CN102305141A - Hcci汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法，其步骤是通过调整留在发动机缸内的残余废气的比率和外部废气再循环率，实现发动机缸内总废气率和废气温度的解耦，以消除在发动机工况调整过程中需要阶跃调整的工况点，从而满足发动机燃烧模式连续调节的需求。本发明可以在全部负荷范围内实现当量空燃比下废气稀释型均质压燃燃烧汽油发动机负荷和燃烧模式的协同调节，从而在控制层面上消除燃烧模式的概念，将均质压燃汽油机的控制过程转变为进排气门升程和相位、喷油脉宽、点火时刻以及外部废气再循环阀开度等变量的表控制。

Description

HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法

技术领域

本发明涉及一种汽车发动机燃烧控制方法，尤其涉及一种HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法。

背景技术

汽油机均质压燃燃烧技术是新一代发动机燃烧理念的代表，是为了解决5～20年后更严苛法规要求而开发新型燃烧技术，但是目前HCCI燃烧技术还存在一些问题需要攻克，其一就是其运行范围有限不足以覆盖车用汽油机的常用工况范围。限制HCCI燃烧上负荷边界拓展的主要问题就是由燃烧速度过快造成的爆震现象。造成这一现象的主要原因就是缸内用于稀释燃烧过程的残余废气数量不足。残余废气在HCCI燃烧中起到了三个作用。一是，填充缸内容积。HCCI燃烧中通过调整缸内的残余废气率来控制新鲜充量的数量，进而控制发动机的负荷。因此，越大的负荷，缸内残余废气越小。二是，用作缸内放热过程的稀释剂。由于汽油机均质特性，一旦发生压燃，缸内会形成多个着火核心。此时需要稀释剂来控制放热速度，避免爆震等不正常的燃烧现象。相应地，稀释工质越少，对燃烧放热的抑制作用越弱，对控制放热速度不利。三是，上循环经过燃烧残留下来的废气具有较高的温度，HCCI燃烧利用残余废气的能量加热新鲜空气，以使缸内条件在燃烧上止点附近时满足自燃着火的需要。当HCCI燃烧达到上负荷边界，缸内残余废气的温度也达到最高，极易引起自燃现象。所以，在均质压燃燃烧的上负荷边界上，由于用于稀释的废气数量的减少，缸内稀释工质已经不足以控制HCCI燃烧的放热速度，从而造成了汽油机均质压燃燃烧运行范围存在上负荷边界。造成这一问题的根源是内部废气在HCCI燃烧控制中同时扮演了多个角色，因而随着发动机负荷的变化，不同的角色之间的矛盾会变得尖锐。目前，为了在实际中应用，在汽油机均质压燃燃烧所能覆盖的负荷范围外，采用传统的火花点火燃烧方式(SI)的方法被认为最行之有效的方法。

因此，在汽油机均质压燃燃烧领域内一个重要的研究内容就是如何实现均质压燃燃烧模式到传统的火花点火燃烧模式之间的转换。

目前，各个研究单位针对该问题，在各自的技术平台上开发出了不同的控制策略和方法，但是这些技术采用的都是燃烧模式瞬时切换的阶跃性控制。主要包括：

公开号为CN102094720A，其公开日为2011年6月15日的中国专利申请公开了一种HCCI模式转换控制系统和方法。具体地，提供了一种用于操作发动机的控制系统和方法，其包括基于发动机转速和发动机温度来确定多个燃烧模式阀值的阀值确定模块。控制模块还包括转变模块，其比较发动机载荷和多个燃烧模式阀值，并响应于比较发动机载荷和多个燃烧模式阀值来改变发动机的燃烧模式。

公开号为CN101922374A，其公开日为2010年12月22日的中国专利申请公开了一种控制发动机HCCI与SI模式间过渡切换的系统和方法。具体地，提供了一种用于操作发动机的控制系统和方法，其包括均质充气压缩点火(HCCI)模式控制模块，该模块使发动机在HCCI模式下工作。该控制系统还包括差值模块，该模块确定期望转矩量与火花点火(SI)阈值之间的实际差值。当该实际差值在阈值带以上时，SI模式控制模块使发动机在SI状态下工作。当该实际差值在转矩阈值带范围之内时，HCCI模式控制模块使发动机在HCCI模式下工作预定时间。当该实际差值在转矩阈值带以下时，HCCI模式控制模块使发动机在HCCI模式下工作。

公开号为CN101532445，其公开日为2009年9月16日的中国专利申请公开了一种HCCI/SI燃烧转换控制系统和方法。本发明的用于操作发动机的控制系统和方法包括在火花点火模式中控制发动机的火花点火(SI)控制模块，在火花点火模式之后在HCCI模式中控制发动机的预-均质充气压缩(HCCI)模块，和在预-HCCI模式之后在HCCI模式中控制发动机的HCCI模块。SI模块在HCCI模式之后在SI模式中控制发动机。

公开号为CN101454552，其公开日为2009年6月10日的中国专利申请公开了一种用于在受控的自动点火和火花点火燃烧模式中的一种模式下操作多气缸直接喷射式发动机的方法。监测发动机操作和操作者的转矩请求。当监测到的发动机操作高于预定阈值时，对部分气缸的燃料输送被选择性地无效而来自未被停用气缸的转矩输出被选择性地增加以达到操作者的转矩请求。确定发动机的负荷需求超过了处于化学计量的HCCI模式下的发动机的操作能力的发动机操作点。发动机被选择性地在非节流的火花点火模式下操作并有至少一个气缸未被提供燃料而来自其余气缸的转矩输出被选择性地增加。

公开号为CN101675231，其公开日为2010年3月17日的中国专利申请公开了一种直喷汽油机中控制HCCI与SI燃烧之间的转换的方法和设备，用于在均质充气压燃(HCCI)模式与火花点燃(SI)模式之间转换火花点燃直喷式内燃机的操作的方法，所述内燃机具有两级可变相位气门系，所述方法包括提供在低升程进排气门均质充气压燃模式和高升程进排气门非节流火花点燃模式中间的低升程进气门非节流化学计量比火花点燃操作。

公开号为CN101338693，其公开日为2009年1月7日的中国专利申请公开了一种拓展压燃式汽油机负荷范围的装置及方法，该装置包括：气缸，通过气门与进气道和排气道分别连接；活塞，在气缸内上下运动，活塞的顶部带有凹坑；电热塞，其加热端在活塞运行到上止点时，伸入到凹坑内；喷油器，其喷嘴在活塞运行到上止点时，与凹坑相对，该方法包括：喷油器分别在进气冲程和压缩冲程中喷油，形成浓稀双区分层混合气；电热塞在缸内加热混合气，形成热分层；燃烧室凹坑中的又浓温度又高的区域先着火，从而引发其他区域着火。本发明通过控制浓稀两区先后着火，降低缸内压力升高率，并保证可靠的着火，达到同时拓宽HCCI燃烧可运行的高、低负荷范围的目的。

上述这些技术方案全部都是建立在一个确定的阈值负荷，同时动作多个控制器，在某个确定的工况点完成燃烧模式之间的切换，并不能像传统的火花点火式发动机那样，随意的控制发动机的负荷。

公开号为CN101532446，其公开日为2009年9月16日的中国专利申请公开了一种燃料经济性及无缝转变的HCCI燃烧模变状态控制，包括使发动机在火花点火模式中在高升程气门状态中运行的火花点火(SI)控制模块和当满足均质充气压缩点火(HCCI)模式条件时进入匹配状态的预-HCCI控制模块。当满足匹配条件时，预-HCCI控制模块进入预-均质充气压缩点火模式并执行点火延迟、分层运行或稀混合气运行并命令一低升程气门状态。系统还包括HCCI控制模块，其在处于低升程气门状态中时进入HCCI模式。其努力尝试完成燃烧模式和负荷的协同调节，但是仍然存在一个转换过程是需要在某个确定的负荷实行控制机构的阶跃控制。

上述专利中应用的阶跃性控制在实际应用中会造成控制上复杂和困难性，并且也需要复杂控制策略用以补偿在阶跃控制中两种燃烧模式在废气率和废气温度方面的巨大差距。而且几乎所有的论文都显示在这种阶跃控制中发动机负荷会出现波动，虽然好的补偿策略可以减小这种波动并避免失火和爆震等不正常的燃烧现象，但是并不能从根本上消除之。采用阶跃控制的根本原因还是在废气在均质压燃燃烧中同时起着多种功能，在无法实现废气功能解耦的情况下，只能采用阶跃控制的方法，尽快大幅减少缸内残余废气，以实现燃烧的稳定控制。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法，是一种用于在全部负荷范围内实现当量空燃比下废气稀释型均质压燃燃烧汽油发动机负荷和燃烧模式协同调节的方法，从而在控制层面上消除燃烧模式的概念，将均质压燃汽油机的控制过程转变为进排气门升程和相位、喷油脉宽、点火时刻以及外部废气再循环阀开度等七个变量的表控制。

为了解决上述技术问题，本发明HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法予以实现的一个技术方案是：通过调整留在发动机缸内的残余废气的比率和外部废气再循环率，实现发动机缸内总废气率和废气温度的解耦，以消除在发动机工况调整过程中需要阶跃调整的工况点，从而满足发动机燃烧模式连续调节的需求。

本发明HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法，其中，实现缸内总废气率和废气温度的解耦，包括按照公式(1)确定发动机缸内总废气率TotalEGR、按照公式(2)确定发动机缸内的残余废气的比率iEGR及按照公式(3)确定发动机外部废气率eEGR；

${\mathrm{Total}}_{\mathrm{EGR}}=(a*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+b)*e+(V_d/0.5-1)/10---\left(1\right)$

$\mathrm{iEGR}=[(c*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+d)*e+(V_d/0.5-1)/10]*[1.2-0.2*(\mathrm{CR}/10)]---\left(2\right)$

eEGR＝Total_EGR-iEGR                               (3)

公式(1)、公式(2)和公式(3)中：

IMEP——平均指示压力；

n——发动机转速；

V_d——发动机排量；

CR——发动机的压缩比；

e——转速修正系数，

e＝1.269920266-0.19732469*IMEP+0.0000694884*(n-1500)+0.032471557*IMEP^2-0.000000017269*(n-1500)^2-0.000056813*IMEP*(n-1500)

a，b，c，d——需要根据不同发动机进行标定的参数，以优化发动机的燃油经济性的表现，并满足排放法规的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的实现过程是只需要按照燃烧控制的需求，连续调节内部残余废气和外部废气再循环的比例即可。而调节内部残余废气在整个控制过程中是依靠排气门的升程和相位来调节的，增大排气门升程和推迟排气门关闭时刻都可以减少缸内残余废气率。外部废气再循环阀控制了从进气门进入缸内的外部废气的比率，进气门的升程控制了进入缸内工质数量，包括新鲜充量和外部废气，此外进气门的关闭时刻控制了发动机的有效压缩比，在一定程度上可以调节发动机缸内的温度，在燃烧过程的控制中，内部残余废气和外部废气之间的比例结合进气门关闭时刻决定了缸内温度，内部废气和外部废气的总和决定了缸内总废气率。外部废气再循环阀控制了通过进气门进入缸内的充量中外部废气所占的比例。其中通过进气门进入缸内的充量中新鲜充量的数量决定了发动机的负荷。由于在全可变气门机构中，发动机进排气门升程和相位是连续可调的，而外部废气再循环阀也是连续可调的，而喷油量和点火时刻是每循环进行控制的，因此，通过此七个参数之间的相互协同调节，就可以实现均质压燃燃烧发动机负荷和燃烧模式之间的连续协同过渡，从而在控制层面上消除燃烧模式的概念，简化控制策略，改善发动机性能。

本发明主要是研究针对当量空燃比下废气稀释型均质压燃燃烧汽油机负荷增加过程中燃烧模式的转化问题，开发出了一套通过进排气门机构协同调节结合外部废气再循环，实现发动机缸内废气率和废气温度的解耦，从而在根本上突破限制汽油机均质压燃燃烧的爆震限，从而实现发动机燃烧模式和负荷连续协同控制。

本发明的一个实验例在一台装有4VVAS系统的单缸实验汽油发动机上进行，实验结果表明，从汽油机均质压燃燃烧上负荷边界到火花点火式燃烧的负荷和燃烧模式连续过渡得以实现，并比传统SI燃烧取得显著的燃油节省。

附图说明

图1是本发明HCCI汽油发动机控制系统图；

图2是发动机为1500r/min时，负荷从怠速调整到最大过程中，发动机缸内残余废气率和外部废气率的变化过程；

图3是发动机为1500r/min时，负荷从怠速调整到最大过程中，发动机气门控制参数和外部废气率连续调节图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明的核心控制思想是通过内外部废气的协同控制，实现缸内残余废气率和废气温度的解耦，根据不同负荷对燃烧放热过程的需要，调整缸内废气率和废气温度至合适数值，在均质压燃燃烧可以覆盖的运行范围内实现均质压燃，在均质压燃不能覆盖的运行范围内实现同时存在均质压燃和火焰传播同时存在的混合燃烧过程，在大负荷和全负荷工况使用优化的火花点火燃烧。这样在整个负荷调节过程中，只需要调节缸内废气的状态，就可以实现缸内压燃和火焰传播过程比例的调节，从而在控制上无需考虑缸内具体的燃烧模式。

为了实现以上控制思想，实现本发明调节方法的控制系统如图1所示，包括发动机管理单元1、燃烧信息采集分析单元3、可变气门机构控制单元4和喷油点火控制单元5；所述燃烧信息采集分析单元3用于采集发动机的缸压和离子电流信号，计算实时燃烧信息反馈，发动机管理单元1根据扭矩需求、发动机工况和实时燃烧信息计算出进排气门升程、相位及点火提前角、喷油脉宽等参数，并通过CAN总线分别发送给全可变气门控制单元4和喷油点火控制单元5，同时发动机管理单元1还向PC机2上传控制参数；所述可变气门机构控制单元，接受发动机管理单元发送的进排气门升程、相位值，完成对发动机6的进排气门升程、相位闭环控制，并上传发动机实际的进排气门升程、相位给发动机管理单元；所述发动机管理单元1，通过CAN总线接受发动机燃烧信息及状态参数，进行闭环反馈控制，把计算后的控制参数通过CAN总线发送给其它二个控制单元，完成进排气相位、升程、点火时刻、喷油量及外部废气再循环率的控制，实现HCCI汽油发动机在整个发动机运行工况中快速、精确、稳定控制；同时发动机管理单元同时向PC机2传送发动机的状态参数及其控制状态。

本发明HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法是：通过调整留在发动机缸内的残余废气的比率和外部废气再循环率，实现发动机缸内总废气率和废气温度的解耦，以消除在发动机工况调整过程中需要阶跃调整的工况点，从而满足发动机燃烧模式连续调节的需求。实现缸内总废气率和废气温度的解耦，包括按照公式(1)确定发动机缸内总废气率Total_EGR、按照公式(2)确定发动机缸内的残余废气的比率iEGR及按照公式(3)确定发动机外部废气率eEGR；

${\mathrm{Total}}_{\mathrm{EGR}}=(a*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+b)*e+(V_d/0.5-1)/10---\left(1\right)$

$\mathrm{iEGR}=[(c*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+d)*e+(V_d/0.5-1)/10]*[1.2-0.2*(\mathrm{CR}/10)]---\left(2\right)$

eEGR＝Total_EGR-iEGR                 (3)

公式(1)、公式(2)和公式(3)中：

IMEP——平均指示压力；

n——发动机转速；

V_d——发动机排量；

CR——发动机的压缩比；

e——转速修正系数，

e＝1.269920266-0.19732469*IMEP+0.0000694884*(n-1500)+0.032471557*IMEP^2-0.000000017269*(n-1500)^2-0.000056813*IMEP*(n-1500)

a，b，c，d——需要根据不同发动机进行标定的参数，以优化发动机的燃油经济性的表现，并满足排放法规的要求。

实施例：

以Ricardo hydra 140型0.5L单缸实验发动机为例，说明本发明的具体实施过程。首先为了实现多参数联调的控制，需要一套先进的控制系统。本实施例可以建立在如图1所示的控制系统的基础上，该控制系统包括发动机管理单元1、燃烧信息采集分析单元3、可变气门机构控制单元4和喷油点火控制单元5，其中的PC机2在整个控制系统中主要起到监控和记录数据的作用，并不直接参与发动机的控制过程。所述燃烧信息采集分析单元3用于采集HCCI汽油发动机的缸压，计算实时燃烧信息并反馈给发动机管理单元1用以对发动机燃烧控制进行实时修正。发动机管理单元1根据驾驶员给出的驾驶信息，计算出对发动机扭矩和转速的需求，再根据通过本发明中的公式实现计算出的map表，插值计算出发动机所需的缸内残余废气的比率和外部废气再循环率之间。所述喷油点火控制单元5，接受发动机管理单元1发送的点火提前角、喷油脉宽值、完成对HCCI汽油发动机6点火提前角和喷油量的闭环控制，并根据外部废气再循环率调整外部废气再循环阀的开度，并上传发动机实际的进气压力、温度、等参数给发动机管理单元1。控制外部废气再循环率以实现缸内总废气率和废气温度的解耦。本发动机中对内外部废气率的需求是应用本发明提出的公式计算得到的，其中按照公式(1)确定发动机缸内总废气率Total_EGR、按照公式(2)确定发动机缸内的残余废气的比率iEGR及按照公式(3)确定发动机外部废气率eEGR；

${\mathrm{Total}}_{\mathrm{EGR}}=(a*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+b)*e+(V_d/0.5-1)/10---\left(1\right)$

$\mathrm{iEGR}=[(c*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+d)*e+(V_d/0.5-1)/10]*[1.2-0.2*(\mathrm{CR}/10)]---\left(2\right)$

eEGR＝Total_EGR-iEGR                    (3)

在本发动机中，a，b，c，d的推荐值分别是：-23.5936，87.77121，-30.3996，95.91303；其中，燃油经济性较传统节气门控制SI燃烧在NEDC循环工况的结果改善11％，NO_X排放至少改善60％。

在发动机管理单元1发出新的控制指令后，各单元只需要按照收到的控制信息，完成对各自控制量的调整，整个调整过程不存在需要阶跃控制负荷点，所有参数均是连续调节。图2是发动机为1500r/min时，负荷从怠速调整到最大过程中，发动机缸内残余废气率和外部废气率的变化过程。图3是发动机为1500r/min时，负荷从怠速调整到最大过程中，发动机气门控制参数和外部废气率连续调节图。其中IVP表示进气门最大升程相位，EVP表示排气门最大升程相位，IL表示进气升程，EL表示排气门升程，EGR表示外部废气率。

采用同样的控制机构作用于装有全可变气门运动机构的新晨动力股份有限公司生产的4RB2型2.4L发动机，a，b，c，d的推荐值分别是-23.5611，88.08777，-29.9915，94.96848；同理，作用于上海汽车股份有限公司生产的2.2L发动机为例，，a，b，c，d的推荐值分别是-23.5541，86.08367，-29.9961，95.6274，均可得到与ricardo单缸机类似的节油和减排效果，同时保证气门参数调节的连续性。

对于任何一款可以实现进排气门升程和相位协同调节的汽油发动机，使用本发明提出的燃烧控制策略都可以成功实现均质压燃燃烧汽油机燃烧模式和负荷的协同调节，从而进一步改善发动机性能。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法，其特征在于：

通过调整留在发动机缸内的残余废气的比率和外部废气再循环率，实现发动机缸内总废气率和废气温度的解耦，以消除在发动机工况调整过程中需要阶跃调整的工况点，从而满足发动机燃烧模式连续调节的需求。

2.根据权利要求1所述的HCCI汽油发动机负荷和燃烧模式连续平滑调节的方法，其特征在于：实现缸内总废气率和废气温度的解耦，包括按照公式(1)确定发动机缸内总废气率Total_EGR、按照公式(2)确定发动机缸内的残余废气的比率iEGR及按照公式(3)确定发动机外部废气率eEGR；

${\mathrm{Total}}_{\mathrm{EGR}}=(a*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+b)*e+(V_d/0.5-1)/10---\left(1\right)$

$\mathrm{iEGR}=[(c*\sqrt{\mathrm{IMEP}}+d)*e+(V_d/0.5-1)/10]*[1.2-0.2*(\mathrm{CR}/10)]---\left(2\right)$

eEGR＝Total_EGR-iEGR                                  (3)

公式(1)、公式(2)和公式(3)中：

IMEP——平均指示压力；

n——发动机转速；

V_d——发动机排量；

CR——发动机的压缩比；

e——转速修正系数，

e＝1.269920266-0.19732469*IMEP+0.0000694884*(n-1500)+0.032471557*IMEP^2-0.000000017269*(n-1500)^2-0.000056813*IMEP*(n-1500)

a，b，c，d——需要根据不同发动机进行标定的参数，以优化发动机的燃油经济性的表现，并满足排放法规的要求。

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