本田均質稀薄燃燒方案旨在實現(xiàn)高效低排

日前，本田公司宣布推出了一種均質稀薄燃燒技術發(fā)動機(Homogeneous Lean Charge Spark Ignition ，HLSI)，該發(fā)動機具有燃燒效率高、廢氣排放低等特點。早在2013年，本田汽車公司在國際汽車工程師學會(SAE)上就對該技術進行了基本的介紹。而在近期舉行的2014年國際汽車工程師學會高效內燃機研討會上，來自本田汽車公司研發(fā)部門的Takashi Kondo向與會者詳細介紹了該技術的測試結果。

豐田汽車研發(fā)公司研發(fā)中心常務主任Toshihiro Mibe在2013年亞琛座談會上提出的本田汽車公司發(fā)動機技術路線圖以及該均質稀薄燃燒技術發(fā)動機在其中的關鍵作用

Takashi Kondo表示，該均質稀薄燃燒技術發(fā)動機采用了空氣燃料比分層技術，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燃。總體而言，該發(fā)動機采用的空氣燃料比整體分層技術可以達到稀薄燃燒技術發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性強的特點。稀薄燃燒技術發(fā)動機具有更高的燃燒效率和更大的空氣燃料比，同時通過提高空氣燃料比可以有效降低發(fā)動機輸出損失。然而，在發(fā)動機汽缸燃燒前半段過程中空氣燃料比較小，燃料濃度較高，此時發(fā)動機氮氧化物排放量仍然較多，而且通過三元催化劑來降低排放的效果也不是非常明顯。

本田汽車公司希望通過將稀薄燃燒技術與均質預混合技術綜合運用以達到穩(wěn)定可控燃燒以及低氮氧化物排放等目的。稀薄燃燒技術具有燃燒可控性強、燃燒噪音低等特點;均質預混合技術則具有氮氧化物排放少以及燃燒效率高等特點。此次，本田公司推出的均質稀薄燃燒技術發(fā)動機充分利用了以上兩種技術的各自優(yōu)勢，并避免了稀薄燃燒技術氮氧化物排放量較高以及均質預混合技術燃燒可控性較低、燃燒噪音較大、工作范圍較窄等缺點。

本田汽車公司設想該均質稀薄燃燒技術發(fā)動機可以達到低于50ppm的氮氧化物排放以及具有高燃效、低燃噪等特點

Hanabusa等人表示：“截止至目前針對通過利用稀薄燃燒技術提高汽油發(fā)動機燃燒效率的有效方法已經開展了大量的研究。采用稀薄燃燒技術的發(fā)動機中，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(tǒng)的分層均質稀薄燃燒發(fā)動機中，火花塞周圍的空氣燃油混合物濃度較高，因此，在發(fā)動機前半段燃燒過程中會產生相應的氮氧化物有害氣體。在一般的發(fā)動機中，尾氣中的氮氧化物幾乎100%地會被三元催化劑凈化掉;但是在稀薄燃燒發(fā)動機中，該三元催化劑對于氮氧化物幾乎沒有任何凈化作用。因此，要達到排放控制標準尾氣中氮氧化物的就必須通過稀薄氮氧化物催化劑(lean NOx catalyst，LNC)進行凈化。當稀薄氮氧化物催化劑中的氮氧化物含量超過了排放標準時，發(fā)動機內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)動機內進行高濃度空氣燃油混合物燃燒會導致發(fā)動機燃油效率降低。隨著尾氣排放標準越來越嚴格，發(fā)動機采用高濃度空氣燃油混合物燃燒的比例也越來越大。目前，市場上稀薄燃燒發(fā)動機已基本停止出售。

為解決以上問題，汽車技術人員對均質充量壓燃發(fā)動機(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)進行了大量的研究。但是由于該均質充量壓燃發(fā)動機存在工作范圍較窄、燃燒可控性較低等缺點而未能進入量產。

為提高發(fā)動機的燃油效率以及節(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而未采用稀薄氮氧化物催化劑。文章中討論的該技術主要通過利用稀薄燃燒技術，并利用穩(wěn)定火花塞為均質可燃混合物點火以達到低氮氧化物排放和高燃燒可控性等要求。總而言之，本田汽車公司此次進行的研究主要目的是為了弄清楚均質稀薄燃燒技術可以降低氮氧化物排放的原理機制，并且該目標也已經成功達到。根據此次研究得到的原理機制，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發(fā)動機。”

眾所周知，均質稀薄空氣燃油預混合氣體具有較差的火焰?zhèn)鞑バ阅堋榱舜_定該現(xiàn)象的主要原因，本田汽車公司進行了實驗研究，實驗中采用的是單缸發(fā)動機，通過改變該單缸發(fā)動機的燃燒壓縮比和進氣溫度等來實驗研究該發(fā)動機的燃燒特點。

在最初的幾組實驗中，本田汽車公司對該單缸發(fā)動機進行了改裝，其燃油從一個位于發(fā)動機上空1米左右的上游端口注射器注入發(fā)動機內。在此注入過程中燃油可與空氣進行充分混合，得到充分混合的空氣燃油混合物再經過加熱器加熱最后再輸送至發(fā)動機。本田汽車公司通過改變發(fā)動機的燃燒壓縮比和進氣溫度得到不同的組合方式以實驗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的溫度要低于950開氏度(約合677攝氏度)，因此其在發(fā)動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(xiàn)，當未燃燒空氣燃油混合氣體溫度超過1000開氏度(約合727攝氏度)時，發(fā)動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1000開氏度時，過氧化氫將分解產生OH自由基，因此使得燃燒速度得到大幅提升。

為了盡快地將實驗研究的燃燒概念轉化為產品，本田汽車公司采用了量產四缸發(fā)動機的單個氣缸進行了實驗，其中該發(fā)動機的上止點燃燒溫度可以超過1000開氏度。盡管本田汽車公司保留了發(fā)動機自身的進氣噴射系統(tǒng)，但是研究人員還是通過改進安裝了霧化噴嘴，這樣一來空氣燃油混合物便可以得到更加充分的混合。

在發(fā)動機到達上止點之前，其層流燃燒速度較慢，為了提高此時稀薄空氣燃油混合物的熱效應，實驗人員采用了不同的壓縮比、不同的進氣系統(tǒng)、不同的活塞形狀以及不同的點火系統(tǒng)來進行試驗研究。

通過以上改進，試驗發(fā)動機的空氣燃油比極限提升到了A/F 31。而在發(fā)動機的空氣燃油比為A/F 30時，發(fā)動機具有最高的燃油效率，其氮氧化物排放量也低于50ppm。此時發(fā)動機轉速為1500轉/分鐘，發(fā)動機缸內凈平均有效壓力(net Mean Effective Pressure，NMEP)為500kPa。