本田均质稀薄燃烧方案旨在实现高效低排

    日前，本田公司宣布推出了一种均质稀薄燃烧技术发动机（Homogeneous Lean Charge Spark Ignition ，HLSI），该发动机具有燃烧效率高、废气排放低等特点。早在2013年，本田汽车公司在国际汽车工程师学会（SAE）上就对该技术进行了基本的介绍。而在近期举行的2014年国际汽车工程师学会高效内燃机研讨会上，来自本田汽车公司研发部门的Takashi Kondo向与会者详细介绍了该技术的测试结果。

丰田汽车研发公司研发中心常务主任Toshihiro Mibe在2013年亚琛座谈会上提出的本田汽车公司发动机技术路线图以及该均质稀薄燃烧技术发动机在其中的关键作用

    Takashi Kondo表示，该均质稀薄燃烧技术发动机采用了空气燃料比分层技术，在火花塞周围分布的是浓度较大的空气燃料混合物以帮助点燃。总体而言，该发动机采用的空气燃料比整体分层技术可以达到稀薄燃烧技术发动机燃烧稳定性强的特点。稀薄燃烧技术发动机具有更高的燃烧效率和更大的空气燃料比，同时通过提高空气燃料比可以有效降低发动机输出损失。然而，在发动机汽缸燃烧前半段过程中空气燃料比较小，燃料浓度较高，此时发动机氮氧化物排放量仍然较多，而且通过三元催化剂来降低排放的效果也不是非常明显。

    本田汽车公司希望通过将稀薄燃烧技术与均质预混合技术综合运用以达到稳定可控燃烧以及低氮氧化物排放等目的。稀薄燃烧技术具有燃烧可控性强、燃烧噪音低等特点；均质预混合技术则具有氮氧化物排放少以及燃烧效率高等特点。此次，本田公司推出的均质稀薄燃烧技术发动机充分利用了以上两种技术的各自优势，并避免了稀薄燃烧技术氮氧化物排放量较高以及均质预混合技术燃烧可控性较低、燃烧噪音较大、工作范围较窄等缺点。

本田汽车公司设想该均质稀薄燃烧技术发动机可以达到低于50ppm的氮氧化物排放以及具有高燃效、低燃噪等特点

    Hanabusa等人表示：“截止至目前针对通过利用稀薄燃烧技术提高汽油发动机燃烧效率的有效方法已经开展了大量的研究。采用稀薄燃烧技术的发动机中，三元催化剂对于尾气中氮氧化物的净化作用并不明显。因此，为了降低发动机尾气中氮氧化物的含量可以提高极限空气燃油比。

    在传统的分层均质稀薄燃烧发动机中，火花塞周围的空气燃油混合物浓度较高，因此，在发动机前半段燃烧过程中会产生相应的氮氧化物有害气体。在一般的发动机中，尾气中的氮氧化物几乎100%地会被三元催化剂净化掉；但是在稀薄燃烧发动机中，该三元催化剂对于氮氧化物几乎没有任何净化作用。因此，要达到排放控制标准尾气中氮氧化物的就必须通过稀薄氮氧化物催化剂（lean NOx catalyst，LNC）进行净化。当稀薄氮氧化物催化剂中的氮氧化物含量超过了排放标准时，发动机内稀薄燃烧将停止而开始高浓度空气燃油混合物燃烧以降低氮氧化物的含量。但是，发动机内进行高浓度空气燃油混合物燃烧会导致发动机燃油效率降低。随着尾气排放标准越来越严格，发动机采用高浓度空气燃油混合物燃烧的比例也越来越大。目前，市场上稀薄燃烧发动机已基本停止出售。

    为解决以上问题，汽车技术人员对均质充量压燃发动机（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）进行了大量的研究。但是由于该均质充量压燃发动机存在工作范围较窄、燃烧可控性较低等缺点而未能进入量产。

    为提高发动机的燃油效率以及节约成本，本田汽车公司此次研究主要是利用稀薄燃烧技术而未采用稀薄氮氧化物催化剂。文章中讨论的该技术主要通过利用稀薄燃烧技术，并利用稳定火花塞为均质可燃混合物点火以达到低氮氧化物排放和高燃烧可控性等要求。总而言之，本田汽车公司此次进行的研究主要目的是为了弄清楚均质稀薄燃烧技术可以降低氮氧化物排放的原理机制，并且该目标也已经成功达到。根据此次研究得到的原理机制，本田汽车公司此次研究目的是为了研发一种高燃效、低氮氧化物排放的稀薄燃烧技术发动机。”

    众所周知，均质稀薄空气燃油预混合气体具有较差的火焰传播性能。为了确定该现象的主要原因，本田汽车公司进行了实验研究，实验中采用的是单缸发动机，通过改变该单缸发动机的燃烧压缩比和进气温度等来实验研究该发动机的燃烧特点。

    在最初的几组实验中，本田汽车公司对该单缸发动机进行了改装，其燃油从一个位于发动机上空1米左右的上游端口注射器注入发动机内。在此注入过程中燃油可与空气进行充分混合，得到充分混合的空气燃油混合物再经过加热器加热最后再输送至发动机。本田汽车公司通过改变发动机的燃烧压缩比和进气温度得到不同的组合方式以实验研究影响稀薄燃烧极限的因素。

    研究人员发现，燃烧不正常的周期主要是由燃烧波动引起的，而且相比其他稳定燃烧周期，燃烧不正常周期的上止点燃烧温度普遍较低。燃烧不正常周期中未燃烧气体在上止点的温度要低于950开氏度（约合677摄氏度），因此其在发动机膨胀行程中具有非常不理想的热效应。

    研究人员还发现，当未燃烧空气燃油混合气体温度超过1000开氏度（约合727摄氏度）时，发动机内层流燃烧速度将迅速增加。其中，在未燃烧空气燃油混合气体温度达到或超过1000开氏度时，过氧化氢将分解产生OH自由基，因此使得燃烧速度得到大幅提升。

    为了尽快地将实验研究的燃烧概念转化为产品，本田汽车公司采用了量产四缸发动机的单个气缸进行了实验，其中该发动机的上止点燃烧温度可以超过1000开氏度。尽管本田汽车公司保留了发动机自身的进气喷射系统，但是研究人员还是通过改进安装了雾化喷嘴，这样一来空气燃油混合物便可以得到更加充分的混合。

    在发动机到达上止点之前，其层流燃烧速度较慢，为了提高此时稀薄空气燃油混合物的热效应，实验人员采用了不同的压缩比、不同的进气系统、不同的活塞形状以及不同的点火系统来进行试验研究。

    通过以上改进，试验发动机的空气燃油比极限提升到了A/F 31。而在发动机的空气燃油比为A/F 30时，发动机具有最高的燃油效率，其氮氧化物排放量也低于50ppm。此时发动机转速为1500转/分钟，发动机缸内净平均有效压力（net Mean Effective Pressure，NMEP）为500kPa。

    本田汽车公司均质稀薄燃烧技术发动机在空气燃油比为A/F 30时，其燃烧效率由之前的33.7%提升了6.2%提升至39.9%。此次，本田汽车公司主要通过控制发动机的制冷损失和输出损失来提高发动机燃烧效率，其中制冷损失主要是由发动机缸内混合气体温度较低造成的，而输出损失主要是由空气过度稀释造成的。此外，排放损失和未燃烧混合气损失成为了影响发动机燃烧效率的主要因素。

图中“Heat loss (other)”是指除水冷外的热损失

    基于以往的工作研究结果，本田汽车大致得出了以下结论：

    -通过为缸内直喷发动机提供均质预混合空气燃油混合气体，并调整压缩比和进气温度提高缸内混合气体温度可以提高空气燃油比极限并能降低氮氧化物的排放。

    -不同压缩比和不同进气温度的组合对空气燃油比有非常大的影响，通过调整组合配比可以使得缸内混合气体温度提高从而提高空气燃油比极限。同时，发动机缸内混合气体温度升高也将使发动机氮氧化物排放降低。

    -在发动机上止点燃烧温度达到1000开氏度（约合727摄氏度）时，发动机内过氧化氢将发生分解反应，从而使得缸内层流燃烧速度增加、燃烧波动更加稳定。

    -通过对均质稀薄混合燃料气体的分析可以得到发动机燃烧效率提升的原理机制。

    -该发动机燃烧概念非常有利于进行量产，并且在发动机燃烧火焰传播过程中，发动机具有相当高的燃烧效率和相当低的氮氧化物排放。

     Kondo最后还表示，尽管该均质稀薄燃烧技术发动机的氮氧化物排放已经达到了相当低的排放，但是其仍未能达到日本、美国即将出台的新标准要求。因此，该均质稀薄燃烧技术发动机的应用仍需要进行后续的相关处理。