美國Wisconsin發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心(Engine Research Center，ERC)Reitz團(tuán)隊(duì)。他們基于單缸和多缸發(fā)動(dòng)機(jī)研究了不同燃料組合(包括汽油-柴油、乙醇-柴油以及汽油-汽油等)的RCCI燃燒適應(yīng)性。研究發(fā)現(xiàn),通過噴射策略控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃油分層和反應(yīng)活性分區(qū)，能在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)活性氛圍燃燒，達(dá)到低于0.05 g/(kW·h)和0.01 g/(kW·h)的NOx與PM排放要求[2]。伊朗科學(xué)技術(shù)大學(xué)(Iran University of Science and Technology)Kakaee等[10]測試了天然氣作為預(yù)混燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)RCCI燃燒性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表征燃?xì)饽芰棵芏鹊腤obbe數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放有特別重要的影響，高能量密度燃?xì)饽軒砀叩陌l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)峰值壓力、峰值溫度和NOx排放。西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)(Universitat Politècnica de València)Benajes等[11]研究了低活性混合燃料E10-95，E10-98，E20-95和E85與高活性的diesel-B7直噴下的RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性，研究發(fā)現(xiàn)，低活性燃料預(yù)混有助于實(shí)現(xiàn)近零PM排放，而高活性燃料預(yù)混在低EGR條件下NOx排放增加。新加坡國立大學(xué)Li等[12]研究了活性燃油分層對(duì)汽油-生物柴油RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)噴汽油比例增高會(huì)使得燃燒更接近均質(zhì)燃燒，有助于降低PM的生成。Lim和Reitz[13]率先將GDI應(yīng)用于RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，他們將異辛烷直接噴入缸內(nèi)，將正庚烷通過共軌噴射系統(tǒng)噴入，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)UHC和CO排放降低，燃燒效率得到了改善。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的研究日益增多。天津大學(xué)Yao等[14-15]重點(diǎn)研究了甲醇-柴油在壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)上RCCI的燃燒情況。他們采用進(jìn)氣管噴醇、缸內(nèi)直噴柴油的方式，在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)了甲醇的較大比例替代，并且獲得了較低的NOx和PM排放。發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇-柴油RCCI的燃燒排放有重要的影響，進(jìn)氣溫度增加會(huì)抑制NO2，THC，CO，甲醛以及甲醇排放，但會(huì)增加NO，NOx和PM生成。清華大學(xué)Liu等[16]開展了氣體燃料RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的數(shù)值研究，研究了H2摻混入DME-CH4后發(fā)動(dòng)機(jī)RCCI燃燒情況，計(jì)算分析了H2添加后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放NOx，CO，HC及非常規(guī)排放CH4的影響。研究發(fā)現(xiàn)，CO和CH4排放在預(yù)混燃燒階段生成，隨著H2添加，NO生成會(huì)顯著增加。大連理工大學(xué)Li等[17]利用多維模擬方法，研究了預(yù)混燃料比率、發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率、進(jìn)氣終了溫度(壓力)以及噴油時(shí)刻等參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)RCCI燃燒控制的影響，也發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣終了溫度和EGR率是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。

3 RCCI燃燒理論研究進(jìn)展

傳統(tǒng)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生的是典型的擴(kuò)散燃燒(Diffusion Combustion)，部分預(yù)混(Partially Premixed)是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散火焰低PM和低NOx生成的重要手段。部分預(yù)混燃燒技術(shù)便于氣體燃料應(yīng)用，通過氣體燃料射流中摻混部分空氣(氧化劑)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散火焰內(nèi)的部分預(yù)混，通過反應(yīng)區(qū)內(nèi)的燃油-空氣混合氣分層，能達(dá)到改善火焰結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低火焰中PM和NOx生成的目的[18]。RCCI是部分預(yù)混燃燒基于液體燃料的應(yīng)用拓展。該燃燒方式的實(shí)現(xiàn)是將液體(或氣體)燃油(或燃油與空氣的混合氣)噴入預(yù)先混合好的均質(zhì)燃?xì)夥諊?，然后著火燃燒，這種燃燒方式也被稱為預(yù)混活性氛圍擴(kuò)散燃燒。

部分預(yù)混火焰具有高效清潔燃燒效能的根本原因是預(yù)混氛圍的存在[19]。對(duì)沖火焰是研究預(yù)混擴(kuò)散燃燒的一大利器。預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰在燃燒時(shí)火焰形態(tài)簡單，而部分預(yù)混火焰會(huì)呈現(xiàn)不同的形態(tài)，比如對(duì)沖火焰會(huì)有經(jīng)典的兩反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，即預(yù)混反應(yīng)區(qū)(Premixed Reaction Zone)和非預(yù)混反應(yīng)區(qū)(None-premixed Reaction Zone)(見圖2)。部分預(yù)混燃燒火焰所呈現(xiàn)出來的復(fù)雜反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，正是預(yù)混氛圍與擴(kuò)散射流在燃燒條件下相互作用的結(jié)果。

圖2 基于氣體燃料的部分預(yù)混對(duì)沖火焰

已有研究指出，火焰內(nèi)的分層和反應(yīng)分區(qū)對(duì)火焰燃燒過程有重要的影響，而火焰條件(當(dāng)量比、溫度、拉伸率等)對(duì)上述分區(qū)的影響又呈現(xiàn)不同的響應(yīng)[20]。預(yù)混活性氛圍擴(kuò)散火焰，盡管從基本原理上仍同屬于部分預(yù)混火焰，但預(yù)混燃?xì)庑纬膳c引入方式的不同，會(huì)直接造成火焰結(jié)構(gòu)上的變化。圖3示出了預(yù)混活性氛圍對(duì)沖火焰模型,圖中“？”表示預(yù)混活性氛圍對(duì)沖火焰反應(yīng)區(qū)位置未知。對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)部分預(yù)混火焰的預(yù)混燃?xì)庖话阍谌剂蟼?cè)，使得火焰分區(qū)中預(yù)混區(qū)也靠近燃料側(cè)，非預(yù)混反應(yīng)區(qū)靠近空氣側(cè)(見圖2)；而預(yù)混活性氛圍擴(kuò)散火焰的預(yù)混燃?xì)庖话闩c燃料射流分離(見圖3)，從常識(shí)上判斷火焰的預(yù)混反應(yīng)區(qū)應(yīng)靠近預(yù)混氛圍側(cè)，而擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)的位置應(yīng)靠近射流燃料側(cè)；傳統(tǒng)部分預(yù)混火焰的預(yù)混燃?xì)庠谌剂蟼?cè)，故而絕大多數(shù)情況下，預(yù)混燃?xì)鉃闈饣旌蠚?，而預(yù)混活性氛圍擴(kuò)散火焰在實(shí)際應(yīng)用中多為稀混合氣?；钚苑諊鷶U(kuò)散火焰相對(duì)于傳統(tǒng)部分預(yù)混火焰，呈現(xiàn)出來的反應(yīng)區(qū)相對(duì)位置調(diào)整及預(yù)混反應(yīng)區(qū)濃度的改變，已經(jīng)顛覆我們對(duì)傳統(tǒng)部分預(yù)混火焰的物性分層和反應(yīng)分區(qū)的認(rèn)識(shí)。

圖3 預(yù)混活性氛圍對(duì)沖火焰模型

一直以來基于氣體燃料的部分預(yù)混對(duì)沖火焰都是燃燒基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，具體研究涵蓋了火焰特征剖析的方方面面，包括部分預(yù)混火焰的熄火、火焰拉伸、火焰提升(Lifting)及浮起長度(Lift-off Length)的測試和分析等[18,21]。近年來，隨著替代燃料應(yīng)用的興起，研究更是拓展到大分子燃油的反應(yīng)機(jī)理，還有相當(dāng)一部分的研究是探索多環(huán)芳香烴(PAHs)與Soot的生成[22-23]。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，美國陸軍實(shí)驗(yàn)室(Army Research Laboratory，ARL)的McNesby等[24]是開展RCCI火焰基礎(chǔ)研究的先驅(qū)。他們通過將乙醇添加在空氣側(cè)，建立了乙烯射流在乙醇-空氣氛圍下的對(duì)沖火焰，測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇添加在空氣側(cè)，能使擴(kuò)散火焰中產(chǎn)生預(yù)混反應(yīng)區(qū)，預(yù)混反應(yīng)區(qū)的存在能加速活性基OH的產(chǎn)生，從而最終導(dǎo)致火焰中Soot生成大幅度地降低(相比乙醇添加在燃料側(cè)的混合燃料擴(kuò)散燃燒)。韓國國立釜慶大學(xué)Park等[20]利用H2-air與CH4-air的對(duì)吹，建立了兩種燃料的活性氛圍擴(kuò)散燃燒，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和放熱規(guī)律有明顯的影響。美國伊利諾伊大學(xué)Aggarwal和Puri[25]發(fā)現(xiàn)，部分預(yù)混燃?xì)?包括燃料預(yù)混氧氣或氧氣預(yù)混少量燃料)在微重力條件下，也能產(chǎn)生活性氛圍燃燒。天津大學(xué)姚春德等[26]基于定容燃燒彈試驗(yàn)，研究了柴油噴霧在甲烷和甲醇預(yù)混活性氛圍下的著火燃燒特性，研究指出，降低環(huán)境溫度和增加預(yù)混燃料的濃度均能延長柴油著火滯燃期，增加燃燒放熱率峰值，且較低的環(huán)境溫度和高的預(yù)混氣濃度有利于減少炭煙的生成。

4 RCCI基礎(chǔ)理論亟需解決的關(guān)鍵問題

RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)及基礎(chǔ)燃燒研究已經(jīng)表明，預(yù)混當(dāng)量比、氛圍溫度、預(yù)混燃油比例等參數(shù)對(duì)RCCI燃燒效能有重要的影響。但總體而言，關(guān)于“活性氛圍擴(kuò)散燃燒”的基礎(chǔ)研究還是偏少，主要原因是RCCI燃燒概念提出的時(shí)間短，RCCI在發(fā)動(dòng)機(jī)上的探索還處于初期，同時(shí)也由于這種燃燒方式的應(yīng)用仍較多局限在與內(nèi)燃機(jī)類似的瞬態(tài)燃燒系統(tǒng)，還未獲得燃燒領(lǐng)域更多的關(guān)注，使得關(guān)鍵參數(shù)對(duì)RCCI燃燒的影響機(jī)理還未建立。

為推進(jìn)RCCI燃燒應(yīng)用發(fā)展，相關(guān)基礎(chǔ)研究亟需獲得重視，特別是針對(duì)RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒調(diào)控中的基礎(chǔ)問題，應(yīng)盡快展開研究。

1) 活性氛圍下火焰著火機(jī)理

預(yù)混活性氛圍混合氣的燃燒過程主要受燃?xì)饣瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制，其著火燃燒具有明顯的兩階段點(diǎn)火特征，分別受燃?xì)獾牡蜏睾透邷鼗瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)程的影響，其中燃?xì)庠陬A(yù)混活性氛圍的低溫反應(yīng)行為是影響火核形成的關(guān)鍵[27]。目前，針對(duì)單質(zhì)燃料體系低溫反應(yīng)行為的研究較多，而預(yù)混活性擴(kuò)散燃燒大多基于雙燃料甚至多燃料體系，因此亟需廣泛開展多燃料體系下的燃料低溫反應(yīng)行為研究。此外， EGR技術(shù)幾乎是RCCI技術(shù)的標(biāo)配，因此，還應(yīng)特別關(guān)注稀釋氣體對(duì)預(yù)混燃?xì)庵鹑紵挠绊懷芯俊?/p>

2) 活性氛圍下預(yù)混火焰及擴(kuò)散火焰的相互影響機(jī)制

活性氛圍擴(kuò)散火焰的形態(tài)結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)部分預(yù)混火焰有了顯著的變化，目前，人們對(duì)這種燃燒方式的了解不多。對(duì)于活性氛圍擴(kuò)散火焰，有些信息是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)無法獲知的，如調(diào)整預(yù)混燃油比例、改變預(yù)混氛圍溫度以及稀釋率變化時(shí)，火焰形態(tài)的相應(yīng)變化就無法獲知，對(duì)于更為細(xì)致的反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)細(xì)節(jié)和反應(yīng)區(qū)之間的交互作用關(guān)系更無從得知。

目前，還鮮有工作涉及預(yù)混活性氛圍擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)測試和分析，使得我們對(duì)RCCI燃燒機(jī)理尚未完全了解。因此，需要研究建立穩(wěn)定的具有雙燃燒反應(yīng)區(qū)的活性氛圍擴(kuò)散火焰的方法，探尋預(yù)混活性氛圍參數(shù)對(duì)火焰分區(qū)結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，明晰火焰反應(yīng)分區(qū)之間相互作用關(guān)系，建立和完善RCCI高效潔凈燃燒機(jī)理。

3) 活性氛圍對(duì)火焰中NOx及PM生成的影響

RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)測試已經(jīng)揭示了活性氛圍壓縮燃燒在有害生成抑制方面的優(yōu)勢，但還鮮有研究從燃燒機(jī)理角度剖析活性氛圍對(duì)潔凈燃燒的作用途徑。因此，需要開展關(guān)于火焰雙反應(yīng)區(qū)內(nèi)NOx，PM等的生成規(guī)律和反應(yīng)路徑研究，總結(jié)各有害生成路線圖，從機(jī)理上獲得預(yù)混氛圍對(duì)NOx，PM等有害生成的影響機(jī)制；并計(jì)算更寬泛預(yù)混氛圍條件下的擴(kuò)散火焰有害生成指標(biāo)數(shù)據(jù)，總結(jié)獲取有害生成隨氛圍條件的變化規(guī)律，發(fā)掘通過氛圍調(diào)控抑制有害生成共同的方法。

4) 非常規(guī)燃料的活性氛圍擴(kuò)散燃燒基礎(chǔ)特性研究

解決能源與環(huán)境問題最終還要依靠可再生替代能源的推廣應(yīng)用。隨著石油資源的逐步枯竭，燃用生物燃料、合成燃料是必然趨勢。開展非常規(guī)燃料及其混合物射流在活性氛圍下的著火特性及燃燒機(jī)理研究，意在強(qiáng)調(diào)活性氛圍擴(kuò)散燃燒研究應(yīng)未雨綢繆地推廣到更寬泛的燃料范圍，為非常規(guī)燃料的規(guī)模性替代燃用提供理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

RCCI是繼HCCI,PCCI,LTC等低溫預(yù)混燃燒技術(shù)之后，應(yīng)用于壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。這種燃燒模式展示出來了前所未有的清潔高效燃燒潛力，值得深入研究。綜合目前RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究可以發(fā)現(xiàn)，活性燃料比例、預(yù)混氛圍溫度、EGR率等是RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒調(diào)控的關(guān)鍵。但由于對(duì)RCCI燃燒機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足，使得RCCI調(diào)控仍基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。因此，亟需開展活性氛圍擴(kuò)散燃燒基礎(chǔ)理論研究，探尋活性氛圍下火焰著火機(jī)理，發(fā)掘活性氛圍下預(yù)混火焰及擴(kuò)散火焰的相互影響機(jī)制，剖析活性氛圍對(duì)火焰中NOx及PM生成的影響，并將活性氛圍擴(kuò)散燃燒基礎(chǔ)研究拓展到非常規(guī)燃料體系，為系統(tǒng)推進(jìn)RCCI技術(shù)發(fā)展提供完備的理論支撐。

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RCCIEngineandRelevantFundamentalStudies

WANG Kun，LIAO Shiyong，YUAN Chun，ZHANG Yong

(Vehicle Engineering Institute,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

Reactivity charge compression ignition(RCCI)is a new combustion technique for compression ignition engine, which can keep the high thermal efficiency and realize the simultaneous reduction of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM) emissions.The origination and development history of RCCI theory was first reviewed, the application status was analyzed, and some key problems that needed to be urgently solved were summarized.

reactivity charge compression ignition (RCCI);low temperature combustion

姜曉博]

2017-07-10；

2017-10-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NSFC51776028)

王昆(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)替代燃料的燃燒基礎(chǔ)研究；18695063739@163.com。

廖世勇(1973—)，男，教授，博士，主要研究方向燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；shyliao@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.001

TK42.2

A

1001-2222(2017)06-0001-06