如何通过CAI燃烧法加速燃料燃烧，从而降低NOx排放？
文 |绯娱罐头
编辑 | 绯娱罐头
●○引言○●
近年来随着我国经济社会的快速发展，公共交通等基础设施越来越完善，我国的汽车保有量也在快速增加。
据统计，截止到2022年，我国机动车保有量已经有4.17亿辆，其中汽车大概有3.19亿辆，截至2022年底，全国机动车驾驶人数量已经达到5.02亿人，汽车驾驶人大约有4.64亿人。
汽车给我们带来便利的同时，也带来了能源安全与环境污染的问题，汽车保有量的增加将直接导致对石油的需求量大量上升，势必会对环境造成更多的污染。
那么，能否通过改变内燃机的燃烧方式，以减少氮氧化物的排放量？
为了应对能源安全问题，以及日益严重的环境污染和日益严格的排放法规，寻找更加高效清洁的发动机技术，降低排放污染物已经成为内燃机领域的主要研究方向。
随着汽车产业的发展，随之而来的一系列能源消耗与环境污染问题，给发动机研发工作者带来了极大的挑战性，促使内燃机领域不断地开发出更加高效清洁的发动机技术。
CAI作为一种全新的内燃机燃烧方式，以其突出的低氮氧化物排放性能和低油耗性能，成为内燃机领域近年来的研究热点。
而传统发动机分为两种：点燃式发动机即汽油机和压燃式发动机即柴油机。
它摆脱了我们熟知的传统汽油机和柴油机的束缚，兼具了汽油机的均质混合气和柴油机的压燃着火最优特性。
从而使得CAI燃烧具有低排放性能和低油耗性能优势，对未来发动机的节能减排之路具有非常重要的研究意义。
同时CAI具备燃烧热效率高的优势，因为发动机着火方式类似于柴油机，采用压燃方式着火，压缩比较高。
并且CAI发动机将节气门部件去除，很大程度上减少了发动机的泵气损失，同时也降低了机械损失，进气阻力减小之后每循环进气量得到了大幅度提升，从而提高了发动机的指示热效率。
同时CAI发动机是多点同时着火，不需要火焰传播，燃烧速度很快，研究表明CAI发动机的燃烧热效率和柴油机相当，但是动力性、经济性比柴油机明显升高。
而CAI发动机气缸内的可燃混合气是均质混合气，不存在局部混合气过稀或过浓的区域。
其中碳烟生成的条件是高温氧气不充足，而NOx生成的条件是高温富氧，CAI燃烧将会减少碳烟和NOx的排放。
由上述介绍可以得知，CAI燃烧具有燃烧热效率高、可以降低氮氧化合物的排放、可选燃料范围广等优势，刚好符合发动机当前研究阶段的节能减排要求。
所以CAI对于缓解我国的能源问题和环境污染问题，有很重要的研究意义，因此研究CAI燃烧和排放特性非常必要。
但CAI燃烧主要受控于化学反应动力学，没有强制性的着火控制方法，其燃烧时刻与燃烧速度很难控制。
因此研究稳态燃烧过程中，各个控制参数对CAI燃烧和排放特性的影响，并利用这些影响规律对CAI燃烧过程进行协同控制，对于CAI发动机走向实用化非常必要。
为了进一步验证CAI发动机的优点，我们搭建了一个实验平台。
为了确定控制参数对CAI燃烧的影响，试验部分基于一台自然吸气、四冲程单缸柴油机ZR180进行。
在这台发动机上经过了一系列改装，使其能够进行汽油SI和CAI两种燃烧模式，进行的改装主要有：
安装凸轮驱动式液压可变气门机构，重新设计燃烧室调整压缩比加装火花塞，缸内直喷改为进气道喷射，还包括一些监测传感器的安装。
对于汽油机来说，为了避免可能会发生爆震现象，SI燃烧模式下压缩比一般选择9-12。
而柴油机DI燃烧模式下压缩比一般选择16-22，主要是为了保证柴油机冷启动，可以顺利进行。
对于CAI燃烧模式来说，压缩比越高越有利于其顺利燃烧，但是由于研究以汽油为燃烧燃料，在冷启动、热机以及大负荷等大部分工况下，发动机仍然是以SI燃烧模式运转。
如果压缩比过高极有可能会发生爆震现象，所以研究选的压缩比为15。
降低压缩比不需要改变发动机其他结构参数，只需将活塞顶部进行切割，将压缩比改为15:1，这当中燃油供给系统与火花点火系统均起到了重要作用。
由于CAI燃烧模式需要均匀的可燃混合气以降低排放，而柴油机的燃油供给是缸内直喷模式，这种模式不能形成均匀的可燃混合气。
所以为了形成均匀的可燃混合气，将燃油喷射系统从缸内直喷模式（GDI）改成进气道喷射模式（PFI）。
燃油喷射系统将汽油喷射到进气道内，与新鲜空气混合形成均匀的可燃混合气，进气门开启后可燃混合气进入缸内经过压缩冲程积累能量后自燃燃烧。
由于本研究以汽油为燃烧燃料，在冷启动、热机以及大负荷等大部分工况下，发动机仍然是以SI燃烧模式运转，SI燃烧模式需要有火花塞点火。
所以需要对柴油机加装火花塞，本试验将火花塞安装在原机燃油喷射系统喷嘴的位置上。
搭建完成的试验平台实物图如下图所示，利用搭建的CAI汽油机试验平台进行了初步的CAI燃烧稳态试验和瞬态试验。
当保持发动机转速为1000r/min、过量空气系数为节气门全开时，利用可变气门机构实现了CAI稳定燃烧，并对CAI燃烧可实现的负荷范围进行了探索。
而气缸模块的参数设置，是建立CAI汽油机仿真模型中，最为复杂、最重要的一部分。
其中气缸初始状态参数设置、燃烧模型和传热模型等参数的设置，在很大程度上会影响CAI燃烧仿真计算的收敛速度和计算精度。
所以正确的设置这些参数对仿真计算至关重要，其中壁面温度主要包括三个温度的设置，分别是：气缸头（燃烧室顶面）温度、活塞温度、气缸壁温度。
在GT-Power软件的使用手册中介绍了三个温度的设置参考范围，气缸头温度：550-600K，活塞温度：550-600K，气缸壁温度：发动机满载时最大值为400K。
本实验选取的气缸头温度为460K，活塞温度460K，气缸壁温度360K。
同时采用“EngCylCombHCCI”燃烧模型，此燃烧模型需要设置燃烧开始角度、燃烧终止角度、以及缸内燃烧化学反应机理文件。
GT-Power软件的参考手册中介绍，燃烧开始角度需要设置在进气门关闭之后、燃烧开始之前，通常设置为-90°左右，默认值是-180°。
所以本实验选取的燃烧开始角度为-100°，燃烧终止角度通常设置在90°-180°之间，默认值是180°，本研究选取的燃烧终止角度为100°。
而关于缸内化学反应机理的设置也尤为重要，实验选取的是“EngCylChemGas”模型，在设置此模型时缸内化学反应可以直接输入，也可以直接导入一个标准的Chemkin格式的文本文件。
那么又该如何确保上述搭建的一维CAI汽油机仿真模型，具备准确性呢？
为确保实验准确性，需将模型多个工况点下的仿真结果，与发动机台架试验数据进行对比验证。
选取下表中所示的发动机工况点作为仿真模型校核点，此时发动机转速为1000r/min。
而下图所示的是发动机转速1000r/min下，不同负荷工况下IMEP的试验数据与仿真数据的对比。
其中图（a）所示的是不同负荷工况下，IMEP的试验数据与仿真数据对比，图（b）所示的是两者的相对误差。
且由图可以看出IMEP的仿真数据与试验数据吻合度高，误差在工程手册要求的5%精度以内，因此认为该CAI汽油机仿真模型符合仿真精度要求。
并且可以看出CAI汽油机仿真模型的缸压曲线，与发动机台架试验获取的缸压曲线吻合度较高，证明了此仿真模型的准确性。
这在一定程度上可以真实反应CAI汽油机的燃烧过程，由于建立此仿真模型过程中使用了一些经验参数和简易化处理，因此造成一定的标定误差。
通过计算可知该仿真模型计算结果，与试验数据的最大误差小于工程手册要求的5%精度，所以该模型可以作为后续仿真研究平台。
●○结论○●
实验介绍了 CAI 汽油机试验平台搭建过程、仿真平台的搭建过程以及仿真模型的验证。
主要内容为，基于一台自然吸气、四冲程单缸柴油机 ZR180，经过加装凸轮驱动式液压可变气门机构、降低压缩比、增加火花点火系统、改缸内直喷为进气道喷射等一系列改装。
结论发现，CAI燃烧方式可以有效减少碳排放，其高热效率和优化燃烧过程使碳烟和NOx排放显著降低。
通过改变燃烧方式，CAI技术在减少碳排放和环境影响方面具有潜力，为应对能源与环境挑战提供了可行途径。