本田均質(zhì)稀薄燃燒方案旨在實(shí)現高效低排

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(Homogeneous Lean Charge Spark Ignition ，HLSI)，該發(fā)動(dòng)機具有燃燒效率高、廢氣排放低等特點(diǎn)。早在2013年，本田汽車(chē)公司在國際汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )(SAE)上就對該技術(shù)進(jìn)行了基本的介紹。而在近期舉行的2014年國際汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )高效內燃機研討會(huì )上，來(lái)自本田汽車(chē)公司研發(fā)部門(mén)的Takashi Kondo向與會(huì )者詳細介紹了該技術(shù)的測試結果。

豐田汽車(chē)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(chē)公司發(fā)動(dòng)機技術(shù)路線(xiàn)圖以及該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機在其中的關(guān)鍵作用

Takashi Kondo表示，該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機采用了空氣燃料比分層技術(shù)，在火花塞周?chē)植嫉氖菨舛容^大的空氣燃料混合物以幫助點(diǎn)燃?？傮w而言，該發(fā)動(dòng)機采用的空氣燃料比整體分層技術(shù)可以達到稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機燃燒穩定性強的特點(diǎn)。稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機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)機輸出損失。然而，在發(fā)動(dòng)機汽缸燃燒前半段過(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(chē)公司希望通過(guò)將稀薄燃燒技術(shù)與均質(zhì)預混合技術(shù)綜合運用以達到穩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、燃燒噪音低等特點(diǎn);均質(zhì)預混合技術(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)機充分利用了以上兩種技術(shù)的各自?xún)?yōu)勢，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(chē)公司設想該均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)發(fā)動(dòng)機可以達到低于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：“截止至目前針對通過(guò)利用稀薄燃燒技術(shù)提高汽油發(fā)動(dòng)機燃燒效率的有效方法已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究。采用稀薄燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機中，三元催化劑對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)機尾氣中氮氧化物的含量可以提高極限空氣燃油比。

在傳統的分層均質(zhì)稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機中，火花塞周?chē)目諝馊加突旌衔餄舛容^高，因此，在發(fā)動(dòng)機前半段燃燒過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生相應的氮氧化物有害氣體。在一般的發(fā)動(dòng)機中，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)機中，該三元催化劑對于氮氧化物幾乎沒(méi)有任何凈化作用。因此，要達到排放控制標準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。當稀薄氮氧化物催化劑中的氮氧化物含量超過(guò)了排放標準時(shí)，發(fā)動(dòng)機內稀薄燃燒將停止而開(kāi)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)機內進(jìn)行高濃度空氣燃油混合物燃燒會(huì )導致發(fā)動(dòng)機燃油效率降低。隨著(zhù)尾氣排放標準越來(lái)越嚴格，發(fā)動(dòng)機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)機已基本停止出售。

為解決以上問(wèn)題，汽車(chē)技術(shù)人員對均質(zhì)充量壓燃發(fā)動(dòng)機(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)機的燃油效率以及節約成本，本田汽車(chē)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)，并利用穩定火花塞為均質(zhì)可燃混合物點(diǎn)火以達到低氮氧化物排放和高燃燒可控性等要求?？偠灾?，本田汽車(chē)公司此次進(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制，并且該目標也已經(jīng)成功達到。根據此次研究得到的原理機制，本田汽車(chē)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。”

眾所周知，均質(zhì)稀薄空氣燃油預混合氣體具有較差的火焰傳播性能。為了確定該現象的主要原因，本田汽車(chē)公司進(jìn)行了實(shí)驗研究，實(shí)驗中采用的是單缸發(fā)動(dòng)機，通過(guò)改變該單缸發(fā)動(dòng)機的燃燒壓縮比和進(jìn)氣溫度等來(lái)實(shí)驗研究該發(fā)動(dòng)機的燃燒特點(diǎn)。

在最初的幾組實(shí)驗中，本田汽車(chē)公司對該單缸發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了改裝，其燃油從一個(gè)位于發(fā)動(dòng)機上空1米左右的上游端口注射器注入發(fā)動(dòng)機內。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。本田汽車(chē)公司通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機的燃燒壓縮比和進(jìn)氣溫度得到不同的組合方式以實(shí)驗研究影響稀薄燃燒極限的因素。

研究人員發(fā)現，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(kāi)氏度(約合677攝氏度)，因此其在發(fā)動(dòng)機膨脹行程中具有非常不理想的熱效應。

研究人員還發(fā)現，當未燃燒空氣燃油混合氣體溫度超過(guò)1000開(kāi)氏度(約合727攝氏度)時(shí)，發(fā)動(dòng)機內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到或超過(guò)1000開(kāi)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)驗研究的燃燒概念轉化為產(chǎn)品，本田汽車(chē)公司采用了量產(chǎn)四缸發(fā)動(dòng)機的單個(gè)氣缸進(jìn)行了實(shí)驗，其中該發(fā)動(dòng)機的上止點(diǎn)燃燒溫度可以超過(guò)1000開(kāi)氏度。盡管本田汽車(chē)公司保留了發(fā)動(dòng)機自身的進(jìn)氣噴射系統，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)機到達上止點(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，實(shí)驗人員采用了不同的壓縮比、不同的進(jìn)氣系統、不同的活塞形狀以及不同的點(diǎn)火系統來(lái)進(jìn)行試驗研究。

通過(guò)以上改進(jìn)，試驗發(fā)動(dòng)機的空氣燃油比極限提升到了A/F 31。而在發(fā)動(dòng)機的空氣燃油比為A/F 30時(shí)，發(fā)動(dòng)機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)機轉速為1500轉/分鐘，發(fā)動(dòng)機缸內凈平均有效壓力(net Mean Effective Pressure，NMEP)為500kPa。