火花輔助點火均質充氣壓縮著火的瞬態控制技術

【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，在瞬態工況下運行時易發生爆燃和失火。用1臺四沖程自然吸氣汽油直噴發動機驗證了HCCI的瞬態控制，該發動采用可變氣門正時和升程的電子控制系統，來優化HCCI的進排氣。介紹了引入外部廢氣再循環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控制廢氣再循環

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。由于提高發動機的熱效率有助于減少CO2排放，因此一些企業和大學，一直在進行提高發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傳播進行穩定燃燒的稀薄油-氣混合氣實現穩定燃燒。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有望成為未來的發動機燃燒方式[5-7]。

盡管HCCI發動機的概念已經發布多年[8]，但是這一技術至今尚未得以應用。HCCI燃燒發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(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爆燃和失火現象。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。為了保證各種環境條件下的穩定燃燒，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運行范圍內發動機負荷和轉速的變化。

1　試驗裝置

試驗發動機主要技術規格見表1。

表1　發動機主要技術規格

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(i-VTEC)。

圖2　HCCI和火花點燃燃燒的氣門升程

1.2配氣系統

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種可以連續改變單個凸輪相位的機構。

1.3燃油系統

為了控制火花，采用了雙噴射系統，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。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內，出現提前著火。

在燃燒模式切換中出現提前著火的原因是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，上一個循環的部分廢氣被保留到下一個循環作為內部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量會與穩態運行時的相同，則氣缸內溫度將會比穩態運行時來得高。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　穩態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燃燒過程中會出現的問題是會發生因較高的內部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態運行時的溫度(圖13中的C點)。為了實現自燃，采用起燃火焰來提高氣缸內溫度。

2.8實現瞬態運行的控制邏輯

在HCCI的瞬態控制時，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率與穩態運行時的最佳EGR率有所不同。在所有循環中，氣缸內溫度都在合適的范圍內，燃燒持續時間也控制在適當的水平。

(c)圖14　發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時間。

圖15　發動機轉速瞬變的測驗結果

3　結論

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

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中間火花點燃燃燒。

具體而言就是，開發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。上述開發的瞬態控制技術已經在發動機上進行了驗證。

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2016-03-02)