互动科普

洁净燃烧的无火花点火发动机可能是实现废气排放达标的最佳机会。

任何驾驶过一辆其车龄已有20年之久的小汽车、卡车或摩托车的人可能都很熟悉工程师们称之为“后跑”（after—run）的一种现象，也就是在关掉点火开关之后，发动机还要继续转动几秒钟。这种现象令人头疼，不过目前已很罕见。但是，引起后跑的基本燃烧过程现在却受到了汽车制造业的高度关注。这一燃烧过程称为“均匀进气压缩点火燃烧”（HCCI），它可能成为一类全新的低排放、高效率车辆发动机的基本运行机制。许多燃烧工程师认为，以HCCI为基础的活塞式发动机能够提高柴油发动机的燃油效率，但其排放出的氮氧化物和黑烟则远低于柴油机。

世界各大汽车厂商和柴油机生产厂商的研究人员面临着各国政府日益严格的环保法规，同时他们也意识到，大批量生产的经济实用的燃料电池技术可能还要等许多年才能实现，因此目前他们正全力以赴地探索HCCI技术是否具有技术和经济上的可行性。如果的确可行，那么以这种新的燃烧方式为基础的动力机械就有可能成为现今的高排放量柴油与汽油活塞发动机与未来的超洁净燃料电池动力系统之间的一种过渡技术。 

不久前在底特律举行的汽车工程师协会(SAE) 2001年世界大会上，关于HCCI燃烧技术的专题会议与会者爆满，许多人只能站着，这是一个非常有力的证据，证明均匀进气压缩点火式发动机有可能成为汽车工业下一个重大的发展动向。安纳波尔密执安大学机械工程学 教授、该校汽车研究中心主任Dennis Assanis说，另一个重要的证据是关于这个问题的技术论文的数量激增。他指出，“1995年发表的HCCI论文只有区区几篇，但自那以后论文数目出现了指数式的急剧增长。”

HCCI技术新近得势的又一个证据是美国能源部为这项技术提供的研究经费不断增加（能源部从l997年开始资助HCCI技术的研究）。一个由美国政府、工业界和大专院校等部门从事先进汽车技术研究的科学家和工程师组成的研究开发团体——新一代汽车合伙研究组织设立了一个预算300万美元，为期4年的学术研究项目，专门开发这种新颖的燃烧过程。与此同时，这个领域的工业界和大学研究人员准备了一份关于HCCI技术的报告，呈交给美国国会。日本也非常重视HCCI技术，率先开拓HCCI应用研究的日本工程师称这项技术为“主动热气氛燃烧“（active thermo-atmosphere combustion）。欧洲人对这项技术亦大感兴趣，而他们则把其成为“受控自动点火”（controlled auto-ignition）。

燃烧少而精

HCCI可以看作是一项混合技术，它把传统汽油机和柴油机各自的优点结合起来，取长补短，从而大大提高燃油的燃烧效率，并使废气排放降低到几乎为零。根据燃油和空气在汽缸内的混合程度以及这一混合气体的点燃方式，内燃机可以大致分为四类。人们熟悉的汽油机属于火花点燃、均匀混合类内燃机，其特点是汽油和空气在进入气缸前已经预先充分混合，在气缸内则由火花塞点燃；柴油机则是压缩点火、不均匀混合类发动机的一个例子：柴油在活塞的压缩冲程期间喷入气缸，而紊流则使喷入的柴油与活塞内的空气部分混合，直至急剧上升的温度将柴油点燃；汽油直接注入式发动机属于火花点燃、不均匀混合一类，其特点是注入的燃油与空气部分混合，然后由火花塞点燃；第四类发动机是均匀混合、压缩点火式发动机。顾名思义，这种发动机使用充分预混合的燃油与空气混合物，在气缸内由活塞对其压缩直至其自动点燃。

在HCCI发动机内，燃烧的燃油量与空气量相比其比例较低，因此燃烧温度也保持在较低的水平上。这就意味着发动机仅产生少量的氧化氮和二氧化氮(合起来成为NOx)。此外，由于混合气体是经过充分混合的，并且不含过量燃油，因此它的燃烧只产生很少的烟灰颗粒。HCCI发动机的效率之所以较高，是因为HCCI燃烧过程可以使用与柴油机相似的高压缩比（压缩比越高，燃烧单位燃油所产生的动力越大），也是因为HCCI发动机与柴油机一样，无需使用进气节流就能满足负荷的需求，从而得以避免所谓“通气损失”（breathing loss）。此外，经过适当设计后，HCCI这类动力机械可以使用几乎任何一种现有的碳氢化合物燃料，甚至可以使用氢为燃料。

汽车工程师和燃烧研究人员正在大力研究这种替代内燃机，因为现有的发动机设计可能无法达到即将出台的环保法规的要求。这些法规将对汽车尾气中温室气体——主要是二氧化碳——以及其它种种污染物（包括NOx、微粒、一氧化氮和未燃烧的碳氢化合物等）的含量规定非常严格的限制。汽油机运行时温度太高，而燃油效率则非常低，远不能达到标准。燃料效率低意味着将会产生过量的二氧化碳，而燃烧温度高则将产生过多的NOx。另一方面，内燃机的燃油效率较高，但它产生的尾气中含有过多的NOx及微粒，因此也不能达到即将出台的污染标准的要求。催化后处理系统可望起到一种事后补救的作用，也就是在这些传统发动机已经产生出了污染物含量较高的尾气后对其进行净化，但现有的技术无法保证以较低的成本实现这种净化。直接注射室汽油机与传统的汽油机相比其燃油效率有所改进，但它们排放的尾气中NOx与碳氢化合物的含量并未降低多少。因此，它们将仍然需要使用复杂的尾气后处理系统，而这种系统又要求汽车以新牌号的低硫汽油为燃料，以免催化剂中毒。

现有的各种替代推进技术在近期内看来没有多大希望或者根本就没有希望为开发一种环保效益与经济效益俱佳的个人交通工具的工作起多大作用。由于电化学电池存储能量的能力有限，电动小汽车目前的行驶距离比较短，最多不过160英里。此外，电动小汽车总的环境效益还要取决于发电技术的洁净程度。例如，广泛使用燃煤火电站发出的电力，将会大大降低电动小汽车的总体洁净程度。现今的混合型电动汽车将小型内燃机与电池—电动机系统结合起来作为动力，它产生的污染比当前的小汽车和卡车低，但是汽车公司必须给每辆混合型电动汽车以高达 l 万美元左右的补贴才能使它们的价格与普通汽车相比具有竞争力。因此，汽车工程师们正在寻找种种办法来改进内燃机，帮助汽车工业顺利完成向下一代超净推进系统的过渡。

承受负荷

过去一个世纪以来，许多工程师和发明家已经对HCCI燃烧进行过大量的研究，尽管他们使用的名称各不相同，但其实质内容是一样的。不过，据通用汽车公司在密执安州Warren的研究开发中心火花点火发机小组主管Paul Najt说，对这种独特燃烧方式的现代研究实际上始于20纪70年代后期，由日本洁净发动机公司的Shigeru Onishi领导的一个研究小组报导说：该小组一直在研究二冲程发动机内的一种HCCI燃烧，小组成出们称其为“主动热气氛燃烧”。80年代初期曾在一所工程院校攻读研究生的Najt说：“Onishi的主意是，我们不应当对这种自然的燃烧方式敬而远之，而是应当想办法利用它。”Najt和他的同学们勇敢地接受了这一挑战，但是他们很快就发现那个时候的发动机控制装置无法对付自动点火过程这样一个困难的任务，因为发动机的速度与负荷变化多端。遗憾的是，这个问题到现在依然没有解决。

逮姆勒—克莱斯勒公司特许与技术事务部（在密执安州罗彻斯特希尔斯）资深研究主管Thomas Asmus解释说，“在实验室里，当发动机的所有部件都处于热平衡状态时，用测功计术测量，HCCI过程的确工作得非常好。然而，一旦给发动机加上负载让它作功（就像汽车上的发动机那样），它往往就会越转越慢，最后完全停下来。如果你加入更多的燃料以使发动机能够应付负荷的增大，通常就会出现非常厉害的爆震。”几乎所有的HCCI专家都会提到，在HCCI燃烧方式下运行的发动机很容易“失控”，产生大的掩击噪声，最终损坏发动机硬件。

Asmus指出，存在两方面的问题。第一个问题是HCCI燃烧发生得极为迅速。一旦发动机汽缸内的温度足够高，预混合的燃油—空气混合物就立刻被完全点燃。Asmus解释说，“为了使HCCI能用在实际的发动机中，我们要求它的燃烧特性更平滑，其热量释放持续的时间更长。”为了达到最高的效率，设计人员希望通过点火过程能够在活塞达到上死点之前曲轴角为10度到15度时开始，然后其余下的部分在此之后继续进行。如果燃烧开始得过早，热气体接触气缸的时间就会太长，导致热量的散失，从而降低效率。如果燃烧开始得太晚，高温的燃烧气体就来不及经历完全的膨胀，从而不能对活塞做尽可能多的功。

Asmus说，HCCI存在的第二个问题源于这样一个事实：与传统发动机不同，HCCI发动机的燃烧过程不存在一种触发事件（例如火花或燃油注入等）。而传统发动机正是利用这类触发事件来控制燃烧的定时。“为了在速度和负荷发生变化的情况下（即工程师们称为“瞬态”的工作状态）控制这一过程，发动机必须逐个周期地进行非常迅速的调节。目前还没有任何人知道究竟如何可靠而廉价地实现这种调节。Asmus指出，“对于HCCI，尚不清楚我们可用什么东西来作为控制燃烧时机的可靠而强有力的杠杆。”

Najt也有同样的看法：HCCI的优点是一清二楚的，麻烦在于很难控制HCCI的燃烧。眼下这是一个技术问题。20年前似乎还有点高不可攀的所有各种控制方案都在考虑之列。情况可能是，相对于燃料电池技术而言，这些技术以及实施这些技术所需的额外费用看来并不是那么令人难以接受。” 

这些还未在实践中得到检验的发动机控制技术为数不少，其中一种是可变阀驱动技术（variable—valye actuation），此技术是把上一次燃烧后残留下来的高温气体吸入汽缸中以控制一个燃烧周期的时机。可变阀定时系统（variable valve timing system）以“无凸轮阀系”为基础，而无凸轮阀系是靠电磁、电动液压或压电动机构驱动的，不是靠机械凸轮驱动的。但是，为了获得必要的周期间响应速度分辨率，这些阀的运动必须极其迅速，而这样的运行很难在发动机的整个寿命期间一直保持下去。

Dennis Assanis说，另一种办法是采用可变压缩比系统（variable—compression—ratio system），该系统的燃烧室体积可以迅速改变，这样压缩比也就跟着变化。为了达到这样的效果，可以适当的时刻打开并关闭发动机的阀门，也可以安装一种其高度可以像手风琴那样随压力的变化而政变的活塞。密执安大学目前正与福特汽车公司和联邦Mogul公司合作，对这一全新的方案进行研究。

许多研究人员目前正在考虑的又一种办法是使燃油—空气混合物产生某种不均匀性（也就是使该混合物不同位置上的局部密度与温度有所不同），以延长燃烧的持续时间。当然，如Assanis所说，“这有点像是在玩弄魔鬼。放弃均匀性可以使热量的释放更为平稳，但却可能产生更多的污染物。”

Najt说：“这些新方案存在的问题在于它们将使机械结构的复杂程度人为增加，同时带来一系列的成本问题。使用两种未经证明的技术常常导致初始问题的难度以平方速率增大，而把这些技术整合成一个实用方案的成本则可能高得令人望而却步。”

负荷问题与混合型发动机

即使克服了这些障碍，工程师们也还必须解决另一个普遍存在的问题。为了发挥废气排放低的优势，HCCI发动机的燃油—空气混合物必须是贫油的（也就是燃油最相对于空气量的比例比较低），而这就使HCCI仅适用于负荷与速度较低或中等的运行条件。对于负荷及速度较高的情形，必须提高燃油—空气混合物中的燃油含量，但这样一来又将使燃烧温度增高，从而大大影响HCCI 的环境效益。因此，HCCI 燃烧可能将用在工程师们所谓的“双模式”发动机中。在发动机负荷较高时，它将从自动点火的HCCI 模式转换为火花点火（汽油机）模式或标准的燃油注入点火（柴油机）模式。

Najt指出HCCI最易实现的应用可能是用在燃油效率高的混合型电动汽车上，这种汽车的发动机是内燃机、电动机与电池三合一的动力系统。当用在混合型动力系统中时，无论内燃机是不是HCCI型的都将在速度与负荷均较低时工作。由于低速低负荷运行最能发挥洁净燃烧的HCCI 技术的优势，因此这一方案可能被证明是最适合于混合型电动动力系统。不过Najt指出，“即使是混合型发动机运行时其速度与负荷也在相当广泛的范围上变化，而负荷一旦增加，发动机必须立即跟上，因此现在尚不清楚HCCI 最终是否会成为混合动力系统的最佳发动机。” 之所以要对混合动力系统的发动机提出这种要求，是因为现今的电池其能量存储容量不够大，无法在汽车加速和爬坡时提供它所需要的额外动力。

虽然还有众多的技术障碍需要克服，但这显然并没有使许多工程师开发HCCI的热情受到打击。不过，一些观察家怀疑HCCI是否真的就是人们长期梦寐以求的兼具环境效益与经济效益的解决方案。Najt说，每隔几年汽车行业就会大肆炒热某种发动机技术，把它说成是可望解决这个问题的下一个重大发展动向。出席最近那次SAE会议的部分专家对HCCI技术并不抱那么乐观的态度。他们称HCCI是最新的一种装门面的发动机。

Najt解释说：“上世纪80年代中期汽车行业的明星是二冲程发动机，但最终却是烟消云散，毫无结果。几年前汽车行业又力捧汽油直接注射式发动机，虽然这次相对而言多少取得一些成功，看来它远远不是一种解决问题的灵丹妙药。”

许多发动机研究人员预期以HCCI为基础的动力装置将是第一种“由内向外”设计的汽车发动机。换言之，借助先进的计算模拟技术，工程师们将能够探索左右HCCI 过程的燃料氧化化学动力学以及与混合及燃烧有关的流体力学现象，然后再确定发动机的设计。但是， 工程师们也必须在对样机进行大量行之有效的传统试验之后，才能开发出一种实用的成本低廉的发动机。

Najt的结论是：“显然，现在来判断HCCI是否将取得成功为时过早，这是一项高风险的技术。”然而，大多数工程师们一致认为，在更洁净的发动机技术问世之前，HCCI 技术值得一搏。

混合方案——均匀进气压缩点火式发动机（HCCI）可以看做是火花点火发动机（即汽油机）与压缩点火机（即柴油机）相结合的产物。汽油机使用预混合的或均匀的燃油—空气混合物为燃料，它被吸入气缸后通过火花塞点燃，点燃后炽热的火苗前锋迅速扫过整个混合物。柴油机则是使燃料在活塞的压缩冲程期间被注入气缸内，在气缸中燃料与空气部分混合，产生一种不均匀的混合物，直至迅速上升的温度引起燃料自动点火。

HCCI发动机将把其预计和柴油机各自的特点——即汽油机的预混合燃料—空气混合物以及柴油机的压缩加热式自动点火——结合起来，得出一种低温而均匀的燃烧过程。这种燃烧过程不但可以提高燃料的效率，而且可以大大减少发动机尾气中的氮氧化物与烟灰的排放量。

【周晓刚 ／译  余扬 ／校】