CN102312732A

CN102312732A - 一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法

Info

Publication number: CN102312732A
Application number: CN201110260571A
Authority: CN
Inventors: 谢辉; 陈韬; 李乐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102312732B

Abstract

本发明公开了一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法，当可控自燃燃烧发动机达到其常规负荷下限之后，为了进一步减小发动机的负荷，采取在增大发动机缸内残余废气率的同时提前进气门打开时刻，并保持进气门关闭时刻位于发动机最大有效压缩比位置±30°CA的范围内。本发明是在全可变气门运动机构的基础上开发的一种用于将拓展可控自燃燃烧汽油机运行范围向小负荷和怠速方向拓展的燃烧控制策略。本发明可以解决汽油机可控自燃燃烧在小负荷的实现问题，从而避免在燃烧条件恶劣且不稳定的小负荷工况，引入复杂的燃烧模式切换过程，可促进可控自燃燃烧汽油机在实际中的应用。同时，在小负荷工况实现可控自燃燃烧可以相对汽油机传统的SI燃烧节油17％以上。

Description

一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法

技术领域

本发明属于汽车发动机燃烧控制方法，尤其属于一种用于拓展当量空燃比下废气管理的可控自燃燃烧汽油发动机运行范围向小负荷和怠速工况拓展的燃烧控制策略。

背景技术

汽油机可控自燃燃烧技术是新一代发动机燃烧理念的代表，是为了解决未来10～20年更严苛法规要求而开发新型燃烧技术，相对传统节气门控制的SI燃烧具有10％到30％的节油潜力。但是目前可控自燃燃烧技术还存在一些问题需要攻克，其一就是其运行范围向小负荷和怠速工况的拓展。造成这一难题的主要原因是可控自燃燃烧时发动机缸内存在大量的残余废气。残余废气在可控自燃燃烧中起到了三个作用。一是填充缸内容积。可控自燃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，越小的负荷，缸内残余废气越大。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，稀释工质越多，对燃烧放热的抑制作用越强，对产生自燃着火越是不利。而小负荷时，稀释工质最多，稀释作用最为强烈。三是上循环经过燃烧残留下来的废气具有较高的温度，可控自燃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。废气温度是随着缸内负荷的减少和稀释工质比例的增加而减小的。当发动机工作在小负荷区域时，废气温度处于低的水平，很难满足自燃着火的需求。综合以上三点，废气虽然在可控自燃燃烧中起到了一举多得的关键性作用，但是由于不同作用间相互耦合的关系，使得可控自燃燃烧在发动机的小负荷和怠速工况非常难以实现。

因此，汽油机可控自燃燃烧在小负荷和怠速工况的实现目前还是世界范围内该研究领域的难题之一，不存在公知公用的方法和技术。

目前针对汽油机新一代燃烧技术向小负荷和怠速工况拓展的问题，美国通用公司和Ford公司分别提出了一种针对混合燃烧方案和OKP方案的控制方法。

通用公司提出的方法是利用汽油机直喷喷射技术结合发动机点火控制技术，采用多次喷油加多次点火的方法，在怠速和小负荷工况实现类似可控自燃燃烧的混合燃烧过程。其空燃比是控制在稀混合气的状态，在重压峰的位置利用残氧和相对高温，进行一次预反应，提供活性物质给其后的主放热过程，而在压缩过程中，通过两次喷油在火花塞附近形成局部浓区，利用火花跳火的能量触发火焰传播过程，利用火焰传播释放的热量和压力，压缩并加热周围的混合气至自燃的状态，形成一种类可控自燃燃烧的混合燃烧过程。其控制过程如下图2所示，引自SAE Paper 2009-01-0499。虽然取得了比较好的效果，但是其空气和废气混合稀释的特性，决定了其无法使用传统有效的三效催化器，而且最终形成的也不是完全的可控自燃燃烧。该方法并不适用于当量空燃比下的废气管理的汽油机可控自燃燃烧方式。而当量空燃比下的废气管理汽油机可控自燃燃烧方式，是目前最有可能用于实践的汽油机可控自燃燃烧实现方式。

福特公司在其论文(SAE Paper 2002-01-2832)中，提出了针对OKP策略的汽油机小负荷拓展的方案。OKP策略的汽油机压燃燃烧方式，在缸内并不存留废气，因此，小负荷拓展时只需要考虑缸内温度即可，无需考虑废气对燃烧的抑制作用。其方法是提高了发动机的压缩比同时采用了进气加热。这样就可以尽可能地增大缸内达到压缩上止点时的温度，以满足汽油机压燃着火的需要。该方法提高了压缩比虽然对小负荷拓展有利但是不利于大负荷时的燃烧控制，同时在实际应用中也很难采用外加热源的方法。当然最重要的是该方法也无法解决当量空燃比下废气管理汽油机可控自燃燃烧向小负荷拓展的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法。本发明是在全可变气门运动机构的基础上，开发的一种用于将拓展可控自燃燃烧汽油机运行范围向小负荷和怠速方向拓展的燃烧控制方法。本发明是通过改变发动机燃烧室内废气率和温度分层，在发动机缸内压缩行程进行到压缩上止点附近时，在缸内形成适宜着火的局部相对高温低废气率区，以在发动机小负荷时实现汽油机可控自燃燃烧。

本发明中所提及到的可控自燃燃烧是指当量空燃比下废气管理的HCCI燃烧，目前，尚无将当量空燃比下废气管理的HCCI燃烧汽油机向小负荷和怠速拓展的控制方法。

本发明中所指的全可变气门运动机构，包括可变气门定时机构、可变气门升程机构和可变气门型线机构等，其中，可变气门定时机构通过改变气门打开和关闭的时刻；可变气门型线机构通过改变气门打开的持续期，可变气门升程机构通过改变升程和持续期均可满足本发明中要求的可变运动机构的形式。因此，本发明依靠的主要技术平台是可变气门运动机构，利用可变机构可以实现气门相位和持续期的调节能力，引入进气前回流过程而实现的。

为了解决上述技术问题，本发明一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法予以实现的技术方案是：当可控自燃燃烧发动机达到其常规负荷下限之后，为了进一步减小发动机的负荷，采取在增大发动机缸内残余废气率的同时提前进气门打开时刻，并保持进气门关闭时刻位于发动机最大有效压缩比位置±30°CA的范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是一种用于拓展当量空燃比下废气管理的可控自燃燃烧汽油发动机运行范围向小负荷和怠速工况拓展的燃烧控制方法。在全可变气门运动机构技术平台支持的基础上，通过增大进气门持续期的方法，在维持较大的有效压缩比的同时，提前进气门打开时刻，引入进气前回流过程，改变进气终了时的缸内废气和温度的分布，形成相对高温和低废气率区域，以保证可控自燃燃烧燃烧稳定可靠着火，从而在小负荷和怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。这一结果可以解决汽油机可控自燃燃烧在小负荷的实现问题，从而避免在燃烧条件不稳定的小负荷工况，引入复杂的燃烧模式切换过程，可促进可控自燃燃烧汽油机在实际中的应用。同时，在小负荷工况实现可控自燃燃烧可以相对汽油机传统的SI燃烧节油14％以上。

附图说明

图1是本发明方法的可控自燃燃烧气门型线组织形式示意图；

图2是现有技术中一种可控自燃燃烧的混合燃烧控制过程；

图3是本发明应用的气门参数方案示意图；

图4是本发明实现的可控自燃燃烧与传统火花点火式燃烧的比较。

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。

本发明一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法是：当可控自燃燃烧发动机达到其常规负荷下限之后，为了进一步减小发动机的负荷，采取在增大发动机缸内残余废气率的同时提前进气门打开时刻(如图1所示，将进气门向进排气上止点方向移动)，并保持进气门关闭时刻位于发动机最大有效压缩比位置±30°CA的范围内。

为了说明本发明具体的实现过程，先对可控自燃燃烧的气门参数组织形式作出说明。可控自燃燃烧采用的是内部废气再循环的方法，即：利用上个循环留在缸内的废气的能量，来加热新鲜充量，以达到在上止点附近着火燃烧的目的。内部残余废气在可控自燃燃烧燃烧中起到了一举多得的作用，而可控自燃燃烧也因此受到了限制(在前面背景技术中已经充分阐述)。在可控自燃燃烧中，为了留住缸内残余废气，普遍使用的方法采用负气门重叠角的气门参数组织形式，即，采用小升程和小持续期的进排气门型线，让排气门在上止点前就关闭，从而进气门在上止点后才开启，这样就形成了进排气门重叠负角，如图1所示。在此过程中，为了减少泵气损失以获得较高的燃油经济性，排气门关闭时刻和进气门打开时刻，相对于进排气上止点是基本对称的。

本发明一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法的工作原理和过程是：由于本发明依靠的主要技术平台是可变气门运动机构，利用可变机构对气门相位和持续期的调节能力，引入进气前回流过程而实现的。为了实现本发明技术方案需要应用的前回流策略，通过对进排气门参数组织方法进行修改，即，在维持排气门关闭时刻不变的情况下，向进排气上止点方向提前进气门打开时刻，先让部分缸内残余废气回流到进气管，与新鲜充量混合，然后再重新吸入会缸内，这样在维持大致不变的温度分层的情况下，缸内废气浓区中心会向着排气门侧移动。此时废气浓区和温度浓区在缸内的分布会产生空间的背离。这样在缸内就形成了易于自燃发生的低废气率和高温区，利用这一分布特征可以在小负荷和热机怠速工况实现汽油机可控自燃燃烧。由于当量空燃比下的废气稀释型汽油机可控自燃燃烧，随着负荷的减小，缸内残余废气率会逐渐升高，越高的残余废气率越不利于可控自燃燃烧自燃着火的实现。因此，随着负荷的减小，需要在减小排气门升程或提前排气门的相位以增大缸内残余废气率的同时，提前进气门打开时刻，这样就可以在维持较大的有效压缩比的同时，增大前回流量来维持稳定可控自燃燃烧自燃着火的稳定。其主要应用的气门参数方案如下图3所示。应用本发明方案可以在热机情况下，将可控压燃燃烧方式拓展到怠速等小负荷工况。拓展小负荷过程中，随着负荷的减小，应相应地提前进气门打开的时间，以引入更强烈的前回流过程，来维持可控自燃燃烧的稳定。在确定的负荷，当发动机循环变动小于8％时，即可停止提前进气门打开时刻，否则会引起不必要的经济性损失。

实验例：

该实验例是在一台装有4VVAS系统的Ricardo Hydra 140型单缸实验汽油发动机上进行，该发动机缸径和行程都是86mm，压缩比为10.67，实验采用当量空燃比，进气道喷射，冷却水温度控制在80℃，机油温度控制在55℃。实验结果表明，汽油机可控自燃燃烧在小负荷工况得以实现，并比传统SI燃烧节省大量的燃油消耗。最重要的是通过本发明在小负荷实现了可控自燃放热之后，在实际应用时，就无需在中小负荷进行燃烧模式的转换。而对于常用的城市道路工况而言，发动机会经常工作在中小负荷工况。使用本策略后，可以去除频繁的燃烧模式转换，简化发动机控制策略，并且同时达到节油减排的效果，如图4所示。

应用实施：

将本发明技术方案在Ricardo Hydra 140型汽油发动机上进行应用时，推荐在转速为1500r/min，平均指示压力为0.085MPa时，可将进气门关闭固定在下止点后20°CA，进气门打开时刻确定为上止点后50°CA，排气门关闭时刻可确定为上止点前100°CA，燃油经济性的改善可达17％，如图4所示。

对于任何一款可以实现进排气门升程和相位调节的汽油发动机，使用本发明方法均可以成功地将可控自燃燃烧汽油机的运行范围拓展到小负荷工况，从而简化控制策略，并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

1.一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法，其特征在于：

当可控自燃燃烧发动机达到其常规负荷下限之后，为了进一步减小发动机的负荷，采取在增大发动机缸内残余废气率的同时提前进气门打开时刻，并保持进气门关闭时刻位于发动机最大有效压缩比位置±30°CA的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法，其特征在于：当发动机循环变动小于8％时，停止提前进气门打开时刻。