火花辅助点火均质充气压缩着火的瞬态控制技术_M_Takazawa

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 （ ） 的着火条件 ２． １ 火花辅助 Ｈ Ｃ Ｃ Ｉ Ｓ Ａ－Ｈ Ｃ Ｃ Ｉ 图３说明了 Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ的 自 燃 机 理 。 采 用 时 ， 加大了发 动 机 的 压 缩 比， 并引入内部 Ｅ 使气 Ｇ Ｒ， 缸内 温 度 提 高 到 可 以 产 生 火 花 和 引 起 自 燃 的 温度。
图 ２ ＨＣ Ｃ Ｉ和火花点燃燃烧的气门升程
１． ２ 配气系统 ＶＴ Ｅ Ｃ 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 Ｅ Ｃ 除 了 具 有 ＶＴ Ｅ Ｃ功 －ＶＴ 能外 ， 还配有液压可变正时控制 。 ｉ Ｅ Ｃ 是 １ 种可 －ＶＴ 以连续改变单个凸轮相位的机构 。 １． ３ 燃油系统
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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
项目 气缸数 排量／ ｍ Ｌ 缸径／ ｍｍ 行程／ ｍｍ 压缩比 配气机构 参数 ４ １ ５ ０ ０ ７ ３ ８ ９． ４ １ ４ 双顶置凸 轮 轴 （ 进排气可变正时和升程 Ｄ ＯＨＣ） 和可变气门正时控制 （ 电子控制 （ ＶＴ Ｅ Ｃ） ＶＴ Ｃ） 进气 １ 进气 ２ 开启时刻／℃Ａ －３ ０～２ ０ ５ ０～１ ０ ０ 关闭时刻／℃Ａ ２ １ ０～２ ６ ０ ２ １ ０～２ ６ ０ 上止点后达到 １ｍｍ 升程 排气 １ 排气 ２ 开启时刻／℃Ａ ５ １ ０～５ ６ ０ ５ １ ０～５ ６ ０ 关闭时刻／℃Ａ ６ ２ ０～６ ７ ０ ６ ６ ０～７ １ ０ 上止点后达到 １ｍｍ 升程 缸内直喷 Ｒ ＯＮ ９ １
【 日】 Ｔ ａ ｋ ａ ｚ ａ ｗ ａ Ｋ ｏ ｍ ｕ ｒ ａ Ｋ ｉ ｔ ａ ｍ ｕ ｒ ａ Ｍ． Ｋ． Ｔ． 随着人们对减少 Ｃ 汽油均质充气压 Ｏ 摘要 ：近几年 ， ２ 和其他温室气体排放的技术需求逐渐增加 ， ） 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 ， 缩着火 （ ＨＣ Ｃ Ｉ 汽油机 ＨＣ 因此 ， 在瞬态工况下运行时易发生爆燃和失火 。 用 １ 台 Ｃ Ｉ对缸内温度变化的耐受度很低 ， 四冲程自然吸气汽油直喷发动机验证了 ＨＣ 该发动采用可变气门正时和升程的电子 Ｃ Ｉ的瞬态 控 制 ， 来优化 ＨＣ 控制系统 ， Ｃ Ｉ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 ＨＣ Ｃ Ｉ着 火 的切换控制 ， 以及在 ＨＣ Ｃ Ｉ运行范围内发动机负荷和转速的变化 。 关键词 ：均质充气压缩着火 火花点火辅助 瞬态控制 废气再循环
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 ＨＣ 按照以下 Ｃ Ｉ燃 烧 切 换 到 火 花 点 燃 燃 烧 ， ）从 ＨＣ 两个阶段进行 ：（ １ Ｃ Ｉ切换到中间火花点燃 。 （ ）从中间火花点 燃 切 换 到 正 常 气 门 正 时 的 火 花 点 ２ 。 引入外部 Ｅ 燃（ Ｇ Ｒ） 图 ７ 所示为从 ＨＣ Ｃ Ｉ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 Ｅ Ｇ Ｒ 率随时间 （ 变化的情况 。 分 别 是 ： １）利 用 进 气 ＶＴ Ｅ Ｃ 调节将 ＨＣ Ｃ Ｉ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 １ ＨＣ Ｃ Ｉ燃烧的氧化反应过程
本文介绍 了 火 花 辅 助 ＨＣ Ｃ Ｉ和 引 入 外 部 Ｅ Ｇ Ｒ 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 ＨＣ Ｃ Ｉ运行范围内 发 动 机 负 荷 和 转 速 的 变化 。
０ １ ６ 年第 ４ 期 国 外 内 燃 机 ２
DOI:10.16776/ki.1000-3797.2016.04.007
０ 前言 近年来 ， 为了防止全球变暖 ， 对更先进的 Ｃ Ｏ ２ 减 排技术的需求日渐增加 。 由 于 提 高 发 动 机 的 热 效 率 因此一些企业和大学 ， 一直在 有助于减少 Ｃ Ｏ ２ 排放 ， 进行提高发动机热效率方面的研究
进气门正时
排气门正时
喷油方式 汽油牌号
１． １ 对气门正时的要求 图 ２ 比 较 了 ＨＣ Ｃ Ｉ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 Ｅ 它将部 Ｇ Ｒ， 并 使 温 度 提 高 到 ＨＣ 分废气保留 在 气 缸 内， Ｃ Ｉ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 Ｅ Ｃ） －ＶＴ
采用 Ｈ 气缸内的温度必须达到 Ｃ Ｃ Ｉ燃烧时 ， 同时 ， 或高于自燃温度 。 即 Ｈ Ｃ Ｃ Ｉ和火花点燃对气缸内压缩 要尽可 终了温度的要求正好相反 。 在 Ｈ Ｃ Ｃ Ｉ模式中 ， 能多的引入 空 气 ， 以 降 低 燃 油 耗， 而在火花点燃模式 ／燃比 必 须 控 制 在 化 学 计 量 比 之 内 ， 中， 空 以降低排 从Ｈ 放 。 下文将介绍 ， Ｃ Ｃ Ｉ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 要解决 火 花 点 燃 和 ＨＣ Ｃ Ｉ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 Ｅ Ｇ Ｒ 量 与 ＨＣ Ｃ Ｉ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
图 ４ 采用 Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ时内部 Ｅ Ｇ Ｒ 率的减少
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国 外 内 燃 机 ２ ０ １ ６ 年第 ４ 期
（ Ｉ ＭＥ Ｐ） ４ ２ ０ｋ Ｐ ａ时 ， ＨＣ Ｃ Ｉ燃烧和 Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ燃烧的 着火能力对比 情 况 ， Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ燃 烧 比 ＨＣ Ｃ Ｉ燃 烧 更 容易着火 ， 所 以， 采用 Ｓ 内部 Ｅ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ时 ， Ｇ Ｒ 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 ＨＣ Ｃ Ｉ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 必须控制最高压缩终了温 模式切换前 后 的 燃 烧 中 ， 度和空气量 。
８］ 。 气， 并利用火花塞产生的火花实现辅助自燃 ［ ［ ８］
。
依靠均质油 气 混 合 气 的 自 燃 ， 均质充气压缩着 ） 能使不能以正常火焰传播进行稳定燃烧 火（ ＨＣ Ｃ Ｉ 的稀薄油 －气 混 合 气 实 现 稳 定 燃 烧 。 因 此 ， ＨＣ Ｃ Ｉ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 ， ＨＣ Ｃ Ｉ因低温燃烧而能使氮氧化物 （ 保 持 非 常 低 的 排 放 水 平， 由 于 这 些 因 素， ＮＯ ｘ） ＨＣ Ｃ Ｉ有望成为未来的发动机燃烧方式
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工 作 过 程源自火花辅助点火均质充气压缩着火的瞬态控制技术
［ ］ ５ ７ －
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尽管 ＨＣ 但 Ｃ Ｉ发 动 机 的 概 念 已 经 发 布 多 年 ， 。 是这一技术 至 今 尚 未 得 以 应 用 ＨＣ Ｃ Ｉ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 ＨＣ Ｃ Ｉ燃 烧 方 式 的 切 换 来 拓 宽 可 能 的 运 行 范围 。 ＨＣ Ｃ Ｉ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 （ Ｅ Ｇ Ｒ） 然而 ， 采用火花点燃燃 烧 时 ， 在 适 合 ＨＣ Ｃ Ｉ燃 烧 的工况下会出现爆燃 和 失 火 现 象 。 在 ＨＣ Ｃ Ｉ和 火 花 点燃燃烧切换时 ， 需要对温度和内部 Ｅ Ｇ Ｒ 进行精 确 控制 。 另一个 问 题 是， ＨＣ Ｃ Ｉ的 着 火 时 刻 难 以 控 制 。 图 １ 示 出 了 ＨＣ Ｃ Ｉ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。
（ ）ＨＣ ａ Ｃ Ｉ燃烧
（ ） ｂ Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ燃烧
（ ） ｃ 图 ３ Ｓ Ａ－ＨＣ Ｃ Ｉ的燃烧过程
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 Ｅ 对于在 ＨＣ Ｇ Ｒ 量降低 ， Ｃ Ｉ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 １ ５ ０ ０ｒ ｍ ｉ ｎ和平均指示压力
表 ２ 对火花点燃和 Ｈ Ｃ Ｃ Ｉ燃烧的要求比较
项目 气缸内温度 空燃比 燃油量 Ｅ Ｇ Ｒ Ｅ Ｇ Ｒ率 火花点燃 低于自燃温度 化学计量比 取决于扭矩需求 外部 受火焰传播限制 ＨＣ Ｃ Ｉ燃烧 高于自燃温度 稀薄 取决于扭矩需求 内部 无限制
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 １ ５ ０ ０ｒ ｍ ｉ ｎ 和Ｉ ＭＥ Ｐ ４ ２ ０ｋ Ｐ ａ时 ， ＨＣ Ｃ Ｉ和中间火花点燃燃烧的有效燃油 的 比 较。 中 间 火 花 点 燃 燃 烧 时 的 燃 消耗率 （ Ｂ Ｓ Ｆ Ｃ） 烧最差 。 为 了 减 少 燃 烧 模 式 切 换 引 起 的 燃 油 耗 增 必须尽量减少中间火花点燃燃烧的持续时间 。 加，