本田均質(zhì)稀薄燃燒方案旨在實(shí)現(xiàn)高效低排

日前，本田公司宣布推出了一種均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)(Homogeneous Lean Charge Spark Ignition ，HLSI)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有燃燒效率高、廢氣排放低等特點(diǎn)。早在2013年，本田汽車公司在國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)上就對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了基本的介紹。而在近期舉行的2014年國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)高效內(nèi)燃機(jī)研討會(huì)上，來(lái)自本田汽車公司研發(fā)部門的Takashi Kondo向與會(huì)者詳細(xì)介紹了該技術(shù)的測(cè)試結(jié)果。

豐田汽車研發(fā)公司研發(fā)中心常務(wù)主任Toshihiro Mibe在2013年亞琛座談會(huì)上提出的本田汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線圖以及該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在其中的關(guān)鍵作用

Takashi Kondo表示，該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了空氣燃料比分層技術(shù)，在火花塞周圍分布的是濃度較大的空氣燃料混合物以幫助點(diǎn)燃?？傮w而言，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用的空氣燃料比整體分層技術(shù)可以達(dá)到稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的燃燒效率和更大的空氣燃料比，同時(shí)通過(guò)提高空氣燃料比可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出損失。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸燃燒前半段過(guò)程中空氣燃料比較小，燃料濃度較高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放量仍然較多，而且通過(guò)三元催化劑來(lái)降低排放的效果也不是非常明顯。

本田汽車公司希望通過(guò)將稀薄燃燒技術(shù)與均質(zhì)預(yù)混合技術(shù)綜合運(yùn)用以達(dá)到穩(wěn)定可控燃燒以及低氮氧化物排放等目的。稀薄燃燒技術(shù)具有燃燒可控性強(qiáng)、燃燒噪音低等特點(diǎn);均質(zhì)預(yù)混合技術(shù)則具有氮氧化物排放少以及燃燒效率高等特點(diǎn)。此次，本田公司推出的均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)充分利用了以上兩種技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，并避免了稀薄燃燒技術(shù)氮氧化物排放量較高以及均質(zhì)預(yù)混合技術(shù)燃燒可控性較低、燃燒噪音較大、工作范圍較窄等缺點(diǎn)。

本田汽車公司設(shè)想該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到低于50ppm的氮氧化物排放以及具有高燃效、低燃噪等特點(diǎn)

Hanabusa等人表示：“截止至目前針對(duì)通過(guò)利用稀薄燃燒技術(shù)提高汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的有效方法已經(jīng)開展了大量的研究。采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，三元催化劑對(duì)于尾氣中氮氧化物的凈化作用并不明顯。因此，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中氮氧化物的含量可以提高極限空氣燃油比。

在傳統(tǒng)的分層均質(zhì)稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中，火花塞周圍的空氣燃油混合物濃度較高，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)前半段燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的氮氧化物有害氣體。在一般的發(fā)動(dòng)機(jī)中，尾氣中的氮氧化物幾乎100%地會(huì)被三元催化劑凈化掉;但是在稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中，該三元催化劑對(duì)于氮氧化物幾乎沒(méi)有任何凈化作用。因此，要達(dá)到排放控制標(biāo)準(zhǔn)尾氣中氮氧化物的就必須通過(guò)稀薄氮氧化物催化劑(lean NOx catalyst，LNC)進(jìn)行凈化。當(dāng)稀薄氮氧化物催化劑中的氮氧化物含量超過(guò)了排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)稀薄燃燒將停止而開始高濃度空氣燃油混合物燃燒以降低氮氧化物的含量。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行高濃度空氣燃油混合物燃燒會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率降低。隨著尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)采用高濃度空氣燃油混合物燃燒的比例也越來(lái)越大。目前，市場(chǎng)上稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)已基本停止出售。

為解決以上問(wèn)題，汽車技術(shù)人員對(duì)均質(zhì)充量壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)進(jìn)行了大量的研究。但是由于該均質(zhì)充量壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)存在工作范圍較窄、燃燒可控性較低等缺點(diǎn)而未能進(jìn)入量產(chǎn)。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率以及節(jié)約成本，本田汽車公司此次研究主要是利用稀薄燃燒技術(shù)而未采用稀薄氮氧化物催化劑。文章中討論的該技術(shù)主要通過(guò)利用稀薄燃燒技術(shù)，并利用穩(wěn)定火花塞為均質(zhì)可燃混合物點(diǎn)火以達(dá)到低氮氧化物排放和高燃燒可控性等要求?？偠灾咎锲嚬敬舜芜M(jìn)行的研究主要目的是為了弄清楚均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)可以降低氮氧化物排放的原理機(jī)制，并且該目標(biāo)也已經(jīng)成功達(dá)到。根據(jù)此次研究得到的原理機(jī)制，本田汽車公司此次研究目的是為了研發(fā)一種高燃效、低氮氧化物排放的稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)。”

眾所周知，均質(zhì)稀薄空氣燃油預(yù)混合氣體具有較差的火焰?zhèn)鞑バ阅?。為了確定該現(xiàn)象的主要原因，本田汽車公司進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中采用的是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變?cè)搯胃装l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓縮比和進(jìn)氣溫度等來(lái)實(shí)驗(yàn)研究該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特點(diǎn)。

在最初的幾組實(shí)驗(yàn)中，本田汽車公司對(duì)該單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改裝，其燃油從一個(gè)位于發(fā)動(dòng)機(jī)上空1米左右的上游端口注射器注入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。在此注入過(guò)程中燃油可與空氣進(jìn)行充分混合，得到充分混合的空氣燃油混合物再經(jīng)過(guò)加熱器加熱最后再輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)。本田汽車公司通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓縮比和進(jìn)氣溫度得到不同的組合方式以實(shí)驗(yàn)研究影響稀薄燃燒極限的因素。

研究人員發(fā)現(xiàn)，燃燒不正常的周期主要是由燃燒波動(dòng)引起的，而且相比其他穩(wěn)定燃燒周期，燃燒不正常周期的上止點(diǎn)燃燒溫度普遍較低。燃燒不正常周期中未燃燒氣體在上止點(diǎn)的溫度要低于950開氏度(約合677攝氏度)，因此其在發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹行程中具有非常不理想的熱效應(yīng)。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未燃燒空氣燃油混合氣體溫度超過(guò)1000開氏度(約合727攝氏度)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)層流燃燒速度將迅速增加。其中，在未燃燒空氣燃油混合氣體溫度達(dá)到或超過(guò)1000開氏度時(shí)，過(guò)氧化氫將分解產(chǎn)生OH自由基，因此使得燃燒速度得到大幅提升。

為了盡快地將實(shí)驗(yàn)研究的燃燒概念轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，本田汽車公司采用了量產(chǎn)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的單個(gè)氣缸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中該發(fā)動(dòng)機(jī)的上止點(diǎn)燃燒溫度可以超過(guò)1000開氏度。盡管本田汽車公司保留了發(fā)動(dòng)機(jī)自身的進(jìn)氣噴射系統(tǒng)，但是研究人員還是通過(guò)改進(jìn)安裝了霧化噴嘴，這樣一來(lái)空氣燃油混合物便可以得到更加充分的混合。

在發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)上止點(diǎn)之前，其層流燃燒速度較慢，為了提高此時(shí)稀薄空氣燃油混合物的熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)人員采用了不同的壓縮比、不同的進(jìn)氣系統(tǒng)、不同的活塞形狀以及不同的點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

通過(guò)以上改進(jìn)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣燃油比極限提升到了A/F 31。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣燃油比為A/F 30時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)具有最高的燃油效率，其氮氧化物排放量也低于50ppm。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)凈平均有效壓力(net Mean Effective Pressure，NMEP)為500kPa。[!--empirenews.page--]

本田汽車公司均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣燃油比為A/F 30時(shí)，其燃燒效率由之前的33.7%提升了6.2%提升至39.9%。此次，本田汽車公司主要通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的制冷損失和輸出損失來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，其中制冷損失主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣體溫度較低造成的，而輸出損失主要是由空氣過(guò)度稀釋造成的。此外，排放損失和未燃燒混合氣損失成為了影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的主要因素。

圖中“Heat loss (other)”是指除水冷外的熱損失

基于以往的工作研究結(jié)果，本田汽車大致得出了以下結(jié)論：

-通過(guò)為缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)提供均質(zhì)預(yù)混合空氣燃油混合氣體，并調(diào)整壓縮比和進(jìn)氣溫度提高缸內(nèi)混合氣體溫度可以提高空氣燃油比極限并能降低氮氧化物的排放。

-不同壓縮比和不同進(jìn)氣溫度的組合對(duì)空氣燃油比有非常大的影響，通過(guò)調(diào)整組合配比可以使得缸內(nèi)混合氣體溫度提高從而提高空氣燃油比極限。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣體溫度升高也將使發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物排放降低。

-在發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)燃燒溫度達(dá)到1000開氏度(約合727攝氏度)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)過(guò)氧化氫將發(fā)生分解反應(yīng)，從而使得缸內(nèi)層流燃燒速度增加、燃燒波動(dòng)更加穩(wěn)定。

-通過(guò)對(duì)均質(zhì)稀薄混合燃料氣體的分析可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率提升的原理機(jī)制。

-該發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒概念非常有利于進(jìn)行量產(chǎn)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)具有相當(dāng)高的燃燒效率和相當(dāng)?shù)偷牡趸锱欧拧?/p>

Kondo最后還表示，盡管該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物排放已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)偷呐欧?，但是其仍未能達(dá)到日本、美國(guó)即將出臺(tái)的新標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍需要進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)處理。