传统发动机的救心丸，HCCI能将热效率提高到50%吗？

热效率达到50%！请给传统发动机更多的技术自信。...

▎50%的热效率，有可能吗？

2020年，车用内燃机热效率的“期待值”是50%。很多人十分疑惑，50%的热效率究竟是一个怎样的概念？

通俗点讲，热效率就是指发动机把燃油“百分之多少”的能量有效地转化成了动能，而不是白白以热的形式损失掉了。但这个比值并没有想象中那么高，从目前普及的技术来看，汽油机的热效率约为30%至35%，柴油机高一点，可以达到40%。

行业内有一个不成文的共识，如果发动机的热效率提高了1%-1.5%，就可以看作“新一代发动机”了。

由此来看，如果汽油机的热效率可以一跃攀升至50%，所获成就是相当惊人的。2016年年底，丰田发布了一台2.5L直列四缸汽油机，热效率为41%，已然相当不易。而在马自达第二代“创驰蓝天”的技术设想中，“夸下海口”，预计到2020年实现热效率50%，技术的核心关键词正是HCCI（均质充量压缩燃烧）。



三种燃烧模式对比，最右为HCCI▐

▎脑洞问题：如果把汽油加入柴油车中会怎样？

在聊到HCCI发动机之前，笔者仍想继续抛出一个“脑洞问题”：如果把汽油加入柴油机中会发生什么现象？同理，把柴油加入汽油机中呢？

在探讨上述问题之前，首先要明白汽油机与柴油机的本质区别。从燃烧方式上来说，汽油会与空气提前混合均匀，在进入燃烧室之后，由火花塞点火，发生燃烧；柴油不会与空气提前混合，而是直接喷入缸内，由于活塞对混合气的压缩作用，发生燃烧。



汽油机（火花塞）与柴油机（喷油嘴）的区别▐

科普结束，现在开始回答清奇的“脑洞问题”。如果把汽油加入柴油机，汽油将会直接喷入气缸，此时没有火花塞点火，但在压缩作用下，仍可以着火燃烧，只是过程粗暴，接近于爆震。

如果把柴油加入汽油机，介于柴油粘性大，不易挥发，前期与空气的混合程度不理想，即使进入缸内，又由于汽油机的压缩比较小，柴油混合气几乎难以压燃，而火花塞的存在对柴油的持续燃烧意义不大。（也就是，柴油加入汽油机，可能根本就打不着火。）

总结一下，柴油机最合适，乃至唯一的燃烧方式是“压燃”，而目前汽油机可以稳定燃烧的方式，仍是“火花塞点火燃烧”。那么问题来了，有没有一种可能性，汽油机也采用“压燃”方式呢？

答案正是HCCI发动机，汽油压燃不是梦，甚至于，HCCI本身对燃料并不挑剔，汽油也好，柴油也罢，替代燃料照样可以燃烧使用。



通用也曾研究过HCCI发动机▐

▎HCCI发动机，究竟是何方神圣？

HCCI其实是一串英文术语的首字母缩写，即“Homogeneous Charge Compression Ignition”，通常翻译为“均质充量压缩燃烧”，或者“均质稀薄压缩燃烧”。也就是说，HCCI发动机的本质是“压缩燃烧”，这不就是柴油机的燃烧原理吗？如今也可以在汽油机上实现了。

事实也正是如此。HCCI发动机结合了“柴油机压缩燃烧”和“汽油机均质混合”的特点。与传统汽油机相比，不再需要节气门和火花塞，压燃可使混合气多点同时着火，燃烧持续期短，得到与压燃式发动机相当的、较高的热效率；而与传统柴油机相比，混合气是以均质的状态形成的，混合程度更好，燃烧反应同步进行，燃烧火焰温度低，氮氧化物和碳烟排放较少。

站在消费者的立场上来看，HCCI发动机如果普及，最直接的受益莫过于“节油”。按照马自达的预测，热效率提高到50%以后，油耗可以再降30%，甚至于在没有混合动力介入的情况下，达到3.3L/100km的低油耗水平。



HCCI发动机的碳烟和氮氧化物排放低▐

▎量产之路的重重挑战

前文提到了，汽油机是点燃式发动机，而柴油机是压燃式发动机，着火方式背道而驰。但百年来，汽油机与柴油机之间是一个不断融合的过程。诸如，柴油机高压共轨，采用缸内直喷的供油方式，而现在的汽油机也有了GDI缸内直喷技术，“上古时代”的化油器基本消弭了。

HCCI本身也是汽油机与柴油机技术优势的一次融合，或者说，终于将汽油“压燃”了。但是，如果论说量产，仍有重重挑战需要克服。



挑战1：着火时间不易控制

点燃式的汽油机可以改变火花塞的点火时间，压燃式的柴油机可以改变缸内喷油的时刻，但HCCI发动机吸入的是一团均匀的混合气，压缩之后多点都在燃烧，着火时间提前，还是延后，其实是很难判断的，也没有十分有效的控制手段。

挑战2：运行工况的拓展问题

HCCI的特点之一是燃烧反应较快，所以还要通过一定的手段“压”住反应速率，一般会采取较高的EGR率来减缓燃烧速率，以免发生爆震。由此带来的负面影响是，缸内的平均指示压力难以达到较高的水平。

如果用专业术语来讲，在小负荷工况时混合气浓度过稀，发动机易“失火”，而在大负荷工况时发动机放热速率过快，发动机工作粗暴。所以，有观点曾提出，不妨将HCCI发动机应用于混合动力，HCCI发动机仅工作于经济性最佳的一个点，专司“发电”，也就绕过了工况拓展的问题。



号称解决了HCCI难点的诺德士循环▐

挑战3：HC排放的控制问题

前文曾提到，由于HCCI发动机属于“低温燃烧”，缸内温度低，不足以导致氮氧化物的生成。但是，低温条件下，尤其在小负荷工况的时候，燃烧效率降低，HC的排放反而成为了棘手的问题。

挑战4：冷启动困难

在取消了火花塞之后，HCCI发动机的冷启动是一个问题。不知道读者朋友是否曾有过这样的观察，在寒冷的冬天，一些柴油货车，或者农用车，为了能点着火，会在油箱下面燃烧秸秆来“煨”。但对于“压燃”的汽油机，显然不能这么冒险，技术上也有一些解决的办法。比如仍然保留火花塞，在冷启动不易的情况下，先摇身一变为“点燃式汽油机”，这就是SI（火花塞点火）-HCCI双模式发动机。

▎小结

传统发动机会被淘汰吗？在这个圈子里，有人惶恐，也有人不甘。但时至今日，传统发动机仍然居于主导地位，在寻找替代之王的同时，其实发动机自身也在戮力前行，而且走向了技术的大融合，HCCI就是鲜明的一个案例。不可否认，新能源在崛起，注定了一个百花齐放的时代，也请给传统发动机更多的技术自信。

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