【日】　M.Takazawa　　K.Komura　　T.Kitamura



工作过程

火花辅助点火均质充气压缩着火的瞬态控制技术

【日】M.TakazawaK.KomuraT.Kitamura

近几年，随着人们对减少CO2和其他温室气体排放的技术需求逐渐增加，汽油均质充气压缩着火(HCCI)燃烧方式已获得认可，该技术依靠稀薄燃烧实现低氮氧化物排放和高热效率。然而，汽油机HCCI对缸内温度变化的耐受度很低，因此，在瞬态工况下运行时易发生爆燃和失火。用1台四冲程自然吸气汽油直喷发动机验证了HCCI的瞬态控制，该发动采用可变气门正时和升程的电子控制系统，来优化HCCI的进排气。介绍了引入外部废气再循环的化学计量火花点燃与HCCI着火的切换控制，以及在HCCI运行范围内发动机负荷和转速的变化。

均质充气压缩着火火花点火辅助瞬态控制废气再循环

0　前言

近年来，为了防止全球变暖，对更先进的CO2减排技术的需求日渐增加。由于提高发动机的热效率有助于减少CO2排放，因此一些企业和大学，一直在进行提高发动机热效率方面的研究[1-4]。

依靠均质油气混合气的自燃，均质充气压缩着火(HCCI)能使不能以正常火焰传播进行稳定燃烧的稀薄油-气混合气实现稳定燃烧。因此，HCCI燃烧方式具有较高的理论热效率、较低的泵气损失和时间损失。此外，HCCI因低温燃烧而能使氮氧化物(NOx)保持非常低的排放水平，由于这些因素，HCCI有望成为未来的发动机燃烧方式[5-7]。

尽管HCCI发动机的概念已经发布多年[8]，但是这一技术至今尚未得以应用。HCCI燃烧发动机付诸实际应用的主要障碍是，能够防止失火和爆燃的运行范围较窄。为了应用该技术，必须通过火花点燃和HCCI燃烧方式的切换来拓宽可能的运行范围。

HCCI燃烧一般采取的方法是提高空-燃混合气的温度，使之达到自燃温度，以及除了通过提高压缩温度外再借助于引入大量内部废气再循环(EGR)。

然而，采用火花点燃燃烧时，在适合HCCI燃烧的工况下会出现爆燃和失火现象。在HCCI和火花点燃燃烧切换时，需要对温度和内部EGR进行精确控制。

另一个问题是，HCCI的着火时刻难以控制。图1示出了HCCI燃烧过程中从压缩行程到自燃的放热过程，同时示出了油气混合气的氧化反应过程。

在HCCI燃烧中，当油气混合气的温度从600 K起，就会开始发生生成冷焰的低温氧化反应。甲醛积聚和CO、OH自由基径向扩散产生蓝色火焰，最终变成由CO，产生生成CO2的热焰。在火花点燃燃烧中，热焰是由火花塞点火引起的快速化学反应而产生的，控制点火时刻就可以很容易地控制着火时刻。然而，在HCCI燃烧中，着火时刻不容易控制，因为在压缩冲程中温度和压力的变化会导致氧化反应过程的变化。为了保证各种环境条件下的稳定燃烧，需要通过控制着火时刻来防止失火和扭矩波动。因此，进行了提高着火能力的研究，采用直接喷射使之在火花塞附近形成少量的分层燃-空混合气，并利用火花塞产生的火花实现辅助自燃[8]。

图1　HCCI燃烧的氧化反应过程

本文介绍了火花辅助HCCI和引入外部EGR的化学计量火花点燃切换的燃烧控制方法。另外，还介绍了在HCCI运行范围内发动机负荷和转速的变化。

1　试验装置

试验发动机主要技术规格见表1。

表1　发动机主要技术规格

1.1对气门正时的要求

图2比较了HCCI燃烧和火花点燃燃烧的气门正时。通过排气门早关实现内部EGR，它将部分废气保留在气缸内，并使温度提高到HCCI燃烧所需要的自燃温度。进气门/排气门采用气门正时和升程智能可变的电子控制系统(i-VTEC)。

图2　HCCI和火花点燃燃烧的气门升程

1.2配气系统

VTEC是在同一凸轮轴上设有多个相邻的凸轮，通过这一机构，驱动气门的凸轮能依靠摇臂内的液压销进行即时切换。i-VTEC除了具有VTEC功能外，还配有液压可变正时控制。i-VTEC是1种可以连续改变单个凸轮相位的机构。

1.3燃油系统

为了控制火花，采用了双喷射系统，它包括1个用于生成火花的低流量直喷喷油器和1个控制负荷的气道喷油器。其中，低流量直喷喷油器被专门用于低流量和精确流量控制，而不适用于控制大部分负荷范围内的燃油量。

2　结果与讨论

2.1火花辅助HCCI(SA-HCCI)的着火条件

图3说明了SA-HCCI的自燃机理。采用时，加大了发动机的压缩比，并引入内部EGR，使气缸内温度提高到可以产生火花和引起自燃的温度。

(a) HCCI燃烧　(b) SA-HCCI燃烧

(c)图3　SA-HCCI的燃烧过程

图4　采用SA-HCCI时内部EGR率的减少

利用火花辅助点火的优点是，可以使达到自燃温度所需的内部EGR量降低，对于在HCCI燃烧前后的火花点燃直接燃烧是十分重要的。图4所示的是发动机在转速1500 r/min和平均指示压力(IMEP)420 kPa时，HCCI燃烧和SA-HCCI燃烧的着火能力对比情况，SA-HCCI燃烧比HCCI燃烧更容易着火，所以,采用SA-HCCI时，内部EGR量得以减少。

2.2火花点燃燃烧的条件

表2比较了火花点燃燃烧和HCCI燃烧的限制条件。在火花点燃燃烧模式中，气缸内的温度必须在燃烧模式切换后马上达到或低于自燃温度。为了减少排放，空燃比要控制在化学计量比范围内。为了满足扭矩需求，燃油的数量也要有限制。在燃烧模式切换前后的燃烧中，必须控制最高压缩终了温度和空气量。

表2　对火花点燃和HCCI燃烧的要求比较

同时，采用HCCI燃烧时，气缸内的温度必须达到或高于自燃温度。即HCCI和火花点燃对气缸内压缩终了温度的要求正好相反。在HCCI模式中，要尽可能多的引入空气，以降低燃油耗，而在火花点燃模式中，空/燃比必须控制在化学计量比之内，以降低排放。下文将介绍，从HCCI切换到火花点燃时的问题是如何解决这些对油气状态相互矛盾的要求。

2.3中间火花点燃燃烧

图5　中间火花点燃燃烧

要解决火花点燃和HCCI运行条件矛盾的问题，有效的方法是引入中间火花点燃燃烧，它可以通过排气门早关和进气门晚关来实现。图5显示为中间火花点燃燃烧时的气门正时和气缸内压力随时间的变化。在引入的内部EGR量与HCCI的相当的情况下，将进气门延迟到压缩行程关闭，以降低有效压缩比和避免自燃。通过将气缸内空气压回到进气歧管还能大大减少进入的空气量。

为了防止因气缸内高温引起的爆燃，燃烧必须延迟。图6所示为发动机转速1500 r/min和IMEP 420 kPa时，HCCI和中间火花点燃燃烧的有效燃油消耗率(BSFC)的比较。中间火花点燃燃烧时的燃烧最差。为了减少燃烧模式切换引起的燃油耗增加，必须尽量减少中间火花点燃燃烧的持续时间。

图6　中间火花点燃燃烧的热效率

2.4燃烧模式切换装置的运作

从HCCI燃烧切换到火花点燃燃烧，按照以下两个阶段进行： (1) 从HCCI切换到中间火花点燃。(2) 从中间火花点燃切换到正常气门正时的火花点燃(引入外部EGR)。

图7所示为从HCCI切换到火花点燃燃烧过程中，气门正时、进气歧管压力和外部EGR率随时间变化的情况。分别是：(1) 利用进气VTEC调节将HCCI切换到中间火花点燃。(2) 将中间火花点燃切换到火花点燃燃烧。

图7　燃烧切换中各装置的运作图

在进气VTEC调节后，由进气VTC改变的相位会跟踪因引入EGR而引起的进气歧管压力的变化，并进行节气门操作。因为在中间火花点燃燃烧情况下已经引入大量的内部EGR，所以在排气VTEC切换后，立即会引入外部EGR。对于外部EGR，由于从EGR阀开启到再循环排气实际进入气缸有一定延迟，因而设计EGR阀动作的时刻应考虑到这种延迟。

从火花点燃切换到HCCI时，各参数随时间的变化规律正好相反。

2.5从HCCI向火花点燃切换的验证结果

图8所示是转速为1 500 r/min和IMEP为420 kPa 时，从HCCI向火花点燃切换时气缸内压力、扭矩和最高燃烧压力位置随时间的变化。在燃烧模式切换前后，气缸内压缩终了的温度保持在合适的范围内，所以没有出现爆燃、失火、早燃和其他异常燃烧。同时，在燃烧模式切换后空燃比也立即被调整为化学计量比。

(a)

(b)图8　在无控制的情况下从HCCI向火花点燃切换

2.6从火花点燃向HCCI切换的验证结果

图9所示是转速为1 500 r/min和IMEP为420 kPa 时，从火花点燃向HCCI切换时气缸内压力、扭矩和最高燃烧压力位置随时间的变化。从火花点燃向中间火花点燃切换后的几个循环内，出现提前着火。

在燃烧模式切换中出现提前着火的原因是HCCI和火花点燃燃烧中排气温度各不相同，即燃烧模式切换前的排气温度与切换后的排气温度各不相同。图10比较了转速为 1 500 r/min 和IMEP为420 kPa时HCCI、火花点燃和中间火花点燃燃烧的排气温度。火花点燃燃烧时的排气温度比HCCI燃烧时的高180 K。

在中间火花点燃期间和运行之后，上一个循环的部分废气被保留到下一个循环作为内部EGR。由于火花点燃燃烧时的排气温度比HCCI燃烧时的高，如果从火花点燃切换到HCCI时引入的内部EGR量会与稳态运行时的相同，则气缸内温度将会比稳态运行时来得高。结果，在中间火花点燃运行期间和运行之后，气缸内温度会超过自燃温度，从而导致提前着火。

(a)

(b)图9　在无控制的情况下从火花点燃向HCCI切换

图10　稳态运行时的排气温度比较

为了防止燃烧模式切换后立即出现过早着火，必须使引入的内部EGR量能达到合适的内部EGR温度。具体来说，应在燃烧切换后立即调节排气VTC相位，以控制内部EGR量使之能达到合适的内部EGR温度。图11所示为从火花点燃切换到HCCI燃烧时执行装置的运行情况。图12是控制内部EGR量时气缸内压力、扭矩和最高燃烧压力位置随时间的变化。

图11　燃烧模式切换(从火花点燃到HCCI)时各装置运行情况的变更

图12　在无控制情况下从火花点燃向HCCI燃烧的切换

通过控制内部EGR量使气缸内压缩终了的温度降低到了一个合适的水平。因此，有可能在不引起提早着火的情况下实现从火花点燃燃烧向HCCI燃烧的切换。

2.7从HCCI燃烧切换到火花点燃燃烧的条件

对于HCCI和火花点燃来说，在燃烧模式转换过程中它们都必须避免爆燃和失火，并且必须控制扭矩震荡和内部EGR量。图13是在不同的内部EGR率和有效压缩比组合下，气缸内压缩终了温度与排气温度之间的关系。

在HCCI和中间火花点燃燃烧过程中，引入并保持相同的内部EGR量。从中间火花点燃燃烧切换到HCCI燃烧过程中会出现的问题是会发生因较高的内部EGR温度而导致的自燃。

从火花点燃切换到HCCI的过程中，引入的中间火花点燃是将它作为上一个循环火花点燃高温燃烧的内部EGR废气。所以，在中间火花点燃模式向HCCI切换过程中，中间火花点燃燃烧出现的问题是因较高内部EGR温度导致的自燃(图13中A点)。

然而，可以通过SA-HCCI降低内部EGR温度来减少中间火花点燃燃烧时的内部EGR，这样就能实现燃烧模式切换(图13中B点)。

图13　燃烧模式切换的条件

因此，切换后HCCI燃烧的气缸内温度就会低于稳态运行时的温度(图13中的C点)。为了实现自燃，采用起燃火焰来提高气缸内温度。

2.8实现瞬态运行的控制逻辑

在HCCI的瞬态控制时，必须适当地控制压缩终了温度。因此，需要预估燃气温度，包括内部EGR温度，并且要控制好气门正时，以使内部EGR与预估的燃气温度相适应。

2.9按HCCI控制逻辑进行瞬态燃烧控制

(a)

(b)

图14给出了转速为1500 r/min和IMEP为200～400 kPa时，HCCI燃烧时的负荷曲线。在该负荷曲线中，内部EGR是根据预估的气缸内温度进行控制的。由于控制EGR量的缘故，这时内部EGR率与稳态运行时的最佳EGR率有所不同。在所有循环中，气缸内温度都在合适的范围内，燃烧持续时间也控制在适当的水平。

(c)图14　发动机扭矩瞬变的试验结果

图15示出的是转速曲线(转速从1500～2000r/min)。 结果表明，按此方式控制，IMEP为定值。与负荷曲线类似，可以通过预估的气缸内温度来控制燃烧持续时间。

图15　发动机转速瞬变的测验结果

3　结论

为了实现SA-HCCI燃烧与火花点燃燃烧之间的切换，开发了下列瞬态控制技术。

采用SA-HCCI改善燃烧的可靠性，运用进气门晚关和排气门早关实现中间火花点燃燃烧。

具体而言就是，开发了形成火花的直接喷射技术和适用于HCCI和火花点燃燃烧的气门正时技术。

为了在燃烧切换过程中产生合适的HCCI燃烧，开发了通过预估气缸内温度来控制内部EGR量控制技术。上述开发的瞬态控制技术已经在发动机上进行了验证。

[1] Wang C， Daniel R， Xu H. Research of theatkinson cycle in the spark ignition engine[C]. SAE Paper 2012-01-0390.

[2] Lecointe B， Monnier G. Downsizing a gasoline engine using turbocharging with direct injection[C]. SAE Paper 2003-01-0542.

[3] Aoyama T， Hattori Y， Mizuta J，et al. An experimental study on premixed-charge compression ignition gasoline engine[C]. SAE Paper 960081.

[4] Hiraya K， Hasegawa K， Urushihara T， et al. A study on gasoline fueled compression ignition engine ～ a trial of operation region expansion ～[C]. SAE Paper 2002-01-0416.

[5] Fuerhapter A， Piock W， Fraidl G. CSI-controlled auto ignition — the best solution for the fuel consumption — versus emission trade-Off?[C].SAE Paper 2003-01-0754.

[6] Koopmans L， Ström H， Lundgren S， et al. Demonstrating a SI-HCCI-SI mode change on a Volvo 5-cylinder electronic valve control engine[C]. SAE Paper 2003-01-0753.

[7] Zaidi K. Development of a direct injection-homogeneous charge compression ignition (DI-HCCI) heavy duty diesotto engine by using effervescent atomization[C].SAE Paper 2009-01-2701.

[8] Komura K， Takazawa M， Morita T. Advanced ignition control technology for HCCI combustion[J].Honda Technical Review， 24(2)，2014.

2016-03-02)