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[技术杂谈]F1发动机与HCCI技术

[技术杂谈]F1发动机与HCCI技术

最近又看到一则旧闻。本田的F1负责人说“我确定不仅奔驰车队和法拉利车队用了HCCI,也听说雷诺车队有用HCCI。”然后说“我们本田也觉得HCCI非常有用,做到什么程度不能透露,不过稀薄压燃技术肯定有应用。”加上最近对马自达SKYACTIV-X的SPCCI比较关注,稍微调查了一下。

2017年F1宣布了最大压缩比不能超过18的比赛规则,也就是说这之前2016年有厂商提供了压缩比超过18的发动机比赛。这种压缩比的发动机,很容易推测采用了HCCI技术。

HCCI是什么? Homogeneous Charge Compression Ignition的简称HCCI,中文译作“均质混合气压缩燃烧”。指燃料(汽油)和空气均匀混合,通过压缩自点火燃烧的一种方式。均质的反义词对应的分层燃烧(大众FTSI),自点火反义词对应于汽油机的火花塞点火(Spark Ignition)。

HCCI是多么牛B高能的技术呢?HCCI能实现极其稀薄的状态的着火燃烧,热效率非常高。热效率高就是同样的出力更加省油。把普通发动机根本燃烧不了的稀薄混合气,混合均匀使用高压缩比压缩,温度达到700℃以上自发燃烧。由于是多点自点火,火焰传播扩散的时间非常短,瞬时燃烧压力巨大。

F1在11000rpm附近达到供油量的设计界限,而且赛事也规定油箱最多允许105公斤的燃油且赛中不允许加油。所以F1引擎对油耗也有一定要求,在这种情况下不增加喷油只增加吸入的新鲜空气是一个好的选择。利用涡轮增压,不断泵入新鲜空气,然后压燃,这些多余泵入的空气首先作为膨胀的基础增量。加上HCCI燃烧迅速的优势,在上止点附近快速完成燃烧,热效率最高。

对于量产发动机HCCI还有一个好处,不仅实现稀薄燃烧燃油利用率高,由于燃烧温度低, HCCI一般在1900 K以下(SI往往燃烧温度可以达到2500 K),NOx(氮氧化物)和PM(颗粒物)的排放也很低。所以量产车如果应用HCCI,不仅有燃油经济性的利益,尾气处理也有较大好处。下面这张图是空燃比,燃烧温度,排放物的三角关系,搞内燃机的就是在这张图里打转转。

其实在1900年左右HCCI研究就非常火热,但是研究了1950年之前开始热度降低。因为有几个问题,在中负荷能稳定燃烧的设计,但到了低负荷燃烧不稳定(失火misfire),到了高负荷又容易发生敲缸(knock)。因为HCCI本身也是不点火就燃烧(属于一种可控敲缸)与敲缸本身相近,无法对敲缸进行控制被敲缸损坏发动机的情况无法避免。所以发动机只能在一个比较窄的工况内稳定工作,负荷高低都不行,满足不了实用的需求。

再说回F1,F1发动机如果全域采用HCCI也面临这HCCI稳定工作区域狭窄的问题。本田提到到一种HLSI(Homogeneous Lean Spark Ignition)技术,原理和SPCCI类似通过火花塞周边的小范围点火燃烧来控制其他区域的压缩力,扩展HCCI的工作区域。对于高负荷如何避免敲缸问题,没有看到相关详细的论述。本田资料显示在2020前不会投入HLSI发动机。

在量产车上第一个应用HCCI技术的引擎应该是2020年上市的马自达SKYACTIV-X了。一个没有在F1玩过HCCI的厂商。名SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition),在HCCI燃烧不成立的负荷区域采用了SI燃烧。但是对于爆震,油品,环境温度等等还没经过市场批量的考验,期待上市之后的表现。

发布于 2019-10-17

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