柴油機熱效率高，功率范圍廣，是工程機械的主要動力源。微粒(PM)和氧化物(NO2)是柴油機中的主要有害排放物，除低負荷工礦外，柴油機的CO和HC排放均較小。因此，柴油機為降低排放的努力幾乎都是圍繞如何減少PM和NOx的排放進行的。大量研究表明，傳統(tǒng)的壓燃點火直噴式柴油機，由于其不均勻的，油束擴散式燃燒方式的限制，降低MP排放的技術(shù)措施與降低NOx排放的技術(shù)措施是相互矛盾的。
未來柴油機面臨歐IV、歐V、US2007等越來越嚴(yán)格的法規(guī)要求，柴油機的PM和NOx排放必須被同時大幅度降低才能夠滿足這些嚴(yán)格的法規(guī)。近年來，一種既能滿足未來嚴(yán)格排放法規(guī)，又能夠保持高熱效率優(yōu)點的柴油機燃燒方式，在國際上日益受到重視，這就是均質(zhì)充量壓燃著火燃燒方式(簡稱HCCI燃燒方式)。
1 柴油機HCCI燃燒方式概述
在HCCI燃燒方式下柴油和空氣在燃燒開始前已充分混合，形成均質(zhì)預(yù)混合氣?；旌蠚獗换钊麎嚎s并發(fā)生自燃，并呈分布均勻、稀混合的低溫、快速燃燒，從根本上消除了產(chǎn)生NOx的局部高溫區(qū)和產(chǎn)生PM的過濃混合區(qū)。
柴油HCCI燃燒方式的研究始于上實際90年代中期。目前國際上，以柴油為燃料的HCCI發(fā)動機的開發(fā)逐漸受到重視，這主要有以下幾方面原因：
(1)柴油機可靠性更高，維護成本低。
(2)燃料的繼承性好。商用車、重型載重車量、大型工程機械均是以柴油機作為動力，柴油HCCI發(fā)動機仍然能夠繼續(xù)利用現(xiàn)有的加油和服務(wù)設(shè)施。
(3)經(jīng)濟性好。目前的計數(shù)還無法實現(xiàn)柴油機全工況的HCCI燃燒過程，從實用化角度出發(fā)，必然要雙模式運行方案，即在中低負荷，采用HCCI燃燒過程，在高負荷，仍然采用傳統(tǒng)的燃燒方式，能夠采用傳統(tǒng)的最佳的發(fā)動機經(jīng)濟性能。
此外，傳統(tǒng)的柴油機只依靠機內(nèi)凈化技術(shù)已不能滿足要求，必須采用新的處理技術(shù)，如DeNOx催化裝置和微粒捕集器。但是在柴油機的中低負荷，排氣溫度難以滿足后處理裝置的實用要求，且使用后處理裝置后，還會帶來經(jīng)濟性惡化、成本上升以及可靠性等問題。采用HCCI燃燒技術(shù)，則可以解決上述矛盾。
但是，實現(xiàn)實用化的柴油機HCCI燃燒決非易事，主要面臨兩方面的困難：一是柴油粘度大，揮發(fā)性差，形成預(yù)混合均質(zhì)混合器困難；二是柴油作為高十六烷值燃料，容易發(fā)生低溫自燃反應(yīng)，均質(zhì)預(yù)混合器的燃燒速率控制困難，易造成粗暴燃燒。
　　2 國外柴油機HCCI燃燒的研究現(xiàn)狀及技術(shù)特征
目前，美國、日本等國的大汽車公司及核心研究機構(gòu)都在開展HCCI燃燒的研究。國際上現(xiàn)有的柴油機HCCI燃燒技術(shù)，按照混合器形成方式可分以下3類：
(1)缸外預(yù)混HCCI，即在進氣沖程柴油被噴入進氣管，與空氣混合形成預(yù)混合氣。
(2)缸內(nèi)早噴HCCI，即在壓縮沖程早期，柴油被噴入氣缸，隨活塞上行逐步與空氣混合，直至發(fā)生自燃著火。
(3)缸內(nèi)晚噴HCCI，即在壓縮上止點后開始噴油，并結(jié)合提高噴射壓力和進氣渦流，以及高EGR率，提高拆由于空氣的混合速率，保證在燃燒開始前完成噴射，形成混合氣。
下面對這3種柴油HCCI預(yù)混合氣形成方式分別加以介紹。
　　2.1 缸外預(yù)混柴油HCCI燃燒
柴油被噴入進氣管和空氣進行混合的方式，是形成預(yù)混合氣最直接的方法，也是最容易實現(xiàn)的方法。早期的一些柴油HCCI燃燒過程的研究者大多采用這種方法。但是，缸外柴油預(yù)混合方案，對柴油預(yù)混合氣的混合過程和自然著火過程都無法直接控制，不能夠作為有實用化前景的方案來發(fā)展。
　　2.2 缸內(nèi)早噴柴油HCCI燃燒
缸內(nèi)壓縮沖程早期直噴柴油，是目前被最普遍采用的柴油燃料HCCI預(yù)混合氣形成方式。與缸外預(yù)混合柴油HCCI相比，早噴柴油HCCI具有以下幾方面優(yōu)點：
(1)壓縮沖程氣缸內(nèi)的溫度和壓力高于進氣門開啟時進氣管內(nèi)的溫度和壓力，因此有助于燃油的霧化和混合。壓縮沖程早期噴油，降低了對進氣溫度的要求，從而也減少了混合氣爆燃的傾向。
(2)從原理上說，采用壓縮沖程早期噴油的方案，可以只需要一套供油系統(tǒng)滿足HCCI和傳統(tǒng)直噴柴油兩種燃燒方式。但根據(jù)目前的文獻，并不是所有的缸內(nèi)早噴柴油HCCI反感都能夠使用兼顧HCCI燃燒和傳統(tǒng)直噴柴油HCCI方案都能夠使用兼顧HCCI燃燒和傳統(tǒng)直噴柴油燃燒的燃油系統(tǒng)。
缸內(nèi)早噴柴油HCCI在實現(xiàn)過程中面臨的主要困難是，在壓縮沖程留給燃油與孔氣混合的時間并不充裕，同時還要避免燃油撞壁的發(fā)生。而且在形成均質(zhì)柴油/空氣預(yù)混合氣的前提下，燃燒始點的控制仍然是個嚴(yán)峻的問題。
日本New ACE Institute、三菱公司、豐田公司、法國IFP等都提出了各自的柴油機缸內(nèi)早噴HCCI燃燒方案。
　　日本New ACE Institute的研究者剔除了柴油機HCCI燃燒的MULDIC(Multiple Stage Diesel Combustion)燃燒方式。圖1所示為MULDIC系統(tǒng)示意圖。為了避免在缸內(nèi)早期噴射油束撞壁，圖1采用了特殊的噴嘴和噴油器布置方案，即用2個側(cè)置噴油器向氣缸中心對噴，利用油束的碰撞減小貫穿度。MULDIC方式下，NOx培反給原柴油機的1/6(1g/kW?h),經(jīng)濟性改善2%，PM排放較高(0.8g/kW?h)。
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