缸内直喷汽油机SI_HCCI_SI燃烧模式切换的研究

第25卷(2007)第3期内　燃　机　学　报Tran s acti on s of CS I CEVol .25(2007)No .3　文章编号:100020909(2007)0320229206252037　缸内直喷汽油机S I 2HCC I 2S I 燃烧模式切换的研究 收稿日期:2006208211;修回日期:2006212207。

基金项目:国家重点基础研究规划项目(2001CB209204)。

作者简介:田国弘,博士研究生,E 2mail:tgh02@mails .tsinghua .edu .cn 。

田国弘,王　志,葛强强,王建昕,帅石金(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:双燃烧模式是车用均质混合气压缩着火(HCC I )发动机理想的运行策略,即在中小负荷下使用HCC I 燃烧模式,而在大负荷和高转速下过渡到传统的火花点火(SI )燃烧或柴油机燃烧模式运行。

采用可变配气和缸内直喷技术,在一个发动机循环内改变配气策略和喷油策略,实现从SI 模式所要求的常规火花点火配气相位向HCC I 模式要求的负阀重叠配气相位的跳变,配合缸内直喷策略的调整,实现SI 模式和HCC I 模式间的切换。

通过分步切换的策略,可以提高切换过程的稳定性。

燃烧模式切换可在一个发动机工作循环内完成,切换过程平稳迅速可靠,无失火和爆震等异常燃烧现象的发生。

关键词:HCC I ;缸内直喷;模式切换中图分类号:TK401 文献标志码:AStudy of S I 2HCC I 2S IM ode Sw itch i n g i n a GD I Eng i n eT I AN Guo 2hong,W ANG Zh i ,GE Q i a ng 2q i a ng,W ANG J i a n 2x i n ,SHUA I Sh i 2ji n(State Key Laborat ory of Aut omotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084,China )Abstract :T wo 2mode operati on engine is considered as an ideal operation strategy for HCC I engine .In low and m iddle l oad,the engine operates on HCC Imode,while in high load and high s peed,the engine mode s witches into the SI mode for gas oline engine and /or C I mode for diesel engine .By stepped s witch,the stabilized s witching p rocess can be obtained .W ith t wo 2stage cam p r ofile,the cam shifting can be comp le 2ted within one engine cycle,that is,fr om nor mal cam p r ofile for SI mode t o Negative Valve Overlap (NVO )p rofile for HCC I mode,or backwards .Matching with the adjust ment of injection strategies,the SI/HCC I mode s witching was realized .Experi mental operati on showed that the combustion mode s witching could be comp leted within one cycle .S mooth,rap id and reliable s witching p r ocesses were realized without abnor mal combusti on such as knocking and m isfiring .Keywords :Homogeneous charge comp ressi on igniti on;Gas oline direct injecti on;Mode s witching引言 均质混合气压缩着火(HCC I )具有低燃油消耗率,超低排放,燃烧稳定等优点,同时也面临燃烧难以控制,负荷难于拓展的困难。

在起动过程和高负荷区域,HCC I 燃烧容易发生失火或者爆震,发动机不能正常运转。

而在高负荷区域,由于传统汽油机节流损失已经较小,三效催化剂使得排放能够被控制到很低的水平,HCC I 发动机在经济性和排放性方面较常规汽油机已经没有太大优势。

高转速下HCC I 燃烧方式由于受进气限制而不能拓展。

因此结合HCC I 燃烧模式和常规汽油机火花点火(SI )模式的复合燃烧发动机逐渐成为HCC I 燃烧方式实用化的研究热点。

受到压力升高率和爆震的限制,HCC I 发动机必须在稀释条件下工作。

目前普遍的方法是使用大量EGR 实现对混合气的稀释。

EGR 的使用不但能够回收排气能量,提高压缩终点的混合气温度使其达到或超过压缩自燃的温度界限[1],而且研究发现,通过负阀重叠的方法获取缸内EGR,配合缸内直喷技术在负阀重叠期喷入少量燃油,能够实现燃料改质,大幅度提高压缩终点HCC I 燃烧稳定性,而且改质的燃料能够对HCC I 着火始点和燃烧速率起到很好地控制作用,使HCC I燃烧的控制成为可能[2—3]。

在HCC I模式和SI燃烧模式的切换中,目前可能的控制手段包括改变压缩比和改变EGR率两种方法。

F I A T和LUND技术大学合作,在S AAB的可变压缩比样机上进行了模式切换的初步研究,发现压缩比的改变持续时间较长,中间过程无法控制,切换过程平顺性和迅速性受到很大影响[4],在发动机剧烈变化的工况下不能适用,而且可变压缩比技术本身也不完备,实用化前景不明。

而采用外部EGR的方法,也存在响应过慢,散热过大的缺点,因此目前所使用的方法都为改变配气相位而获得内部EGR。

AVL公司在CSI缸内直喷样机上通过排气门二次开启引起废气回吸形成内部EGR从而实现了HCC I燃烧[5—6],但是由于排气热量损失和换气损失较大,燃油消耗率改善有限。

从SI和HCC I模式的切换来看,切换过程HC排放有所上升,表明燃烧状况受到影响,转距输出也有一定的波动,空燃比配合在切换过程中并不完美。

同时,实现排气门二次开启的电液耦合装置价格昂贵,难于量产。

Lotus 和M I T等研究单位在电液耦合气门(AVT)系统或电磁气门(E MV)等各种F VVT系统中也成功地通过形成负阀重叠实现了SI和HCC I模式间的切换[7—8]。

由于采用进气道喷油,燃油混合气形成有一定滞后,造成切换过程稳定性受到一定影响。

M I T在切换过程的喷油策略上采取了通过增减油量的方法给予一定的补偿,具有较好的效果,Lotus也通过取消节气门,并将配气策略的切换分成多步逐渐完成,能够补偿混合气浓度变化的延迟,大幅度提高了切换过程的燃烧稳定性,但是最大的障碍仍然在于AVT或E MV系统价格极其昂贵,实用化前景困难。

基于以上背景,本文提出了分段切换的控制策略,避免了切换过程中节气门和配气机构的改变对进气影响的相互耦合,并设计了错位双凸轮机构,实现了在一个发动机循环内进排气配气相位同时大幅度改变,配合汽油缸内直喷技术,从而实现了SI/HCC I燃烧模式间顺利平稳切换。

1　HCC I/S I模式切换基本思路1.1　分步切换的燃烧控制基本思路 HCC I/SI之间切换的主要难点之一在于切换过程中难于精确控制燃油和空气的比例。

通常来讲,为了减小泵气损失,HCC I燃烧在节气门全开(WOT)状态下进行。

在SI燃烧模式下,即使采用分层混合气提高空燃比界限,在小负荷下也必须关闭节气门才能正常着火。

因此,在HCC I/SI模式切换过程中,必须考虑节气门的配合动作。

燃烧模式切换的另外一个难点是配气相位的切换。

为了获得较高的压缩终点温度,HCC I燃烧必须获得大量内部EGR。

达到该目的可以采取多种方法,目前运用较为普遍的是使用负阀重叠(Negative Valve O2 verlap,NVO)配气相位或进、排气门二次开启等。

但无论采用任何方法,配气相位都不同于SI燃烧所需要的普通配气相位。

模式切换时必须同时切换配气相位。

并且为了保证切换过程的平稳迅速,配气相位的切换过程也必须迅速可靠。

采用缸内直喷技术,可以在切换过程中对油量精确控制,但是由于气体运动本身具有一定的延迟性,加上节气门无法在一到两个工作循环内响应,模式切换过程难以对气流运动进行精确控制。

基于此,设计出分步切换的基本思路,即将节气门动作和配气相位动作分离开,以略牺牲短时间内燃油经济性和排放性能为代价换取平稳的切换过程,过程如图1所示。

图1　S I/HCC I分步切换思路F i g.1　S I/HCC I stepped sw itch stra tegy 根据该思路,由HCC I燃烧向SI燃烧切换时,首先关闭节气门至SI燃烧所需的部分节气门开度(Part Opened Thr ottle,P OT),然后配气相位由HCC I燃烧的NVO相位切换至正阀重叠(Positive Valve Ovevlap, P VO)。

同样由SI燃烧切换至HCC I燃烧时,首先切换配气相位至NVO相位,然后打开节气门至WOT。

采取这样的措施能够有效避免节气门和配气相位对气流影响的耦合,大幅度降低控制难度。

1.2　错位双凸轮配气系统设计的基本思路 实现模式切换的关键问题在于迅速可靠地实现配气相位的改变。

如图2所示,SI模式向HCC I模式切换时,凸轮升程曲线由正重叠、大升程向负重叠、小升程改变,以实现大量EGR的获取,保证在第一个HCC I 循环可靠着火。

而从HCC I向SI模式切换时,凸轮升程曲线从小升程变回大升程凸轮,以实现可靠的火花点燃。

通过设计错位双凸轮机构,可以实现该目的。

在火花点火燃烧模式下,使电磁阀的油路与机油泵连通,・32・内 燃 机 学 报 第25卷第3期　缸盖主油道中建立机油压力使可变升程液压顶柱锁定,此时点燃模式进气凸轮驱动进气门,点燃模式排气凸轮驱动排气门,即实现一个循环内切换至火花点火燃烧模式所需的配气相位;当需要配气相位切换时,使电磁阀的油路与油底壳连通,缸盖主油道中的机油压力被释放,可变升程液压挺柱解除锁定,此时压燃模式进气凸轮驱动进气门,压燃模式排气凸轮驱动排气门,即实现一个工作循环内的火花点火燃烧模式向压燃着火模式所需的配气相位的切换。