摘 要 ：从“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧理论的演化，汽油燃料“均质压燃、低温燃烧”技术发展，柴油燃料“均质压燃、低温燃烧”和“均质压燃、低温燃烧”燃料特性等4个方面，介绍了国内外“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术的研究进展。在此基础上，对未来新一代内燃机燃烧技术的发展进行了展望。文章认为，除满足日益严格的有害排放法规外，内燃机节能成为内燃机燃烧技术进步的另一重要驱动力，扩展高效清洁运行工况范围仍是“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术需要解决的一个难题，基于“超高燃烧压力、废气稀释、低散热低温燃烧和可变热力循环”是未来“均质压燃、低温燃烧”燃烧技术发展的重要方向，燃烧过程“精细化”控制是实现高效清洁燃烧目标的关键。
关键词：均质压燃；低温燃烧；燃料特性；汽油燃料；柴油燃料
中图分类号：TK411+.2文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.02.001
Review and Prospect of the Combustion Technology of Homogeneous Charge Compression Ignition and Low Temperature Combustion
Yao Mingfa，Liu Haifeng
（State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China）
Abstract：Combustion technologies of homogeneous charge compression ignition(HCCI) and low temperature combustion(LTC) were reviewed in this paper which consists four parts, i.e., the evolvement of combustion theory based on HCCI and LTC, the development of HCCI and LTC using gasoline fuel, the development of HCCI and LTC using diesel fuel, and the effect of fuel properties on HCCI and LTC. On the basis of review, the future research directions in combustion technologies of a new generation of engines were discussed. It is obvious that energy saving is another impetus on the development of combustion technology of engines besides achieving the increasingly stringent emission regulations. Extending the operating range of high efficiency and clean combustion is still a difficult thing to solve. The important development directions on HCCI and LTC are super-high combustion pressure, exhaust gas dilutions, combustion process with lower heat loss, and variable thermodynamic cycles. The sophisticated control on combustion processes is the key problem to achieve the high efficiency and clean combustion.
Keywords：homogeneous charge compression ignition；low temperature combustion；fuel properties；gasoline；diesel
燃烧技术是内燃机的核心技术，回顾内燃机过去30余年的发展历程可以清晰看到，满足日益严格的排放法规已成为内燃机燃烧技术进步的主要推动力。以美国重型商用柴油机为例，EPA 2010年法规微粒限值（0.01 g/hp•h）和NOx限值(0.2 g/hp•h)都仅相当于1978年法规限值的1%(微粒：1.0 g/hp•h；NOx：20 g/hp•h）。在满足每一阶段越来越严格的排放法规中，内燃机高效清洁燃烧技术发挥着关键作用，燃烧技术的进步总是超出人们的预期。Richards[1]和Needham[2]分别于1988年和1989年先后在SAE发表论文认为要满足美国1994年排放法规必须采用微粒过滤器（DPF）。此后，人们认为后处理技术是满足1998年排放法规的重要手段。英国Perkins公司Fred Brear 1996年报告指出：DPF在2000年大规模使用该技术[3]。但是，事实上目前先进柴油机燃烧技术在满足欧IV-V法规（相当于EPA 20042007法规）仍可以不采用DPF后处理器，这充分显示出燃烧技术在内燃机节能和降低有害排放方面的巨大潜力。因此，内燃机高效清洁燃烧技术的研究一直都是国际内燃机界研究的热点和前沿课题。
20世纪90年代后期，尤其是21世纪以来，内燃机除了面临满足越来越严格的有害排放法规的挑战，还面临着CO2法规（燃油经济性）挑战，CO2法规逐步成为推动内燃机燃烧技术进步的又一主要因素，内燃机燃烧理论和燃烧新技术的研究进入了一个新的活跃时期。针对未来超低排放，甚至零排放的有害排放法规和CO2法规，人们提出了不同的内燃机新型燃烧方式，如均质压燃（HCCI）、预混合充量压燃（PCCI）、低温燃烧（LTC）、预混合分层压燃（PSCCI）等。综观这些燃烧方式，其核心就是改变以传统柴油机为代表扩散燃烧方式和以传统汽油机为代表的火花点燃的火焰传播燃烧方式，采用预混合、压燃、低火焰温度的燃烧方式，实现内燃机高效清洁燃烧。国内学者将这一新型燃烧方式统称为“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧方式。
本文从4个方面介绍了以“均质压燃、低温燃烧”为代表的新一代内燃机燃烧理论与燃烧新技术，并对国内外10余年来的研究进展进行了回顾，在此基础上，对未来内燃机高效清洁燃烧技术的发展进行了展望。
“均质压燃、低温燃烧”新一代内燃机燃烧理论概念的演化
“均质压燃、低温燃烧”是一种全新的内燃机燃烧方式，这一概念是经历国内外学者数十年的研究形成的。早在1979年Onishi等人[4]为降低二冲程汽油机排放和燃油消耗率时，发现汽油机在部分工况下通过缸内大量的残余废气，不用点燃也可平稳运转，并称为活化热氛围燃烧过程。这被广泛认为是最早提出的具有均质压燃特征的燃烧概念。同年，Noguchi 等人[5]对这种燃烧模式进行光谱研究表明在着火前检测到较高碳氢燃料低温反应中间产物，如CH2O、HO2和O；着火后才检测到较多高温反应中间自由基CH、H和OH。1983年，Najt与Foster[6]最先在四冲程发动机上研究这一燃烧现象，并对燃烧机理进行了研究，发现这一燃烧过程的自燃着火受低温化学反应控制（＜1000 K），缸内混合气的能量释放则是由CO氧化占主导的高温化学反应（＞1000 K）控制。1989年，Thring[7]研究发现均质压燃运转工况范围局限于部分负荷，自燃着火时刻很难控制；并首次提出了“均质压燃”，即HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)这一描述此种燃烧过程的名词。初期的研究发现，HCCI燃烧没有火焰传播，均质混合气燃烧过程呈现多点同时着火的特征[8-9]， HCCI燃烧过程表现为典型的两阶段放热：低温放热和高温放热。在低温放热与高温放热之间出现负温度系数（NTC）区，在NTC区内化学反应速率随缸内温度增加而减小。