（动力机械及工程专业论文）可控自燃汽油机燃烧过程及其控制的研究.pdf

中文摘要 可控自燃( c o n t r o l l e da u t oi g n i t i o n ，c a i ) 汽油机因具有低氮氧化物排放和 高热效率的特点而受到内燃机界的广泛关注，但c a i 汽油机面临着火时刻控制 和负荷扩展的难题。本文通过试验和模拟计算深入研究了汽油机c a i 燃烧过程， 分析了影响汽油机c a i 燃烧的因素及其作用机理，通过敏感性分析探询这些影 响因素的主要控制手段及关键控制参数，进而通过协同各控制参数改变燃烧的初 始条件和边界条件以达到汽油机c a i 燃烧控制的目的。 在r i c a r d o 单缸试验机上利用两对小升程进、排气凸轮轴，通过废气捕捉的 方法实现了稳定的汽油机c a i 燃烧。试验结果发现，残余废气率和空燃比是影 响汽油机c a i 燃烧过程的关键因素。其中，残余废气不仅提供了c a i 燃烧所必 需的热能，还起到了控制着火时刻、负荷大小和放热速度的作用。 基于以上试验结果，本文提出了一个双阶段放热率公式来描述汽油机c a i 燃烧过程，并结合一维发动机数值模拟方法，研究各控制参数对残余废气率和 c a i 燃烧过程的控制作用。计算结果表明，空燃比对着火时刻的影响最为明显， 尤其是在混合气过稀时。而排气门定时决定了缸内混合气中残余废气和新鲜空气 的比例，是控制c a i 汽油机着火时刻和负荷的重要手段。 为研究气门运动特性对汽油机c a i 燃烧过程的控制作用，在s i m u l i n k 环境 中建立了带有进排气门升程及定时都可控的四变量气门执行机构( 4 - v a r i a b l e v a l v ea c t u a t i n gs y s t e m ，4 v v a s ) 的汽油机仿真试验平台，对其性能和气门参数控 制特点进行了预测和分析，并在4 v v a s - c a i 发动机试验台架上进行了试验研究。 仿真和试验结果都表明，可变气门机构能够有效地控制汽油机c a i 燃烧过程。 其中，排气门定时及升程能够控制缸内残余废气率，从而控制了混合气特性和压 缩初始温度，进气门定时和升程能够调节发动机的有效压缩比和进气回流，以改 变压缩过程中混合气的温度历程。不同气门升程下的发动机运行负荷范围不同， 4 w a s 系统通过使用不同升程的气门型线能够拓展低转速小负荷和高转速大负 荷的运行范围。气门升程和定时的灵活可控使得4 v v a s c a i 汽油机可采用不同 的气门定时和升程组合方式获得相同的运行工况点，方便了各工况点的优化。此 外，4 w a s 机构能够实现c a i 汽油机的负荷过渡，其中，同时调整气门定时和 升程能够加快负荷过渡过程。 关键词：可控自燃汽油机残余废气着火时刻负荷可控气门执行机构 a b s t r a c t c a i ( c o n t r o l l e da u t oi g n i t i o n ) g a s o l i n ee n g i n e sh a v eb e e nr e c e i v e dal o to f a r e n t i o nf r o mt h ew o r l d - w i d ea u t o m o t i v ef i e l dd u et ot h e i ru l t r a - l o wn o xe m i s s i o n s a n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y h o w e v e r , t h c ya r cc o n f r o n t e dw i t ht h ep r o b l e m si n i g n i t i o nt i m i n gc o n t r o la n do p e r a t i o nr a n g ee x t e n s i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o m b u s t i o n p r o c e s so fac a ig a s o l i n ee n g i n ew a si n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n f o l l o w i n gt h es t u d i e so ft h ec o m b u s t i o n r e l a t e df a c t o r s , s a n s i t i v i t ya n a l y s i sw a s c a r r i e do u tt oo b t a i nc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o d sa n dt h ek e yc o n t r o lp a r a m e t e r s a b o u tt h e s ef a c t o r s w i t hc o m b i n a t i o n so f t h e s ec o n t r o lp a r a m e t e r s v a r i o u si n i t i a la n d b o u n d a r yc o n d i t i o n sc o u l db eo b t a i n e dt oc o n t r o lt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fc a i g a s o l i n ee n g i n e s s t a b l ec a ic o m b u s t i o nw a sa c h i e v e do nam o d i f i e d r i c a r d os i n g l e c y l i n d e r e x p e r i m e n t a le n g i n eb yu s i n gt w op a i r so fc a m s h a r sw i t hr e d u c e dv a l v el i f t st ot r a p r e s i d u a lg a sd u d n ge x h a u s ts t r o k e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc a ic o m b u s t i o ni s n o t a b l yi n f l u e n c e db yr e s i d u a lg a sf r a c t i o na n da f t - f u e lr a t i o t h er e s i d u a lg a sn o to n l y p r o v i d e sn e c e s s a r yh e a te n e r g yf o rt h em i x t u r e ，b u ta l s oi n f l u e n c e st h ei g n i t i o nt i m i n g ， h e a tr e l e a s er a t ea n di o a d ap i e c e w i s eh e a tr e l e a s ec o r r e l a t i o nw a sd e v e l o p e dt oc h a r a c t e r i z et l l e c o m b u s t i o np r o c e s so f t h ec a i g a s o l i n ee n g i n e sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n d ao n e - d i m e n s i o n a le n g i n es i m u l a t i o np r o g r a mw a si m p l e m e n t e dt os t u d yt h ee f f e c t so f t h ec o n t r o lp a r a m e t e r so nr e s i d u a lg a sf r a c t i o na n dc o m b u s t i o np r o c e s s i ti sf o u n d t h a ta i r - f u e lr a t i oa f f e c t st h ei g n i t i o nt i m i n gr e m a r k a b l y , e s p e c i a l l yw h e nt h em i x t u r e i su l t r a - l e a n e x h a u s tv a l v et i m i n g sv a r yt h ef r a c t i o no f i n - c y l i n d e rr e s i d u a l sa n df r e s h c h a r g e , a n dt h e r e f o r ec a l lb eu t i l i z e da so n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st oc o n t r o l i g n i t i o nt i m i n g sa n de n g i n el o a d s i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fv a l v ee v e n t so nt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fc a i g a s o l i n ee n g i n e s ，ag a s o l i n ee n g i n es i m u l a t i o np a n e lw i t h4 - v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i n g s y s t e m ( 4 v v a w a se s t a b l i s h e db a s e do nm a t l a b - s i m u l i n k t h ep e r f o r m a n c e sa n d v a l v ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e4 v v a s - c a ie n g i n ew e r ep r e d i c t e d a n d e x p e r i m e n t sw e r ea l s oc a r r i e do na4 w a s c a it e s t - b e d b o t hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a r i a b l ev a l v es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e c a ic o m b u s t i o np r o c e s s o nt h eo n eh a n d ，v a r i a t i o n si ne x h a u s tv a l v el i f ta n dt i m i n g c a na l t e rt h ei n - c y l i n d e rr e s i d u a lg a sf r a c t i o na n dc o n s e q u e n t l yd e t e r m i n et h em i x t u r e c h m a c t e r i s f i c sa n dt h ei n i t i a lt e m p e r a t u r e sa ti n t a k ev a l v ec l o s u r e t i m i n g o nt h eo t h e r h a n d ，i n t a k ev a l v ee v e n t sc a na l t e rt h ee f f e c t i v ec o m p r e s s i o nr a t i oa n dt h ei n t a k eb a c k f l o w t h e r e f o r et h et o m p e r a m r eh i s t o r yd u r i n gt h ec o m p r e s s i o ns t r o k ei sc o n t r o l l e d s i n c ee n g i n el o a dr a n g ev a r i e sw i t hd i f f e r e n tv a l v el i f t s ，4 v v a sc a nb eu t i l i z e dt o e x t e n dt h eo p e r a t i n gr a n g ei nt h el o w - s p e e d l o w - l o a da n dt h eh i g h - s p e e d - h i g h l o a d r e g i o n st h r o u g he m p l o y i n gv a r i o u sv a l v el i f tc u r v e s c o m b i n i n gw i t hd i f f e r e n tv a l v e l i f t sa n dt i m i n g s ，t h e4 w a s - c a ig a s o l i n ee n g i n ei sa b l et oo b t a i nt h es a m eo p e r a t i n g l o a d s ，w h i c hf a c i l i t a t e st h eo p t i m i z a t i o na tt h es a m eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s b e s i d e s ， 4 w a sf a c i l i t a t e sl o a dt r a n s i t i o nt h r o u g hs i m u l t a n e o u sa d j u s t m e n t so fv a l v el i f t sa n d t i m i n g s k e y w o r d s ：c a lg a s o l i n ee n g i n e ，r e s i d u a lg a s ，i g n i t i o nt i m i n g , l o a d ，4 w a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 黍蟹 签字日期：如年月凸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 文作一：森爹 导一：芬牵 签字日期： 如多年易月器日签字日期：少。( 年6 月fo 日 第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，能源和环境这两大问题越来越受到人们的重视。 创建节约型社会，实现能源的可持续发展已经成为我国经济发展的指导思想。 国际能源机构的统计数据表明，2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域， 预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。作为原油净进口国，我 国的能源问题就更加严峻。据国务院发展研究中心估计，到2 0 1 0 年我国石油消 耗的6 1 要依赖进口，而汽车的石油消耗将占国内石油总需求的4 3 t 1 1 。近年来， 我国汽车业迅猛发展，随着汽车保有量的增加，内燃机所消费石油量也将迅速增 加。然而，我国内燃机的燃料利用率与国外先进水平的发动机相比较低，排放较 差。因此，提高内燃机燃料利用率，降低其有害排放物对于节约能源，保护生态 环境都具有重要的意义，成为目前内燃机行业重点研究的问题。 传统内燃机分为火花点火发动机与压燃式发动机两种。其中，柴油机属于 燃料喷雾扩散燃烧，在发动机活塞运行至上止点附近压燃缸内的混合气。u y e h a r a o 于1 9 9 2 年就指出，传统柴油机使用不均匀混合气必然产生高的n 仉排放，这 主要是由于燃油与空气混合时间短，燃料混合不均匀，形成了局部高温火焰区和 高温过浓区【2 j 。柴油机的燃烧主要是扩散燃烧，火焰前锋面是过量空气系数约为 1 的扩散火焰，局部火焰温度高达2 7 0 0 k ，极易生成n o x ，而在高温过浓区，由 于缺氧生产大量碳烟。柴油机燃烧过程这个固有性质，决定了它必然存在一个 n o x 最低的排放限值，为了逾越n 0 x 极限，必须改变柴油机混合气不均匀性和 扩散燃烧的方式。 过去作为降低燃烧温度的手段是采用抑制初期预混合燃烧，借助废气再循 环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，e g r ) 降低氧气浓度和推迟喷油来降低n o x 排放， 然而这些降低n o x 的手段又使柴油机的烟度和燃油耗恶化，这种烟度恶化是扩 散燃烧不可避免的。因此，对于柴油机来说，未来研究的关键是如何在保持柴油 机高的燃料利用率的基础上同时降低n o x 和碳烟排放。 传统汽油机属于预混合均质燃烧，借助火花塞点燃。众所周知，汽油机通 过调节节气门开度大小，控制进入气缸的混合气量，从而改变发动机负荷大小以 满足用户对动力的要求。但是在部分负荷时，由于节气门开度小，节气门后面进 第一章绪论 气管内的压力远远低于大气压，泵吸损失增加，造成汽油机燃油经济性差。而汽 油机大部分时间都运行在部分负荷工况，这就使得汽油机的燃料利用率较低。此 外，为避免爆震，汽油机的压缩比不能太高，因此其热效率和经济性比柴油机差。 为改善汽油机燃油经济性，人们进行了汽油机稀燃和分层燃烧的研究。汽油 直喷发动机在部分负荷时利用分层稀薄燃烧技术，在火花塞附近形成当量空燃比 混合气，而在燃烧室其它地方采用较稀的混合气，这样整个燃烧室内的混合气空 燃比可达到2 5 4 0 ：l ，混合气燃烧充分。而且稀混合气的绝热指数较高，从而 提高了燃烧热效率，发动机的经济性得到改善。对于欧洲市场而言，分层直喷技 术也是使用最多的方案，但分层燃烧又带来了与柴油机类似的微粒和n q 排放 的增加，特别是稀燃条件下，排气中含氧很多，现有成熟的三元催化后处理技术 难以解决n o x 排放问题，排放达不到传统电控汽油机的技术水平。另外，虽然 在欧洲循环工况测试( n e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e , n e d c ) 中，稀燃分层直喷 技术比常规火花点火( s i ) 发动机省油近1 2 ，但在实际使用中只有很少的省 油量1 3 。这些都限制了其广泛应用。除了节气门之外，能够使汽油机实现量调节 的另一个途径就是气门本身。利用气门定时或升程控制缸内压缩始点混合气量， 这样在同样负荷下就能够增大节气门的开度( 甚至节气门全开) ，减少泵吸损失， 从而达到汽油机节能的目的。但因其系统复杂、机构精密，目前国内还没有具有 自主知识产权的车用发动机可变气门机构。 由以上分析可知，制各均匀混合气，减少缸内混合气的温度和浓度分层是降 低柴油机排放的关键，而减少泵气损失、改进燃烧过程，使之接近奥托循环可以 提高汽油机的燃料利用率和指示热效率。因此突破传统内燃机燃烧方式所决定的 排放限制和燃料利用率极限，就必须发展以均质、压燃、低温火焰燃烧为特征的 新的内燃机燃烧理论。均质压燃着 火 ( h o m o g e n e o u sc h a r g e c o m p r e s s i o ni g n i t i o n ，h c c i ， c o n t r o l l e da u t o i g n i t i o n ，c a d 燃 烧模式是在压缩过程形成均质的混 合气，当压缩到上止点附近时均质 混合气自燃着火。均质压燃燃烧发 动机成为继火花点火发动机和压燃 燃烧发动机之后的第三种发动机燃 图i - i 均质压燃燃烧概念发动机 烧方式，它具有柴油机压燃和汽油 机均质混合气的特点，如图1 1 所示。为加以区分，本文中特将汽油机均质压燃 燃烧称为汽油机可控自燃c a i ，而将柴油机均质压燃燃烧称为h c c i 。 第一章绪论 这一新型燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面显示出的巨大潜力，在上个 世纪9 0 年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，国内外著名研究机构及高 校都在积极开展新一代内燃机燃烧控制理论和控制技术的研究。美国能源部2 0 0 1 年提交国会的报告指出，h c c i 是内燃机燃烧技术的一个重大进步，它将代替目 前的车用压燃式和点燃式发动机，预计在2 0 1 0 年h c c i 发动机将在轻型客车上 得到应用，到2 0 1 5 年使用h c c l 发动机每年可以节省原油5 0 万桶1 4 】。因而开展 这一领域的研究具有重要的理论意义和现实意义。 1 2c 棚c c i 发动机燃烧特点及其面临的挑战 均质压缩燃烧方式结合了压燃式发动机和点燃式发动机的优点。与传统的点 燃式发动机相比，它取消了节气门，泵吸损失小，混合气多点同时着火，燃烧持 续期短，可以得到与压燃式发动机相当的高热效率；与传统柴油机相比，由于是 均质混合气，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，n q 排放很低，几乎没有微粒排放。h c c i 发动机对燃油喷射系统的要求较低，可以 使用喷射压力较低的燃油喷射系统，降低燃油喷射系统的成本。 h c c i 发动机既可以燃用传统的汽油和柴油，也可以燃用其它代用燃料，不 仅可以应用到从小型的摩托车发动机到大型的船舶用发动机，也可以应用到交通 运输领域以外的发动机，如发电、工程机械和管道泵站中。 研究表明h c c i 燃烧受到化学反应动力学的控制卜日。因此，h c c i 发动机主 要是通过控制缸内混合气的温度、压力和成分间接控制着火时刻和燃烧过程。这 显然比传统汽油机通过点火时刻和柴油机通过喷油时刻控制着火时刻困难得多， 所以尽管h c c i 最初的构思提出了近二十年，但一直没有得到深入的研究。近年 来，随着发动机电控技术的发展，这一燃烧技术才逐步得以广泛的研究，并引起 了全世界内燃机学术界和工业界的高度关注。然而，要使h c c i 在内燃机中得到 更广泛的应用，还有许多理论问题和工程问题需要解决i 】，这些问题概括起来 主要有以下几个方面。 一、在宽广的发动机运行工况范围内着火时刻的控制 h c c i 发动机的着火时刻主要由混合气的成分、温度和压力的变化历程决定， 着火时刻及燃烧过程只能通过间接控制，所以着火时刻的控制是h c c i 发动机面 临的最大挑战。一方面，发动机输出功率的改变要求其燃料量，即混合气浓度的 改变，这就需要相应改变温度变化历程以保证合适的着火时刻；另一方面，发动 机转速的改变将使混合气发生自燃的化学反应累计时间发生变化，着火相位角将 发生变化，这需要通过改变混合气的温度变化历程来补偿。在快速变化的瞬变工 第一章绪论 况，这些控制问题变得更加困难。 二、h c c i 发动机运行范围的扩展 由于h c c i 燃烧是均匀混合气压燃着火，燃烧几乎是同步进行，发动机在大 负荷工况时过快的燃烧反应速度会引起爆震燃烧，其结果是造成过大的燃烧压升 率，引起发动机的机械负荷和热负荷过大，甚至造成发动机损坏，同时会引起发 动机高噪声和高的n o x 排放，所以h c c i 发动机存在向大负荷扩展难的问题。另 一方面，对于高辛烷值燃料，低负荷、低转速工况下，因燃烧反应速度过慢引起 火焰温度过低，难以形成稳定的着火条件，导致燃烧不充分，形成大量的未完全 燃烧产物，燃料的利用率严重恶化，有害排放物增加，怠速工况下容易出现“失 火”。因而h c c i 发动机存在着难以向大负荷和小负荷工况扩展运行工况范围的 问题。 迄今为止，要在全工况范围内实现h c c i 是困难的，比较实用的方法是在 h c c i 燃烧难以实现的工况仍采用传统的点燃式或压燃式，而在其它运行工况范 围内使用h c c i 燃烧，即双模式工况运行方式，并根据实际运行需要，对发动机 运行模式进行切换。这样，发动机整机性能仍能满足汽车驾驶性能的要求。但发 动机的双模式工作，会增加发动机控制系统的复杂性。 三、h c c i 发动机冷起动困难 在冷起动工况，h c c i 发动机混合气在压缩过程中的温度较低，而且由于燃 烧室壁面较冷，传热会使压缩过程中混合气温度进一步降低。对于完全由化学动 力学决定的燃烧过程来说，温度是最敏感的参数，温度过低将会导致发动机失火， 使冷起动困难。 四、h c 和c o 排放问题 h c c i 发动机n o x 和微粒排放极低，但h c 和c o 排放相对较高，尤其是低 负荷时，缸内温度低，c o 难以被完全氧化成c c h 。虽然h c 和c o 催化技术比 较成熟，在汽车工业中己使用了几十年，然而，由于h c c i 发动机的排气温度较 低，延长催化氧化反应器反应的时间并降低了氧化效率。为了满足h c c l 发动机 h c 和c o 的排放要求，需要开发低温条件下的高效催化氧化反应器。 针对以上均质压燃燃烧的关键难题，近些年来，各国研究人员进行了大量的 研究。就柴油机h c c i 燃烧而言，除了h c c i 燃烧中基本的燃烧速率和大负荷扩 展的问题外，关键是均匀混合气的制各。因此合理控制喷油时刻和喷油量，组织 缸内燃油雾化过程以制备均匀混合气成为实现h c c i 燃烧的关键，如日本n i s s a n 公司的m k ( m o d u l a t e dk i n e t i c s ) 燃烧方式【”o j ，是柴油机h c c i 燃烧比较成功 的范例。它通过把排出的废气再次引入燃烧室内，提高惰性物质的浓度，减少氧 浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞燃期延长，从而使喷入燃烧室的 第一章绪论 燃料获得了更多的混合时间，同时设法提高混合速率，采用高的涡流比，使i v l k 发动机在中低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标，但仍然没有解 决大负荷难以实现的难题。天津大学苏万华教授 1 1 “1 3 提出的多脉冲复合喷射和 b u m p 燃烧系统通过在压缩冲程早期开始多脉冲喷射，控制预混合气的形成过程 和温度、浓度分层，从而能够控制预混合燃烧过程的自燃着火速率、燃烧相位和 放热率。 1 3 汽油机c a i 燃烧及其控制的研究进展 汽油高辛烷值燃料具有易挥发难以压燃的特性，容易形成均匀混合气，但 低压缩比很难实现混合气压缩着火，必须通过一定的热源加热才能达到混合气的 自燃温度。另外，一旦缸内的均匀混合气自燃，必须能够控制随之而来的快速放 热过程，一般需要利用废气进行稀释。 如前面所述，改善汽油机油耗主要是通过两方面来实现的。一方面是改善燃 烧过程，提高燃烧热效率；另一方面是减少泵吸损失。汽油机c a i 燃烧通过使 用经废气稀释的当量比为l 的均质混合气实现了近似等容的压燃燃烧过程。在内 燃机理想循环中，具有相同压缩比内燃机的定容燃烧循环热效率最高。 加上此时经废气稀释的混合气绝热指数较高，燃烧热效率得以进一步提高。另一 方面，通过控制缸内废气量就可以控制新鲜进气量和喷油量，从而实现汽油机的 负荷控制，因而并不需要使用节气门，这样就能减少泵吸损失，改善燃油经济性。 目前主要通过以下几种方式实现c a i 燃烧【i “5 】：1 ) 直接进气加热；2 ) 高 压缩比；3 ) 使用更容易自燃着火的燃料；4 ) 使用e g r 或内部残余废气。以上 研究方法主要从两个方面入手，一是改变混合气温度历程，二是改变混合气的自 燃特性，从而达到实现汽油机c a i 燃烧控制的目的。 进气加热方式比较简单，能够直接改变混合气的初始压缩温度，进而改变缸 内温度变化历程，而对压力的影响并不明显。最早使用进气加热方式来进行汽油 机c a i 燃烧研究的是n a j t l 7 l 韦l ：lt h r i n g i l 6 】等人，他们将进气温度加热到3 0 0 1 2 以上 实现了均质压燃燃烧。o a k l e y 1 7 g l 等在英国b r u n e l 大学也开展了汽油燃料均质 压燃着火燃烧过程的研究，他们在一个进气道喷射的普通汽油机上，取消了节气 门，在进气口处设置一个电加热器，将进气温度加热到3 2 0 ，使其在压缩过程 中能够达到自燃温度。为减缓放热速率，将排出的部分废气重新吸入燃烧室，以 改变混合气中的氧气浓度、惰性气体浓度和比热，进而改变了燃烧特性。他们研 究了发动机在1 5 0 0r m i n 时，不同空燃比和外部e g r 率下的均质压燃燃烧的运 行范围。结果表明限制c a i 燃烧运行范围的边界有三个，分别是：部分燃烧边 第一章绪论 界、失火边界和敲缸边界，如图1 2 所示。其中，失火边界出现在e g r 率过大 的情况下，随着e g r 增加，进气中的c 0 2 和h 2 0 显著增加，混合气的热容增大， 着火时刻推迟直至失火。部分燃烧边界出现在稀混合气区，随着燃油量的减少， 缸内燃烧温度降低，不能将燃料完全氧化，排放中出现大量部分燃烧产物( 未燃 h c 浓度大于5 0 0 0 p p m ) 。敲缸边界则是因为燃烧放热速度过大引起的，用数字 带通滤波器检测得到。与相同转速 和负荷下的s l 发动机相比，n o x 排放最多减少了9 7 ，最大负荷点 的油耗减少了2 0 ，但未燃h c 和 c o 有所增加。虽然通过增加进气温 度可以促进混合气自燃，加快燃烧 放热速率，但是需要大功率的加热 系统，而且加热系统的热惯性较大， 因此这种实现c a i 燃烧的方式在实 际工作中并不可行。 另外一种提高混合气温度的方 夕衫 么万 l 附t 砒日j 姘a n 1 7么杉夕衫 钐夕衫 孓钐 、 乡多艿 ， 仑h 么乞x m 嘣i 乡众 多多膨乡多多焱鼻 - - r 多乡多多多。么瓣 图l - 2 汽油机c a i 稳定运行范卧1 8 l 法是增大发动机的压缩比。这种方法同时改变了压缩过程中混合气的温度和压力 历程。t h r i r i g 【l6 】发现压缩比过高时，必须对混合气进行稀释以减少过快的燃烧速 率，最终导致c a i 燃烧所能获得的最大负荷减少。相比之下，低压缩比更能满 足c a i 平稳运行的要求。c h r i s t e n s c n0 9 等人在v o l v ot d l 0 0 柴油机上对不同进 气温度下各参混比例燃料和压缩比的关系进行了详细研究。结果表明，无论是何 种燃料，随着压缩比增加，进行c a i 燃烧所需的进气温度都会减少。h i r a y a 2 0 1 等人在进气道喷射，节气门全开的自然吸气汽油机上的试验结果也发现当压缩比 增加后，所需进气温度降低，进气密度增加，能够得到的最大负荷增加。虽然增 加压缩比可以促进混合气自燃，但受两个因素的制约1 2 l j ：一是发动机要在全工况 范围内运行，c a i 燃烧要与常规火花点火燃烧模式相结合，而火花点火发动机受 最大压缩比的限制( 1 2 ：1 ，节气门全开时) ；二是在c a i 运行范围内增加压缩比 也会使温度增加，活化基增多，燃烧速度加快，燃烧噪音增加。 研究表明i ”“燃油组成及其物理特性对c a i 燃烧过程影响显著，尤其是运 行负荷范围、排放和噪音等。a a r o n l 2 2 等认为汽油机s i 燃烧和c a i 燃烧这两种 燃烧模式对燃油特性的要求是相矛盾的，在火花点燃模式中，希望使用抗爆性好 的高辛烷值燃料，而在c a i 燃烧模式中则要求燃料在尽可能大的发动机运行工 况范围内都能够自燃，因而需要找到一种适应性好的燃料同时能够满足火花点火 和压燃燃烧的两种燃烧模式。他们对汽油、甲醇和乙醇等燃料进行了试验，结果 第一章绪论 表明，醇类燃料的热效率最高，甲醇的燃烧放热速度最快，受到最大压力升高率 的影响，其所能达到的最大负荷最低。o l s s o n 和j o h a n s s o n 2 习通过调整不同比例 的异辛烷和正庚烷两种燃料并结合增压技术在一个较大的负荷和转速范围内实 现了c a i 燃烧。试验中使用了先进的发动机控制技术，以实现进气温度和放热 特性的闭环控制。但这种控制策略需要两套供油系统，结构复杂，控制较难。 内部废气再循环策略被认为是四冲程汽油机上实现c a i 燃烧的最为可行的 方法。内部废气再循环控制汽油机c a l 燃烧过程的基本思想是通过改变气门定 时捕捉一部分热残余废气在缸内，用其加热进气，完成压缩自燃着火。这样不仅 利用了废气的热能，省掉了进气加热装置，又可以直接将残余废气作为减缓放热 速度的稀释剂和调节负荷的发动机容积填充剂，是一种简单易行的方式。此外， 利用内部残余废气再循环可以在理论空燃比的条件下实现c a i 燃烧，并可以使 用目前汽油机上广泛使用的成熟、高效的三元催化器来进行排气后处理。 1 3 1 废气控制策略 如上所述，控制混合气中废气百分比不仅能够起到调整混合气的物化特性的 作用，同时能够控制发动机负荷，是实现汽油机c a i 燃烧和燃烧控制的有效手 段。 近些年来日益发展的可变气门控制技术为这一汽油机c a i 燃烧策略的实现 提供了技术支持。通过改变气门定时可以控制内部残余废气再循环的比例( 残余 废气率) ，从而控制进气量、混合气温度以及工质成分等参数，以达到控制混合 气着火时刻和燃烧速度的目的。 按照控制参数的不同，可变气门机构主要有以下几个方面： 1 可变气门定时( v a i l a b l ev a l v et i m i n g ，w t ) 即在气门开启持续期和升程曲线不变的前提下，同时改变气门的开启时刻和 关闭时刻，相当于在曲轴转角坐标轴上平移气门型线。 2 可变气门升程( v a r i a b l ev a l v el i f t ，v v l ) 能够改变气门型线的最大升程，主要有两种：一种是在改变气门最大升程的 同时也改变了气门开启持续期，如h o n d a 公司的v t e c 机构( 通过液压机构控 制主次进气门凸轮轴运动以满足发动机高低转速对进气过程的不同需求) 和 b m w 公司的v a l v e t r o n i c 机构( 增加一个中间杆，通过改变中问杆弧线发生作用 的区域来改变气门升程) ；另一种是只改变气门型线的最大升程而不改变气门开 启持续期，这种一般是无凸轮机构，采用电磁或电液驱动。 利用可变气门定时和升程机构可以方便地控制缸内残余废气量，从而实现汽 油机c a i 燃烧，并对其燃烧过程进行控制。根据气门控制策略和残余废气的供 第一章绪论 给方式，可以分为两种：废气再压缩和废气重吸。如图1 3 所示。可以看出完全 可变气门( 连续可变气门定时和升程) 对于这两种策略来说都是可行的，而且控 制起来比较灵活，但其造价太 高。通过使用凸轮移相器( c a m p h a s e r ) 和升程切换机构实现废 气再压缩比较简单，造价较低， 但响应速度较慢。在凸轮移相器 和升程切换机构的基础上，将排 气1 7 - - 次打开，即可以实现废气 重吸，系统响应速度比较快，成 本居中。下面分别对这两种废气 管理羡略进行详细说明。 1 废气再压缩策略 图1 - 3c a i 燃烧残余废气控制策略口6 】 废气再压缩策略是利用负气门重叠角将热废气留在缸内，用于加热冷的新鲜 充量，压缩混合气至压缩上止点附近达到自燃着火温度，引起自燃。这种方法是 比较常规的方法，操作简单，只需要使用小的气门升程和持续期即可实现负气门 重叠角，如图1 4 所示。 w i l l a n d l 2 7 等人第一次利用负气门重叠 角的办法实现c a i 燃烧，他们通过减少气 门开启持续期的方法，留住了4 0 以上的 残余废气，实现了c a l 燃烧。k o n t a r a k i s | 2 8 1 等人在一台单缸四冲程汽油机上取消了节 气门，减小有效气门升程和持续期，在转 速从1 3 0 0r m i n 2 0 0 0r m i n ，过量空气系 数 从o 9 5 1 1 的范围内实现了稳定的 图1 - 4 负气门重叠角策略 c a i 燃烧。试验能够取得的平均指示压力( i m e p ) 大约为0 2 5 o 3 6m p a ，燃 油经济性得到了改善。试验同时发现可以实现稳定c a i 燃烧的空燃比范围相对 狭窄。 k o o p m a n s 2 9 】等人在一台装配有4 气门的v o l v o 缸盖和l o t u sa c t i v ev a l v e t r a i n ( a v t ) 机构的a v l 单缸试验用发动机上利用负气门重叠角实现了c a i 燃 烧。试验过程能够得到的负荷范围为o o i m p a o 3 5 m p a ，发动机转速范围为 1 2 0 0 3 0 0 0 r m i n ，发动机运行范围受到工作粗暴和循环波动的限制。他们还研 究了气门定时对c a i 燃烧的影响，结果表明，排气门关闭时刻( e x h a u s t v a l v ec l o s e , e v c ) 对发动机着火延迟影响较大，排气门开启时刻( e x h a u s t v a l v e o p e n ，e v o ) 第一章绪论 对燃烧的影响主要受控于气体动力学，而进气门关闭时刻( i n t a k ev a l v ec l o s e , i v c ) 对c a i 燃烧影响不大。 l a w 【埘1 1 等人将一台1 8 升4 缸机改装成单缸机，并配备了l o m sa c t i v ev a l v e t r a i n ( a v t ) 机构，分别采用废气 再压缩( c a i 燃烧方法1 ) 和废气 重吸两种( 在进气过程同时打开进 气门和排气门将废气和新鲜气体一 同吸入，c a i 燃烧方法2 ) 策略来 实现c a i 燃烧。他们发现虽然这两 种控制残余废气量的方法不同，但 在相同转速和负荷下( 2 0 0 0 r m i n ， 0 4 2 m p a ) ，缸内压力和放热率曲 线基本相同，如图1 5 所示。方法 l 中废气再压缩和膨胀过程泵气损 失略大于方法2 ，但总的来说是比 i 霜署珥- n 着4 o 口嘛崩啪嘀，瞄国咿 t d c l 图i - 5 相同负荷和转速下火花点火、废气 再压缩和废气重吸缸内压力曲线对比 较小的，这两种方法从热力学原理上并没有太大的差别。 赵华教授等人将l i s t e r - p e t t e r 单缸机改为光学发动机，以研究残余废气在c a i 燃烧中的作用，他们发现残余废气的加热作用影响了着火时刻，但这种作用会被 增加的混合气热容减弱；残余废气热容增加和稀释作用增加了燃烧持续期；残余 废气的稀释使得最大压升率减少，尤其当残余废气含量超过4 0 以后口2 】。他们 还在f o r d1 7 lz e t e c - s e1 6 v 四缸发动机上对c a i 燃烧进行了研究，进排气门上 二4 3 ，一 ” r 、 、l 一 j 、 ) 、 一2 o 、q 3 2 r m o , , a $ 1 q _ o w ， 跚黑：盘：“” 童 l 冬 t - j 、沁谚乇：塑k 。= 、 、 f r o m p h “p 岍 黧船船躲慧暑黜竺“。 图l - 6 c a i 燃烧运行范围 均配备有v a r i a b l e c a mt i m i n g ( v c t ) 系统，利用废气再压缩策略在1 0 0 0 3 5 0 0 r m i n 亡苣t口量o ” 拈 ” 侣 ” l | 8 岳t 孟 第一章绪论 的转速范围内实现了c a i 燃烧，最大平均有效压力可达0 4 m p a 。与普通s i 发动 机相比，小负荷时油耗( b s f c ) 最多减少3 0 ，n o x 排放最多减少了9 9 0 , ，如 图1 - 6 所示。最大过量空气系数能达到1 2 7 。当过量空气系数为1 0 5 时，b s f c 和c o ，h c 排放最小，但n o x 最大1 1 4 j 。虽然油耗和排放很好，但可以看出，在 固定气门型线，只有气门定时可变时，高转速最大负荷边界下降，这是由于高转 速时换气过程恶化，进气效率下降所引起的，可见，只改变气门定时难以将高转 速负荷范围扩展。 2 废气重吸策略 废气重吸策略是将排出去的废气重新吸入气缸内，主要有以下两种方法： 排气门在进气过程中打开，将排出的废气重新吸入缸内； 进气门在排气过程打开，一部分废气进入进气道，在进气过程中再次吸 入。 a v l 公司的f u e r h a p t e r 等人在压缩比为1 2 2 的o p e l2 0 l - 4 缸机上开发了 a v l c s i ( c o m p r e s s i o na n ds p a r ki g n i t i o n ) 燃烧系统随3 3 1 。该发动机的进气门侧 安装了凸轮相位