一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法
2023-06-12 14:56:31
專利名稱：一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法
技術領域：
本發明屬於汽車發動機燃燒控制方法，尤其屬於一種用於拓展當量空燃比下廢氣管理的可控自燃燃燒汽油發動機運行範圍向小負荷和怠速工況拓展的燃燒控制策略。
背景技術：
汽油機可控自燃燃燒技術是新一代發動機燃燒理念的代表，是為了解決未來 10 20年更嚴苛法規要求而開發新型燃燒技術，相對傳統節氣門控制的SI燃燒具有10% 到30%的節油潛力。但是目前可控自燃燃燒技術還存在一些問題需要攻克，其一就是其運行範圍向小負荷和怠速工況的拓展。造成這一難題的主要原因是可控自燃燃燒時發動機缸內存在大量的殘餘廢氣。殘餘廢氣在可控自燃燃燒中起到了三個作用。一是填充缸內容積。 可控自燃燃燒中通過調整缸內的殘餘廢氣率來控制新鮮充量的數量，進而控制發動機的負荷。因此，越小的負荷，缸內殘餘廢氣越大。二是用作缸內放熱過程的稀釋劑。由於汽油機均質特性，一旦發生壓燃，缸內會形成多個著火核心。此時需要稀釋劑來控制放熱速度，避免爆震等不正常的燃燒現象。相應地，稀釋工質越多，對燃燒放熱的抑制作用越強，對產生自燃著火越是不利。而小負荷時，稀釋工質最多，稀釋作用最為強烈。三是上循環經過燃燒殘留下來的廢氣具有較高的溫度，可控自燃燃燒利用殘餘廢氣的能量加熱新鮮空氣，以使缸內條件在燃燒上止點附近時滿足自燃著火的需要。廢氣溫度是隨著缸內負荷的減少和稀釋工質比例的增加而減小的。當發動機工作在小負荷區域時，廢氣溫度處於低的水平，很難滿足自燃著火的需求。綜合以上三點，廢氣雖然在可控自燃燃燒中起到了一舉多得的關鍵性作用，但是由於不同作用間相互耦合的關係，使得可控自燃燃燒在發動機的小負荷和怠速工況非常難以實現。因此，汽油機可控自燃燃燒在小負荷和怠速工況的實現目前還是世界範圍內該研究領域的難題之一，不存在公知公用的方法和技術。目前針對汽油機新一代燃燒技術向小負荷和怠速工況拓展的問題，美國通用公司和公司分別提出了一種針對混合燃燒方案和OKP方案的控制方法。通用公司提出的方法是利用汽油機直噴噴射技術結合發動機點火控制技術，採用多次噴油加多次點火的方法，在怠速和小負荷工況實現類似可控自燃燃燒的混合燃燒過程。其空燃比是控制在稀混合氣的狀態，在重壓峰的位置利用殘氧和相對高溫，進行一次預反應，提供活性物質給其後的主放熱過程，而在壓縮過程中，通過兩次噴油在火花塞附近形成局部濃區，利用火花跳火的能量觸發火焰傳播過程，利用火焰傳播釋放的熱量和壓力，壓縮並加熱周圍的混合氣至自燃的狀態，形成一種類可控自燃燃燒的混合燃燒過程。其控制過程如下圖2所示，引自SAE Paper 2009-01-0499。雖然取得了比較好的效果，但是其空氣和廢氣混合稀釋的特性，決定了其無法使用傳統有效的三效催化器，而且最終形成的也不是完全的可控自燃燃燒。該方法並不適用於當量空燃比下的廢氣管理的汽油機可控自燃燃燒方式。而當量空燃比下的廢氣管理汽油機可控自燃燃燒方式，是目前最有可能用於實踐的汽油機可控自燃燃燒實現方式。
福特公司在其論文(SAE Paper 2002-01-2832)中，提出了針對OKP策略的汽油機小負荷拓展的方案。OKP策略的汽油機壓燃燃燒方式，在缸內並不存留廢氣，因此，小負荷拓展時只需要考慮缸內溫度即可，無需考慮廢氣對燃燒的抑制作用。其方法是提高了發動機的壓縮比同時採用了進氣加熱。這樣就可以儘可能地增大缸內達到壓縮上止點時的溫度， 以滿足汽油機壓燃著火的需要。該方法提高了壓縮比雖然對小負荷拓展有利但是不利於大負荷時的燃燒控制，同時在實際應用中也很難採用外加熱源的方法。當然最重要的是該方法也無法解決當量空燃比下廢氣管理汽油機可控自燃燃燒向小負荷拓展的問題。
發明內容
針對上述現有技術，本發明提供一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法。本發明是在全可變氣門運動機構的基礎上，開發的一種用於將拓展可控自燃燃燒汽油機運行範圍向小負荷和怠速方向拓展的燃燒控制方法。本發明是通過改變發動機燃燒室內廢氣率和溫度分層，在發動機缸內壓縮行程進行到壓縮上止點附近時，在缸內形成適宜著火的局部相對高溫低廢氣率區，以在發動機小負荷時實現汽油機可控自燃燃燒。本發明中所提及到的可控自燃燃燒是指當量空燃比下廢氣管理的HCCI燃燒，目前，尚無將當量空燃比下廢氣管理的HCCI燃燒汽油機向小負荷和怠速拓展的控制方法。本發明中所指的全可變氣門運動機構，包括可變氣門定時機構、可變氣門升程機構和可變氣門型線機構等，其中，可變氣門定時機構通過改變氣門打開和關閉的時刻；可變氣門型線機構通過改變氣門打開的持續期，可變氣門升程機構通過改變升程和持續期均可滿足本發明中要求的可變運動機構的形式。因此，本發明依靠的主要技術平臺是可變氣門運動機構，利用可變機構可以實現氣門相位和持續期的調節能力，引入進氣前回流過程而實現的。為了解決上述技術問題，本發明一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法予以實現的技術方案是當可控自燃燃燒發動機達到其常規負荷下限之後，為了進一步減小發動機的負荷，採取在增大發動機缸內殘餘廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，並保持進氣門關閉時刻位於發動機最大有效壓縮比位置士30° CA的範圍內。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明是一種用於拓展當量空燃比下廢氣管理的可控自燃燃燒汽油發動機運行範圍向小負荷和怠速工況拓展的燃燒控制方法。在全可變氣門運動機構技術平臺支持的基礎上，通過增大進氣門持續期的方法，在維持較大的有效壓縮比的同時，提前進氣門打開時刻，引入進氣前回流過程，改變進氣終了時的缸內廢氣和溫度的分布，形成相對高溫和低廢氣率區域，以保證可控自燃燃燒燃燒穩定可靠著火，從而在小負荷和怠速工況實現汽油機可控自燃燃燒。這一結果可以解決汽油機可控自燃燃燒在小負荷的實現問題，從而避免在燃燒條件不穩定的小負荷工況，引入複雜的燃燒模式切換過程，可促進可控自燃燃燒汽油機在實際中的應用。同時，在小負荷工況實現可控自燃燃燒可以相對汽油機傳統的SI燃燒節油14%以上。
圖1是本發明方法的可控自燃燃燒氣門型線組織形式示意圖2是現有技術中一種可控自燃燃燒的混合燃燒控制過程；圖3是本發明應用的氣門參數方案示意圖；圖4是本發明實現的可控自燃燃燒與傳統火花點火式燃燒的比較。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。本發明一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法是當可控自燃燃燒發動機達到其常規負荷下限之後，為了進一步減小發動機的負荷，採取在增大發動機缸內殘餘廢氣率的同時提前進氣門打開時刻(如圖1所示，將進氣門向進排氣上止點方向移動)， 並保持進氣門關閉時刻位於發動機最大有效壓縮比位置士30° CA的範圍內。為了說明本發明具體的實現過程，先對可控自燃燃燒的氣門參數組織形式作出說明。可控自燃燃燒採用的是內部廢氣再循環的方法，S卩利用上個循環留在缸內的廢氣的能量，來加熱新鮮充量，以達到在上止點附近著火燃燒的目的。內部殘餘廢氣在可控自燃燃燒燃燒中起到了一舉多得的作用，而可控自燃燃燒也因此受到了限制(在前面背景技術中已經充分闡述)。在可控自燃燃燒中，為了留住缸內殘餘廢氣，普遍使用的方法採用負氣門重疊角的氣門參數組織形式，即，採用小升程和小持續期的進排氣門型線，讓排氣門在上止點前就關閉，從而進氣門在上止點後才開啟，這樣就形成了進排氣門重疊負角，如圖1所示。在此過程中，為了減少泵氣損失以獲得較高的燃油經濟性，排氣門關閉時刻和進氣門打開時刻，相對於進排氣上止點是基本對稱的。本發明一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法的工作原理和過程是 由於本發明依靠的主要技術平臺是可變氣門運動機構，利用可變機構對氣門相位和持續期的調節能力，引入進氣前回流過程而實現的。為了實現本發明技術方案需要應用的前回流策略，通過對進排氣門參數組織方法進行修改，即，在維持排氣門關閉時刻不變的情況下， 向進排氣上止點方向提前進氣門打開時刻，先讓部分缸內殘餘廢氣回流到進氣管，與新鮮充量混合，然後再重新吸入會缸內，這樣在維持大致不變的溫度分層的情況下，缸內廢氣濃區中心會向著排氣門側移動。此時廢氣濃區和溫度濃區在缸內的分布會產生空間的背離。 這樣在缸內就形成了易於自燃發生的低廢氣率和高溫區，利用這一分布特徵可以在小負荷和熱機怠速工況實現汽油機可控自燃燃燒。由於當量空燃比下的廢氣稀釋型汽油機可控自燃燃燒，隨著負荷的減小，缸內殘餘廢氣率會逐漸升高，越高的殘餘廢氣率越不利於可控自燃燃燒自燃著火的實現。因此，隨著負荷的減小，需要在減小排氣門升程或提前排氣門的相位以增大缸內殘餘廢氣率的同時，提前進氣門打開時刻，這樣就可以在維持較大的有效壓縮比的同時，增大前回流量來維持穩定可控自燃燃燒自燃著火的穩定。其主要應用的氣門參數方案如下圖3所示。應用本發明方案可以在熱機情況下，將可控壓燃燃燒方式拓展到怠速等小負荷工況。拓展小負荷過程中，隨著負荷的減小，應相應地提前進氣門打開的時間，以引入更強烈的前回流過程，來維持可控自燃燃燒的穩定。在確定的負荷，當發動機循環變動小於8%時，即可停止提前進氣門打開時刻，否則會引起不必要的經濟性損失。實驗例該實驗例是在一臺裝有4VVAS系統的Ricardo Hydra 140型單缸實驗汽油發動機上進行，該發動機缸徑和行程都是86mm，壓縮比為10. 67，實驗採用當量空燃比，進氣道噴
5射，冷卻水溫度控制在80°C，機油溫度控制在55°C。實驗結果表明，汽油機可控自燃燃燒在小負荷工況得以實現，並比傳統SI燃燒節省大量的燃油消耗。最重要的是通過本發明在小負荷實現了可控自燃放熱之後，在實際應用時，就無需在中小負荷進行燃燒模式的轉換。而對於常用的城市道路工況而言，發動機會經常工作在中小負荷工況。使用本策略後，可以去除頻繁的燃燒模式轉換，簡化發動機控制策略，並且同時達到節油減排的效果，如圖4所應用實施將本發明技術方案在Ricardo Hydra 140型汽油發動機上進行應用時，推薦在轉速為1500r/min，平均指示壓力為0. 085ΜΙ^時，可將進氣門關閉固定在下止點後20° CA，進氣門打開時刻確定為上止點後50° CA，排氣門關閉時刻可確定為上止點前100° CA，燃油經濟性的改善可達17%，如圖4所示。對於任何一款可以實現進排氣門升程和相位調節的汽油發動機，使用本發明方法均可以成功地將可控自燃燃燒汽油機的運行範圍拓展到小負荷工況，從而簡化控制策略， 並進一步改善發動機性能。儘管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法，其特徵在於當可控自燃燃燒發動機達到其常規負荷下限之後，為了進一步減小發動機的負荷，採取在增大發動機缸內殘餘廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，並保持進氣門關閉時刻位於發動機最大有效壓縮比位置士30° CA的範圍內。
2.根據權利要求1所述的一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法，其特徵在於當發動機循環變動小於8%時，停止提前進氣門打開時刻。
全文摘要
本發明公開了一種實現汽油機怠速和小負荷可控自燃燃燒的方法，當可控自燃燃燒發動機達到其常規負荷下限之後，為了進一步減小發動機的負荷，採取在增大發動機缸內殘餘廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，並保持進氣門關閉時刻位於發動機最大有效壓縮比位置±30°CA的範圍內。本發明是在全可變氣門運動機構的基礎上開發的一種用於將拓展可控自燃燃燒汽油機運行範圍向小負荷和怠速方向拓展的燃燒控制策略。本發明可以解決汽油機可控自燃燃燒在小負荷的實現問題，從而避免在燃燒條件惡劣且不穩定的小負荷工況，引入複雜的燃燒模式切換過程，可促進可控自燃燃燒汽油機在實際中的應用。同時，在小負荷工況實現可控自燃燃燒可以相對汽油機傳統的SI燃燒節油17％以上。
文檔編號F02D13/02GK102312732SQ20111026057
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月5日 優先權日2011年9月5日
發明者李樂, 謝輝, 陳韜 申請人:天津大學