【日】　M.Takazawa　　K.Komura　　T.Kitamura

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工作過(guò)程

火花輔助點(diǎn)火均質(zhì)充氣壓縮著火的瞬態(tài)控制技術(shù)

【日】M.TakazawaK.KomuraT.Kitamura

近幾年，隨著人們對(duì)減少CO2和其他溫室氣體排放的技術(shù)需求逐漸增加，汽油均質(zhì)充氣壓縮著火(HCCI)燃燒方式已獲得認(rèn)可，該技術(shù)依靠稀薄燃燒實(shí)現(xiàn)低氮氧化物排放和高熱效率。然而，汽油機(jī)HCCI對(duì)缸內(nèi)溫度變化的耐受度很低，因此，在瞬態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)易發(fā)生爆燃和失火。用1臺(tái)四沖程自然吸氣汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證了HCCI的瞬態(tài)控制，該發(fā)動(dòng)采用可變氣門(mén)正時(shí)和升程的電子控制系統(tǒng)，來(lái)優(yōu)化HCCI的進(jìn)排氣。介紹了引入外部廢氣再循環(huán)的化學(xué)計(jì)量火花點(diǎn)燃與HCCI著火的切換控制，以及在HCCI運(yùn)行范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化。

均質(zhì)充氣壓縮著火火花點(diǎn)火輔助瞬態(tài)控制廢氣再循環(huán)

0　前言

近年來(lái)，為了防止全球變暖，對(duì)更先進(jìn)的CO2減排技術(shù)的需求日漸增加。由于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有助于減少CO2排放，因此一些企業(yè)和大學(xué)，一直在進(jìn)行提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率方面的研究[1-4]。

依靠均質(zhì)油氣混合氣的自燃，均質(zhì)充氣壓縮著火(HCCI)能使不能以正?；鹧?zhèn)鞑ミM(jìn)行穩(wěn)定燃燒的稀薄油-氣混合氣實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。因此，HCCI燃燒方式具有較高的理論熱效率、較低的泵氣損失和時(shí)間損失。此外，HCCI因低溫燃燒而能使氮氧化物(NOx)保持非常低的排放水平，由于這些因素，HCCI有望成為未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式[5-7]。

盡管HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的概念已經(jīng)發(fā)布多年[8]，但是這一技術(shù)至今尚未得以應(yīng)用。HCCI燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)付諸實(shí)際應(yīng)用的主要障礙是，能夠防止失火和爆燃的運(yùn)行范圍較窄。為了應(yīng)用該技術(shù)，必須通過(guò)火花點(diǎn)燃和HCCI燃燒方式的切換來(lái)拓寬可能的運(yùn)行范圍。

HCCI燃燒一般采取的方法是提高空-燃混合氣的溫度，使之達(dá)到自燃溫度，以及除了通過(guò)提高壓縮溫度外再借助于引入大量?jī)?nèi)部廢氣再循環(huán)(EGR)。

然而，采用火花點(diǎn)燃燃燒時(shí)，在適合HCCI燃燒的工況下會(huì)出現(xiàn)爆燃和失火現(xiàn)象。在HCCI和火花點(diǎn)燃燃燒切換時(shí)，需要對(duì)溫度和內(nèi)部EGR進(jìn)行精確控制。

另一個(gè)問(wèn)題是，HCCI的著火時(shí)刻難以控制。圖1示出了HCCI燃燒過(guò)程中從壓縮行程到自燃的放熱過(guò)程，同時(shí)示出了油氣混合氣的氧化反應(yīng)過(guò)程。

在HCCI燃燒中，當(dāng)油氣混合氣的溫度從600 K起，就會(huì)開(kāi)始發(fā)生生成冷焰的低溫氧化反應(yīng)。甲醛積聚和CO、OH自由基徑向擴(kuò)散產(chǎn)生藍(lán)色火焰，最終變成由CO，產(chǎn)生生成CO2的熱焰。在火花點(diǎn)燃燃燒中，熱焰是由火花塞點(diǎn)火引起的快速化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，控制點(diǎn)火時(shí)刻就可以很容易地控制著火時(shí)刻。然而，在HCCI燃燒中，著火時(shí)刻不容易控制，因?yàn)樵趬嚎s沖程中溫度和壓力的變化會(huì)導(dǎo)致氧化反應(yīng)過(guò)程的變化。為了保證各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定燃燒，需要通過(guò)控制著火時(shí)刻來(lái)防止失火和扭矩波動(dòng)。因此，進(jìn)行了提高著火能力的研究，采用直接噴射使之在火花塞附近形成少量的分層燃-空混合氣，并利用火花塞產(chǎn)生的火花實(shí)現(xiàn)輔助自燃[8]。

圖1　HCCI燃燒的氧化反應(yīng)過(guò)程

本文介紹了火花輔助HCCI和引入外部EGR的化學(xué)計(jì)量火花點(diǎn)燃切換的燃燒控制方法。另外，還介紹了在HCCI運(yùn)行范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化。

1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

1.1對(duì)氣門(mén)正時(shí)的要求

圖2比較了HCCI燃燒和火花點(diǎn)燃燃燒的氣門(mén)正時(shí)。通過(guò)排氣門(mén)早關(guān)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR，它將部分廢氣保留在氣缸內(nèi)，并使溫度提高到HCCI燃燒所需要的自燃溫度。進(jìn)氣門(mén)/排氣門(mén)采用氣門(mén)正時(shí)和升程智能可變的電子控制系統(tǒng)(i-VTEC)。

圖2　HCCI和火花點(diǎn)燃燃燒的氣門(mén)升程

1.2配氣系統(tǒng)

VTEC是在同一凸輪軸上設(shè)有多個(gè)相鄰的凸輪，通過(guò)這一機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)氣門(mén)的凸輪能依靠搖臂內(nèi)的液壓銷(xiāo)進(jìn)行即時(shí)切換。i-VTEC除了具有VTEC功能外，還配有液壓可變正時(shí)控制。i-VTEC是1種可以連續(xù)改變單個(gè)凸輪相位的機(jī)構(gòu)。

1.3燃油系統(tǒng)

為了控制火花，采用了雙噴射系統(tǒng)，它包括1個(gè)用于生成火花的低流量直噴噴油器和1個(gè)控制負(fù)荷的氣道噴油器。其中，低流量直噴噴油器被專門(mén)用于低流量和精確流量控制，而不適用于控制大部分負(fù)荷范圍內(nèi)的燃油量。

2　結(jié)果與討論

2.1火花輔助HCCI(SA-HCCI)的著火條件

圖3說(shuō)明了SA-HCCI的自燃機(jī)理。采用時(shí)，加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，并引入內(nèi)部EGR，使氣缸內(nèi)溫度提高到可以產(chǎn)生火花和引起自燃的溫度。

(a) HCCI燃燒　(b) SA-HCCI燃燒

(c)圖3　SA-HCCI的燃燒過(guò)程

圖4　采用SA-HCCI時(shí)內(nèi)部EGR率的減少

利用火花輔助點(diǎn)火的優(yōu)點(diǎn)是，可以使達(dá)到自燃溫度所需的內(nèi)部EGR量降低，對(duì)于在HCCI燃燒前后的火花點(diǎn)燃直接燃燒是十分重要的。圖4所示的是發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1500 r/min和平均指示壓力(IMEP)420 kPa時(shí)，HCCI燃燒和SA-HCCI燃燒的著火能力對(duì)比情況，SA-HCCI燃燒比HCCI燃燒更容易著火，所以,采用SA-HCCI時(shí)，內(nèi)部EGR量得以減少。

2.2火花點(diǎn)燃燃燒的條件

表2比較了火花點(diǎn)燃燃燒和HCCI燃燒的限制條件。在火花點(diǎn)燃燃燒模式中，氣缸內(nèi)的溫度必須在燃燒模式切換后馬上達(dá)到或低于自燃溫度。為了減少排放，空燃比要控制在化學(xué)計(jì)量比范圍內(nèi)。為了滿足扭矩需求，燃油的數(shù)量也要有限制。在燃燒模式切換前后的燃燒中，必須控制最高壓縮終了溫度和空氣量。

表2　對(duì)火花點(diǎn)燃和HCCI燃燒的要求比較

同時(shí)，采用HCCI燃燒時(shí)，氣缸內(nèi)的溫度必須達(dá)到或高于自燃溫度。即HCCI和火花點(diǎn)燃對(duì)氣缸內(nèi)壓縮終了溫度的要求正好相反。在HCCI模式中，要盡可能多的引入空氣，以降低燃油耗，而在火花點(diǎn)燃模式中，空/燃比必須控制在化學(xué)計(jì)量比之內(nèi)，以降低排放。下文將介紹，從HCCI切換到火花點(diǎn)燃時(shí)的問(wèn)題是如何解決這些對(duì)油氣狀態(tài)相互矛盾的要求。

2.3中間火花點(diǎn)燃燃燒

圖5　中間火花點(diǎn)燃燃燒

要解決火花點(diǎn)燃和HCCI運(yùn)行條件矛盾的問(wèn)題，有效的方法是引入中間火花點(diǎn)燃燃燒，它可以通過(guò)排氣門(mén)早關(guān)和進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5顯示為中間火花點(diǎn)燃燃燒時(shí)的氣門(mén)正時(shí)和氣缸內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化。在引入的內(nèi)部EGR量與HCCI的相當(dāng)?shù)那闆r下，將進(jìn)氣門(mén)延遲到壓縮行程關(guān)閉，以降低有效壓縮比和避免自燃。通過(guò)將氣缸內(nèi)空氣壓回到進(jìn)氣歧管還能大大減少進(jìn)入的空氣量。

為了防止因氣缸內(nèi)高溫引起的爆燃，燃燒必須延遲。圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500 r/min和IMEP 420 kPa時(shí)，HCCI和中間火花點(diǎn)燃燃燒的有效燃油消耗率(BSFC)的比較。中間火花點(diǎn)燃燃燒時(shí)的燃燒最差。為了減少燃燒模式切換引起的燃油耗增加，必須盡量減少中間火花點(diǎn)燃燃燒的持續(xù)時(shí)間。

圖6　中間火花點(diǎn)燃燃燒的熱效率

2.4燃燒模式切換裝置的運(yùn)作

從HCCI燃燒切換到火花點(diǎn)燃燃燒，按照以下兩個(gè)階段進(jìn)行： (1) 從HCCI切換到中間火花點(diǎn)燃。(2) 從中間火花點(diǎn)燃切換到正常氣門(mén)正時(shí)的火花點(diǎn)燃(引入外部EGR)。

圖7所示為從HCCI切換到火花點(diǎn)燃燃燒過(guò)程中，氣門(mén)正時(shí)、進(jìn)氣歧管壓力和外部EGR率隨時(shí)間變化的情況。分別是：(1) 利用進(jìn)氣VTEC調(diào)節(jié)將HCCI切換到中間火花點(diǎn)燃。(2) 將中間火花點(diǎn)燃切換到火花點(diǎn)燃燃燒。

圖7　燃燒切換中各裝置的運(yùn)作圖

在進(jìn)氣VTEC調(diào)節(jié)后，由進(jìn)氣VTC改變的相位會(huì)跟蹤因引入EGR而引起的進(jìn)氣歧管壓力的變化，并進(jìn)行節(jié)氣門(mén)操作。因?yàn)樵谥虚g火花點(diǎn)燃燃燒情況下已經(jīng)引入大量的內(nèi)部EGR，所以在排氣VTEC切換后，立即會(huì)引入外部EGR。對(duì)于外部EGR，由于從EGR閥開(kāi)啟到再循環(huán)排氣實(shí)際進(jìn)入氣缸有一定延遲，因而設(shè)計(jì)EGR閥動(dòng)作的時(shí)刻應(yīng)考慮到這種延遲。

從火花點(diǎn)燃切換到HCCI時(shí)，各參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律正好相反。

2.5從HCCI向火花點(diǎn)燃切換的驗(yàn)證結(jié)果

圖8所示是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和IMEP為420 kPa 時(shí)，從HCCI向火花點(diǎn)燃切換時(shí)氣缸內(nèi)壓力、扭矩和最高燃燒壓力位置隨時(shí)間的變化。在燃燒模式切換前后，氣缸內(nèi)壓縮終了的溫度保持在合適的范圍內(nèi)，所以沒(méi)有出現(xiàn)爆燃、失火、早燃和其他異常燃燒。同時(shí)，在燃燒模式切換后空燃比也立即被調(diào)整為化學(xué)計(jì)量比。

(a)

(b)圖8　在無(wú)控制的情況下從HCCI向火花點(diǎn)燃切換

2.6從火花點(diǎn)燃向HCCI切換的驗(yàn)證結(jié)果

圖9所示是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和IMEP為420 kPa 時(shí)，從火花點(diǎn)燃向HCCI切換時(shí)氣缸內(nèi)壓力、扭矩和最高燃燒壓力位置隨時(shí)間的變化。從火花點(diǎn)燃向中間火花點(diǎn)燃切換后的幾個(gè)循環(huán)內(nèi)，出現(xiàn)提前著火。

在燃燒模式切換中出現(xiàn)提前著火的原因是HCCI和火花點(diǎn)燃燃燒中排氣溫度各不相同，即燃燒模式切換前的排氣溫度與切換后的排氣溫度各不相同。圖10比較了轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min 和IMEP為420 kPa時(shí)HCCI、火花點(diǎn)燃和中間火花點(diǎn)燃燃燒的排氣溫度?；鸹c(diǎn)燃燃燒時(shí)的排氣溫度比HCCI燃燒時(shí)的高180 K。

在中間火花點(diǎn)燃期間和運(yùn)行之后，上一個(gè)循環(huán)的部分廢氣被保留到下一個(gè)循環(huán)作為內(nèi)部EGR。由于火花點(diǎn)燃燃燒時(shí)的排氣溫度比HCCI燃燒時(shí)的高，如果從火花點(diǎn)燃切換到HCCI時(shí)引入的內(nèi)部EGR量會(huì)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的相同，則氣缸內(nèi)溫度將會(huì)比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)來(lái)得高。結(jié)果，在中間火花點(diǎn)燃運(yùn)行期間和運(yùn)行之后，氣缸內(nèi)溫度會(huì)超過(guò)自燃溫度，從而導(dǎo)致提前著火。

(a)

(b)圖9　在無(wú)控制的情況下從火花點(diǎn)燃向HCCI切換

圖10　穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的排氣溫度比較

為了防止燃燒模式切換后立即出現(xiàn)過(guò)早著火，必須使引入的內(nèi)部EGR量能達(dá)到合適的內(nèi)部EGR溫度。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)在燃燒切換后立即調(diào)節(jié)排氣VTC相位，以控制內(nèi)部EGR量使之能達(dá)到合適的內(nèi)部EGR溫度。圖11所示為從火花點(diǎn)燃切換到HCCI燃燒時(shí)執(zhí)行裝置的運(yùn)行情況。圖12是控制內(nèi)部EGR量時(shí)氣缸內(nèi)壓力、扭矩和最高燃燒壓力位置隨時(shí)間的變化。

圖11　燃燒模式切換(從火花點(diǎn)燃到HCCI)時(shí)各裝置運(yùn)行情況的變更

圖12　在無(wú)控制情況下從火花點(diǎn)燃向HCCI燃燒的切換

通過(guò)控制內(nèi)部EGR量使氣缸內(nèi)壓縮終了的溫度降低到了一個(gè)合適的水平。因此，有可能在不引起提早著火的情況下實(shí)現(xiàn)從火花點(diǎn)燃燃燒向HCCI燃燒的切換。

2.7從HCCI燃燒切換到火花點(diǎn)燃燃燒的條件

對(duì)于HCCI和火花點(diǎn)燃來(lái)說(shuō)，在燃燒模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中它們都必須避免爆燃和失火，并且必須控制扭矩震蕩和內(nèi)部EGR量。圖13是在不同的內(nèi)部EGR率和有效壓縮比組合下，氣缸內(nèi)壓縮終了溫度與排氣溫度之間的關(guān)系。

在HCCI和中間火花點(diǎn)燃燃燒過(guò)程中，引入并保持相同的內(nèi)部EGR量。從中間火花點(diǎn)燃燃燒切換到HCCI燃燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題是會(huì)發(fā)生因較高的內(nèi)部EGR溫度而導(dǎo)致的自燃。

從火花點(diǎn)燃切換到HCCI的過(guò)程中，引入的中間火花點(diǎn)燃是將它作為上一個(gè)循環(huán)火花點(diǎn)燃高溫燃燒的內(nèi)部EGR廢氣。所以，在中間火花點(diǎn)燃模式向HCCI切換過(guò)程中，中間火花點(diǎn)燃燃燒出現(xiàn)的問(wèn)題是因較高內(nèi)部EGR溫度導(dǎo)致的自燃(圖13中A點(diǎn))。

然而，可以通過(guò)SA-HCCI降低內(nèi)部EGR溫度來(lái)減少中間火花點(diǎn)燃燃燒時(shí)的內(nèi)部EGR，這樣就能實(shí)現(xiàn)燃燒模式切換(圖13中B點(diǎn))。

圖13　燃燒模式切換的條件

因此，切換后HCCI燃燒的氣缸內(nèi)溫度就會(huì)低于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的溫度(圖13中的C點(diǎn))。為了實(shí)現(xiàn)自燃，采用起燃火焰來(lái)提高氣缸內(nèi)溫度。

2.8實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)運(yùn)行的控制邏輯

在HCCI的瞬態(tài)控制時(shí)，必須適當(dāng)?shù)乜刂茐嚎s終了溫度。因此，需要預(yù)估燃?xì)鉁囟?，包括?nèi)部EGR溫度，并且要控制好氣門(mén)正時(shí)，以使內(nèi)部EGR與預(yù)估的燃?xì)鉁囟认噙m應(yīng)。

2.9按HCCI控制邏輯進(jìn)行瞬態(tài)燃燒控制

(a)

(b)

圖14給出了轉(zhuǎn)速為1500 r/min和IMEP為200～400 kPa時(shí)，HCCI燃燒時(shí)的負(fù)荷曲線。在該負(fù)荷曲線中，內(nèi)部EGR是根據(jù)預(yù)估的氣缸內(nèi)溫度進(jìn)行控制的。由于控制EGR量的緣故，這時(shí)內(nèi)部EGR率與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的最佳EGR率有所不同。在所有循環(huán)中，氣缸內(nèi)溫度都在合適的范圍內(nèi)，燃燒持續(xù)時(shí)間也控制在適當(dāng)?shù)乃健?/p>

(c)圖14　發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩瞬變的試驗(yàn)結(jié)果

圖15示出的是轉(zhuǎn)速曲線(轉(zhuǎn)速?gòu)?500～2000r/min)。 結(jié)果表明，按此方式控制，IMEP為定值。與負(fù)荷曲線類似，可以通過(guò)預(yù)估的氣缸內(nèi)溫度來(lái)控制燃燒持續(xù)時(shí)間。

圖15　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬變的測(cè)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)SA-HCCI燃燒與火花點(diǎn)燃燃燒之間的切換，開(kāi)發(fā)了下列瞬態(tài)控制技術(shù)。

采用SA-HCCI改善燃燒的可靠性，運(yùn)用進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)和排氣門(mén)早關(guān)實(shí)現(xiàn)中間火花點(diǎn)燃燃燒。

具體而言就是，開(kāi)發(fā)了形成火花的直接噴射技術(shù)和適用于HCCI和火花點(diǎn)燃燃燒的氣門(mén)正時(shí)技術(shù)。

為了在燃燒切換過(guò)程中產(chǎn)生合適的HCCI燃燒，開(kāi)發(fā)了通過(guò)預(yù)估氣缸內(nèi)溫度來(lái)控制內(nèi)部EGR量控制技術(shù)。上述開(kāi)發(fā)的瞬態(tài)控制技術(shù)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。

[1] Wang C， Daniel R， Xu H. Research of theatkinson cycle in the spark ignition engine[C]. SAE Paper 2012-01-0390.

[2] Lecointe B， Monnier G. Downsizing a gasoline engine using turbocharging with direct injection[C]. SAE Paper 2003-01-0542.

[3] Aoyama T， Hattori Y， Mizuta J，et al. An experimental study on premixed-charge compression ignition gasoline engine[C]. SAE Paper 960081.

[4] Hiraya K， Hasegawa K， Urushihara T， et al. A study on gasoline fueled compression ignition engine ～ a trial of operation region expansion ～[C]. SAE Paper 2002-01-0416.

[5] Fuerhapter A， Piock W， Fraidl G. CSI-controlled auto ignition — the best solution for the fuel consumption — versus emission trade-Off?[C].SAE Paper 2003-01-0754.

[6] Koopmans L， Str?m H， Lundgren S， et al. Demonstrating a SI-HCCI-SI mode change on a Volvo 5-cylinder electronic valve control engine[C]. SAE Paper 2003-01-0753.

[7] Zaidi K. Development of a direct injection-homogeneous charge compression ignition (DI-HCCI) heavy duty diesotto engine by using effervescent atomization[C].SAE Paper 2009-01-2701.

[8] Komura K， Takazawa M， Morita T. Advanced ignition control technology for HCCI combustion[J].Honda Technical Review， 24(2)，2014.

2016-03-02)