火花輔助點火均質充氣壓縮著火的瞬態(tài)控制技術

【日】　M.Takazawa　　K.Komura　　T.Kitamura

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工作過程

火花輔助點火均質充氣壓縮著火的瞬態(tài)控制技術

【日】M.TakazawaK.KomuraT.Kitamura

近幾年，隨著人們對減少CO2和其他溫室氣體排放的技術需求逐漸增加，汽油均質充氣壓縮著火(HCCI)燃燒方式已獲得認可，該技術依靠稀薄燃燒實現(xiàn)低氮氧化物排放和高熱效率。然而，汽油機HCCI對缸內溫度變化的耐受度很低，因此，在瞬態(tài)工況下運行時易發(fā)生爆燃和失火。用1臺四沖程自然吸氣汽油直噴發(fā)動機驗證了HCCI的瞬態(tài)控制，該發(fā)動采用可變氣門正時和升程的電子控制系統(tǒng)，來優(yōu)化HCCI的進排氣。介紹了引入外部廢氣再循環(huán)的化學計量火花點燃與HCCI著火的切換控制，以及在HCCI運行范圍內發(fā)動機負荷和轉速的變化。

均質充氣壓縮著火火花點火輔助瞬態(tài)控制廢氣再循環(huán)

0　前言

近年來，為了防止全球變暖，對更先進的CO2減排技術的需求日漸增加。由于提高發(fā)動機的熱效率有助于減少CO2排放，因此一些企業(yè)和大學，一直在進行提高發(fā)動機熱效率方面的研究[1-4]。

依靠均質油氣混合氣的自燃，均質充氣壓縮著火(HCCI)能使不能以正常火焰?zhèn)鞑ミM行穩(wěn)定燃燒的稀薄油-氣混合氣實現(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有望成為未來的發(fā)動機燃燒方式[5-7]。

盡管HCCI發(fā)動機的概念已經發(fā)布多年[8]，但是這一技術至今尚未得以應用。HCCI燃燒發(fā)動機付諸實際應用的主要障礙是，能夠防止失火和爆燃的運行范圍較窄。為了應用該技術，必須通過火花點燃和HCCI燃燒方式的切換來拓寬可能的運行范圍。

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

然而，采用火花點燃燃燒時，在適合HCCI燃燒的工況下會出現(xiàn)爆燃和失火現(xiàn)象。在HCCI和火花點燃燃燒切換時，需要對溫度和內部EGR進行精確控制。

另一個問題是，HCCI的著火時刻難以控制。圖1示出了HCCI燃燒過程中從壓縮行程到自燃的放熱過程，同時示出了油氣混合氣的氧化反應過程。

在HCCI燃燒中，當油氣混合氣的溫度從600 K起，就會開始發(fā)生生成冷焰的低溫氧化反應。甲醛積聚和CO、OH自由基徑向擴散產生藍色火焰，最終變成由CO，產生生成CO2的熱焰。在火花點燃燃燒中，熱焰是由火花塞點火引起的快速化學反應而產生的，控制點火時刻就可以很容易地控制著火時刻。然而，在HCCI燃燒中，著火時刻不容易控制，因為在壓縮沖程中溫度和壓力的變化會導致氧化反應過程的變化。為了保證各種環(huán)境條件下的穩(wěn)定燃燒，需要通過控制著火時刻來防止失火和扭矩波動。因此，進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，并利用火花塞產生的火花實現(xiàn)輔助自燃[8]。

圖1　HCCI燃燒的氧化反應過程

本文介紹了火花輔助HCCI和引入外部EGR的化學計量火花點燃切換的燃燒控制方法。另外，還介紹了在HCCI運行范圍內發(fā)動機負荷和轉速的變化。

1　試驗裝置

試驗發(fā)動機主要技術規(guī)格見表1。

表1　發(fā)動機主要技術規(guī)格

1.1對氣門正時的要求

圖2比較了HCCI燃燒和火花點燃燃燒的氣門正時。通過排氣門早關實現(xiàn)內部EGR，它將部分廢氣保留在氣缸內，并使溫度提高到HCCI燃燒所需要的自燃溫度。進氣門/排氣門采用氣門正時和升程智能可變的電子控制系統(tǒng)(i-VTEC)。

圖2　HCCI和火花點燃燃燒的氣門升程

1.2配氣系統(tǒng)

VTEC是在同一凸輪軸上設有多個相鄰的凸輪，通過這一機構，驅動氣門的凸輪能依靠搖臂內的液壓銷進行即時切換。i-VTEC除了具有VTEC功能外，還配有液壓可變正時控制。i-VTEC是1種可以連續(xù)改變單個凸輪相位的機構。

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個用于生成火花的低流量直噴噴油器和1個控制負荷的氣道噴油器。其中，低流量直噴噴油器被專門用于低流量和精確流量控制，而不適用于控制大部分負荷范圍內的燃油量。

2　結果與討論

2.1火花輔助HCCI(SA-HCCI)的著火條件

圖3說明了SA-HCCI的自燃機理。采用時，加大了發(fā)動機的壓縮比，并引入內部EGR，使氣缸內溫度提高到可以產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的燃燒過程

圖4　采用SA-HCCI時內部EGR率的減少

利用火花輔助點火的優(yōu)點是，可以使達到自燃溫度所需的內部EGR量降低，對于在HCCI燃燒前后的火花點燃直接燃燒是十分重要的。圖4所示的是發(fā)動機在轉速1500 r/min和平均指示壓力(IMEP)420 kPa時，HCCI燃燒和SA-HCCI燃燒的著火能力對比情況，SA-HCCI燃燒比HCCI燃燒更容易著火，所以,采用SA-HCCI時，內部EGR量得以減少。

2.2火花點燃燃燒的條件

表2比較了火花點燃燃燒和HCCI燃燒的限制條件。在火花點燃燃燒模式中，氣缸內的溫度必須在燃燒模式切換后馬上達到或低于自燃溫度。為了減少排放，空燃比要控制在化學計量比范圍內。為了滿足扭矩需求，燃油的數量也要有限制。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　對火花點燃和HCCI燃燒的要求比較

同時，采用HCCI燃燒時，氣缸內的溫度必須達到或高于自燃溫度。即HCCI和火花點燃對氣缸內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，而在火花點燃模式中，空/燃比必須控制在化學計量比之內，以降低排放。下文將介紹，從HCCI切換到火花點燃時的問題是如何解決這些對油氣狀態(tài)相互矛盾的要求。

2.3中間火花點燃燃燒

圖5　中間火花點燃燃燒

要解決火花點燃和HCCI運行條件矛盾的問題，有效的方法是引入中間火花點燃燃燒，它可以通過排氣門早關和進氣門晚關來實現(xiàn)。圖5顯示為中間火花點燃燃燒時的氣門正時和氣缸內壓力隨時間的變化。在引入的內部EGR量與HCCI的相當的情況下，將進氣門延遲到壓縮行程關閉，以降低有效壓縮比和避免自燃。通過將氣缸內空氣壓回到進氣歧管還能大大減少進入的空氣量。

為了防止因氣缸內高溫引起的爆燃，燃燒必須延遲。圖6所示為發(fā)動機轉速1500 r/min和IMEP 420 kPa時，HCCI和中間火花點燃燃燒的有效燃油消耗率(BSFC)的比較。中間火花點燃燃燒時的燃燒最差。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燃燃燒的持續(xù)時間。

圖6　中間火花點燃燃燒的熱效率

2.4燃燒模式切換裝置的運作

從HCCI燃燒切換到火花點燃燃燒，按照以下兩個階段進行： (1) 從HCCI切換到中間火花點燃。(2) 從中間火花點燃切換到正常氣門正時的火花點燃(引入外部EGR)。

圖7所示為從HCCI切換到火花點燃燃燒過程中，氣門正時、進氣歧管壓力和外部EGR率隨時間變化的情況。分別是：(1) 利用進氣VTEC調節(jié)將HCCI切換到中間火花點燃。(2) 將中間火花點燃切換到火花點燃燃燒。

圖7　燃燒切換中各裝置的運作圖

在進氣VTEC調節(jié)后，由進氣VTC改變的相位會跟蹤因引入EGR而引起的進氣歧管壓力的變化，并進行節(jié)氣門操作。因為在中間火花點燃燃燒情況下已經引入大量的內部EGR，所以在排氣VTEC切換后，立即會引入外部EGR。對于外部EGR，由于從EGR閥開啟到再循環(huán)排氣實際進入氣缸有一定延遲，因而設計EGR閥動作的時刻應考慮到這種延遲。

從火花點燃切換到HCCI時，各參數隨時間的變化規(guī)律正好相反。

2.5從HCCI向火花點燃切換的驗證結果

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

(a)

(b)圖8　在無控制的情況下從HCCI向火花點燃切換

2.6從火花點燃向HCCI切換的驗證結果

圖9所示是轉速為1 500 r/min和IMEP為420 kPa 時，從火花點燃向HCCI切換時氣缸內壓力、扭矩和最高燃燒壓力位置隨時間的變化。從火花點燃向中間火花點燃切換后的幾個循環(huán)內，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比較了轉速為 1 500 r/min 和IMEP為420 kPa時HCCI、火花點燃和中間火花點燃燃燒的排氣溫度。火花點燃燃燒時的排氣溫度比HCCI燃燒時的高180 K。

在中間火花點燃期間和運行之后，上一個循環(huán)的部分廢氣被保留到下一個循環(huán)作為內部EGR。由于火花點燃燃燒時的排氣溫度比HCCI燃燒時的高，如果從火花點燃切換到HCCI時引入的內部EGR量會與穩(wěn)態(tài)運行時的相同，則氣缸內溫度將會比穩(wěn)態(tài)運行時來得高。結果，在中間火花點燃運行期間和運行之后，氣缸內溫度會超過自燃溫度，從而導致提前著火。

(a)

(b)圖9　在無控制的情況下從火花點燃向HCCI切換

圖10　穩(wěn)態(tài)運行時的排氣溫度比較

為了防止燃燒模式切換后立即出現(xiàn)過早著火，必須使引入的內部EGR量能達到合適的內部EGR溫度。具體來說，應在燃燒切換后立即調節(jié)排氣VTC相位，以控制內部EGR量使之能達到合適的內部EGR溫度。圖11所示為從火花點燃切換到HCCI燃燒時執(zhí)行裝置的運行情況。圖12是控制內部EGR量時氣缸內壓力、扭矩和最高燃燒壓力位置隨時間的變化。

圖11　燃燒模式切換(從火花點燃到HCCI)時各裝置運行情況的變更

圖12　在無控制情況下從火花點燃向HCCI燃燒的切換

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

2.7從HCCI燃燒切換到火花點燃燃燒的條件

對于HCCI和火花點燃來說，在燃燒模式轉換過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部EGR量。圖13是在不同的內部EGR率和有效壓縮比組合下，氣缸內壓縮終了溫度與排氣溫度之間的關系。

在HCCI和中間火花點燃燃燒過程中，引入并保持相同的內部EGR量。從中間火花點燃燃燒切換到HCCI燃燒過程中會出現(xiàn)的問題是會發(fā)生因較高的內部EGR溫度而導致的自燃。

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

然而，可以通過SA-HCCI降低內部EGR溫度來減少中間火花點燃燃燒時的內部EGR，這樣就能實現(xiàn)燃燒模式切換(圖13中B點)。

圖13　燃燒模式切換的條件

因此，切換后HCCI燃燒的氣缸內溫度就會低于穩(wěn)態(tài)運行時的溫度(圖13中的C點)。為了實現(xiàn)自燃，采用起燃火焰來提高氣缸內溫度。

2.8實現(xiàn)瞬態(tài)運行的控制邏輯

在HCCI的瞬態(tài)控制時，必須適當地控制壓縮終了溫度。因此，需要預估燃氣溫度，包括內部EGR溫度，并且要控制好氣門正時，以使內部EGR與預估的燃氣溫度相適應。

2.9按HCCI控制邏輯進行瞬態(tài)燃燒控制

(a)

(b)

圖14給出了轉速為1500 r/min和IMEP為200～400 kPa時，HCCI燃燒時的負荷曲線。在該負荷曲線中，內部EGR是根據預估的氣缸內溫度進行控制的。由于控制EGR量的緣故，這時內部EGR率與穩(wěn)態(tài)運行時的最佳EGR率有所不同。在所有循環(huán)中，氣缸內溫度都在合適的范圍內，燃燒持續(xù)時間也控制在適當的水平。

(c)圖14　發(fā)動機扭矩瞬變的試驗結果

圖15示出的是轉速曲線(轉速從1500～2000r/min)。 結果表明，按此方式控制，IMEP為定值。與負荷曲線類似，可以通過預估的氣缸內溫度來控制燃燒持續(xù)時間。

圖15　發(fā)動機轉速瞬變的測驗結果

3　結論

為了實現(xiàn)SA-HCCI燃燒與火花點燃燃燒之間的切換，開發(fā)了下列瞬態(tài)控制技術。

采用SA-HCCI改善燃燒的可靠性，運用進氣門晚關和排氣門早關實現(xiàn)中間火花點燃燃燒。

具體而言就是，開發(fā)了形成火花的直接噴射技術和適用于HCCI和火花點燃燃燒的氣門正時技術。

為了在燃燒切換過程中產生合適的HCCI燃燒，開發(fā)了通過預估氣缸內溫度來控制內部EGR量控制技術。上述開發(fā)的瞬態(tài)控制技術已經在發(fā)動機上進行了驗證。

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2016-03-02)