專利名稱：一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車發(fā)動機燃燒控制方法，尤其屬于一種用于拓展當(dāng)量空燃比下廢氣管理的可控自燃燃燒汽油發(fā)動機運行范圍向小負(fù)荷和怠速工況拓展的燃燒控制策略。
背景技術(shù)：
汽油機可控自燃燃燒技術(shù)是新一代發(fā)動機燃燒理念的代表，是為了解決未來 10 20年更嚴(yán)苛法規(guī)要求而開發(fā)新型燃燒技術(shù)，相對傳統(tǒng)節(jié)氣門控制的SI燃燒具有10% 到30%的節(jié)油潛力。但是目前可控自燃燃燒技術(shù)還存在一些問題需要攻克，其一就是其運行范圍向小負(fù)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(fā)動機缸內(nèi)存在大量的殘余廢氣。殘余廢氣在可控自燃燃燒中起到了三個作用。一是填充缸內(nèi)容積。 可控自燃燃燒中通過調(diào)整缸內(nèi)的殘余廢氣率來控制新鮮充量的數(shù)量，進而控制發(fā)動機的負(fù)荷。因此，越小的負(fù)荷，缸內(nèi)殘余廢氣越大。二是用作缸內(nèi)放熱過程的稀釋劑。由于汽油機均質(zhì)特性，一旦發(fā)生壓燃，缸內(nèi)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(xiàn)象。相應(yīng)地，稀釋工質(zhì)越多，對燃燒放熱的抑制作用越強，對產(chǎn)生自燃著火越是不利。而小負(fù)荷時，稀釋工質(zhì)最多，稀釋作用最為強烈。三是上循環(huán)經(jīng)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余廢氣的能量加熱新鮮空氣，以使缸內(nèi)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(nèi)負(fù)荷的減少和稀釋工質(zhì)比例的增加而減小的。當(dāng)發(fā)動機工作在小負(fù)荷區(qū)域時，廢氣溫度處于低的水平，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(guān)鍵性作用，但是由于不同作用間相互耦合的關(guān)系，使得可控自燃燃燒在發(fā)動機的小負(fù)荷和怠速工況非常難以實現(xiàn)。因此，汽油機可控自燃燃燒在小負(fù)荷和怠速工況的實現(xiàn)目前還是世界范圍內(nèi)該研究領(lǐng)域的難題之一，不存在公知公用的方法和技術(shù)。目前針對汽油機新一代燃燒技術(shù)向小負(fù)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(shù)結(jié)合發(fā)動機點火控制技術(shù)，采用多次噴油加多次點火的方法，在怠速和小負(fù)荷工況實現(xiàn)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(tài)，在重壓峰的位置利用殘氧和相對高溫，進行一次預(yù)反應(yīng)，提供活性物質(zhì)給其后的主放熱過程，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(qū)，利用火花跳火的能量觸發(fā)火焰?zhèn)鞑ミ^程，利用火焰?zhèn)鞑メ尫诺臒崃亢蛪毫?，壓縮并加熱周圍的混合氣至自燃的狀態(tài)，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(tǒng)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。該方法并不適用于當(dāng)量空燃比下的廢氣管理的汽油機可控自燃燃燒方式。而當(dāng)量空燃比下的廢氣管理汽油機可控自燃燃燒方式，是目前最有可能用于實踐的汽油機可控自燃燃燒實現(xiàn)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(fù)荷拓展的方案。OKP策略的汽油機壓燃燃燒方式，在缸內(nèi)并不存留廢氣，因此，小負(fù)荷拓展時只需要考慮缸內(nèi)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(fā)動機的壓縮比同時采用了進氣加熱。這樣就可以盡可能地增大缸內(nèi)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(fù)荷拓展有利但是不利于大負(fù)荷時的燃燒控制，同時在實際應(yīng)用中也很難采用外加熱源的方法。當(dāng)然最重要的是該方法也無法解決當(dāng)量空燃比下廢氣管理汽油機可控自燃燃燒向小負(fù)荷拓展的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法。本發(fā)明是在全可變氣門運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的一種用于將拓展可控自燃燃燒汽油機運行范圍向小負(fù)荷和怠速方向拓展的燃燒控制方法。本發(fā)明是通過改變發(fā)動機燃燒室內(nèi)廢氣率和溫度分層，在發(fā)動機缸內(nèi)壓縮行程進行到壓縮上止點附近時，在缸內(nèi)形成適宜著火的局部相對高溫低廢氣率區(qū)，以在發(fā)動機小負(fù)荷時實現(xiàn)汽油機可控自燃燃燒。本發(fā)明中所提及到的可控自燃燃燒是指當(dāng)量空燃比下廢氣管理的HCCI燃燒，目前，尚無將當(dāng)量空燃比下廢氣管理的HCCI燃燒汽油機向小負(fù)荷和怠速拓展的控制方法。本發(fā)明中所指的全可變氣門運動機構(gòu)，包括可變氣門定時機構(gòu)、可變氣門升程機構(gòu)和可變氣門型線機構(gòu)等，其中，可變氣門定時機構(gòu)通過改變氣門打開和關(guān)閉的時刻；可變氣門型線機構(gòu)通過改變氣門打開的持續(xù)期，可變氣門升程機構(gòu)通過改變升程和持續(xù)期均可滿足本發(fā)明中要求的可變運動機構(gòu)的形式。因此，本發(fā)明依靠的主要技術(shù)平臺是可變氣門運動機構(gòu)，利用可變機構(gòu)可以實現(xiàn)氣門相位和持續(xù)期的調(diào)節(jié)能力，引入進氣前回流過程而實現(xiàn)的。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是當(dāng)可控自燃燃燒發(fā)動機達到其常規(guī)負(fù)荷下限之后，為了進一步減小發(fā)動機的負(fù)荷，采取在增大發(fā)動機缸內(nèi)殘余廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，并保持進氣門關(guān)閉時刻位于發(fā)動機最大有效壓縮比位置士30° CA的范圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明是一種用于拓展當(dāng)量空燃比下廢氣管理的可控自燃燃燒汽油發(fā)動機運行范圍向小負(fù)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(gòu)技術(shù)平臺支持的基礎(chǔ)上，通過增大進氣門持續(xù)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(nèi)廢氣和溫度的分布，形成相對高溫和低廢氣率區(qū)域，以保證可控自燃燃燒燃燒穩(wěn)定可靠著火，從而在小負(fù)荷和怠速工況實現(xiàn)汽油機可控自燃燃燒。這一結(jié)果可以解決汽油機可控自燃燃燒在小負(fù)荷的實現(xiàn)問題，從而避免在燃燒條件不穩(wěn)定的小負(fù)荷工況，引入復(fù)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(yīng)用。同時，在小負(fù)荷工況實現(xiàn)可控自燃燃燒可以相對汽油機傳統(tǒng)的SI燃燒節(jié)油14%以上。


圖1是本發(fā)明方法的可控自燃燃燒氣門型線組織形式示意圖2是現(xiàn)有技術(shù)中一種可控自燃燃燒的混合燃燒控制過程；圖3是本發(fā)明應(yīng)用的氣門參數(shù)方案示意圖；圖4是本發(fā)明實現(xiàn)的可控自燃燃燒與傳統(tǒng)火花點火式燃燒的比較。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)地描述。本發(fā)明一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法是當(dāng)可控自燃燃燒發(fā)動機達到其常規(guī)負(fù)荷下限之后，為了進一步減小發(fā)動機的負(fù)荷，采取在增大發(fā)動機缸內(nèi)殘余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)， 并保持進氣門關(guān)閉時刻位于發(fā)動機最大有效壓縮比位置士30° CA的范圍內(nèi)。為了說明本發(fā)明具體的實現(xiàn)過程，先對可控自燃燃燒的氣門參數(shù)組織形式作出說明。可控自燃燃燒采用的是內(nèi)部廢氣再循環(huán)的方法，S卩利用上個循環(huán)留在缸內(nèi)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(nèi)部殘余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(shù)中已經(jīng)充分闡述)。在可控自燃燃燒中，為了留住缸內(nèi)殘余廢氣，普遍使用的方法采用負(fù)氣門重疊角的氣門參數(shù)組織形式，即，采用小升程和小持續(xù)期的進排氣門型線，讓排氣門在上止點前就關(guān)閉，從而進氣門在上止點后才開啟，這樣就形成了進排氣門重疊負(fù)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(jīng)濟性，排氣門關(guān)閉時刻和進氣門打開時刻，相對于進排氣上止點是基本對稱的。本發(fā)明一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法的工作原理和過程是 由于本發(fā)明依靠的主要技術(shù)平臺是可變氣門運動機構(gòu)，利用可變機構(gòu)對氣門相位和持續(xù)期的調(diào)節(jié)能力，引入進氣前回流過程而實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)方案需要應(yīng)用的前回流策略，通過對進排氣門參數(shù)組織方法進行修改，即，在維持排氣門關(guān)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(nèi)殘余廢氣回流到進氣管，與新鮮充量混合，然后再重新吸入會缸內(nèi)，這樣在維持大致不變的溫度分層的情況下，缸內(nèi)廢氣濃區(qū)中心會向著排氣門側(cè)移動。此時廢氣濃區(qū)和溫度濃區(qū)在缸內(nèi)的分布會產(chǎn)生空間的背離。 這樣在缸內(nèi)就形成了易于自燃發(fā)生的低廢氣率和高溫區(qū)，利用這一分布特征可以在小負(fù)荷和熱機怠速工況實現(xiàn)汽油機可控自燃燃燒。由于當(dāng)量空燃比下的廢氣稀釋型汽油機可控自燃燃燒，隨著負(fù)荷的減小，缸內(nèi)殘余廢氣率會逐漸升高，越高的殘余廢氣率越不利于可控自燃燃燒自燃著火的實現(xiàn)。因此，隨著負(fù)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(nèi)殘余廢氣率的同時，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(wěn)定可控自燃燃燒自燃著火的穩(wěn)定。其主要應(yīng)用的氣門參數(shù)方案如下圖3所示。應(yīng)用本發(fā)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(fù)荷工況。拓展小負(fù)荷過程中，隨著負(fù)荷的減小，應(yīng)相應(yīng)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(wěn)定。在確定的負(fù)荷，當(dāng)發(fā)動機循環(huán)變動小于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(jīng)濟性損失。實驗例該實驗例是在一臺裝有4VVAS系統(tǒng)的Ricardo Hydra 140型單缸實驗汽油發(fā)動機上進行，該發(fā)動機缸徑和行程都是86mm，壓縮比為10. 67，實驗采用當(dāng)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(jié)果表明，汽油機可控自燃燃燒在小負(fù)荷工況得以實現(xiàn)，并比傳統(tǒng)SI燃燒節(jié)省大量的燃油消耗。最重要的是通過本發(fā)明在小負(fù)荷實現(xiàn)了可控自燃放熱之后，在實際應(yīng)用時，就無需在中小負(fù)荷進行燃燒模式的轉(zhuǎn)換。而對于常用的城市道路工況而言，發(fā)動機會經(jīng)常工作在中小負(fù)荷工況。使用本策略后，可以去除頻繁的燃燒模式轉(zhuǎn)換，簡化發(fā)動機控制策略，并且同時達到節(jié)油減排的效果，如圖4所應(yīng)用實施將本發(fā)明技術(shù)方案在Ricardo Hydra 140型汽油發(fā)動機上進行應(yīng)用時，推薦在轉(zhuǎn)速為1500r/min，平均指示壓力為0. 085ΜΙ^時，可將進氣門關(guān)閉固定在下止點后20° CA，進氣門打開時刻確定為上止點后50° CA，排氣門關(guān)閉時刻可確定為上止點前100° CA，燃油經(jīng)濟性的改善可達17%，如圖4所示。對于任何一款可以實現(xiàn)進排氣門升程和相位調(diào)節(jié)的汽油發(fā)動機，使用本發(fā)明方法均可以成功地將可控自燃燃燒汽油機的運行范圍拓展到小負(fù)荷工況，從而簡化控制策略， 并進一步改善發(fā)動機性能。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于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(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法，其特征在于當(dāng)可控自燃燃燒發(fā)動機達到其常規(guī)負(fù)荷下限之后，為了進一步減小發(fā)動機的負(fù)荷，采取在增大發(fā)動機缸內(nèi)殘余廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，并保持進氣門關(guān)閉時刻位于發(fā)動機最大有效壓縮比位置士30° CA的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法，其特征在于當(dāng)發(fā)動機循環(huán)變動小于8%時，停止提前進氣門打開時刻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)汽油機怠速和小負(fù)荷可控自燃燃燒的方法，當(dāng)可控自燃燃燒發(fā)動機達到其常規(guī)負(fù)荷下限之后，為了進一步減小發(fā)動機的負(fù)荷，采取在增大發(fā)動機缸內(nèi)殘余廢氣率的同時提前進氣門打開時刻，并保持進氣門關(guān)閉時刻位于發(fā)動機最大有效壓縮比位置±30°CA的范圍內(nèi)。本發(fā)明是在全可變氣門運動機構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種用于將拓展可控自燃燃燒汽油機運行范圍向小負(fù)荷和怠速方向拓展的燃燒控制策略。本發(fā)明可以解決汽油機可控自燃燃燒在小負(fù)荷的實現(xiàn)問題，從而避免在燃燒條件惡劣且不穩(wěn)定的小負(fù)荷工況，引入復(fù)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(yīng)用。同時，在小負(fù)荷工況實現(xiàn)可控自燃燃燒可以相對汽油機傳統(tǒng)的SI燃燒節(jié)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(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者李樂, 謝輝, 陳韜 申請人:天津大學(xué)