變工況條件下HCCI/SI燃燒模式轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

陳 韜，謝 輝，李 樂(lè)，虞衛(wèi)飛，張 松，趙 華

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

變工況條件下HCCI/SI燃燒模式轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

陳 韜，謝 輝，李 樂(lè)，虞衛(wèi)飛，張 松，趙 華

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為了滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，在 HCCI燃燒的運(yùn)行范圍之外，仍需要使用火花點(diǎn)火(SI)燃燒模式．目前HCCI/SI模式轉(zhuǎn)換的方法和策略都是在相同工況下完成的，這增加了控制上的難度并會(huì)帶來(lái)負(fù)荷波動(dòng)．針對(duì)此問(wèn)題，采用全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)結(jié)合外部廢氣再循環(huán)的方法，在變工況條件下，完成 HCCI和 SI燃燒模式的轉(zhuǎn)化．并將HCCI燃燒模式中廢氣率調(diào)整負(fù)荷的方法延伸進(jìn) SI燃燒控制中．由于在控制策略層面，采用模式過(guò)渡的方法，消除了HCCI/SI模式轉(zhuǎn)換的概念，因而簡(jiǎn)化了控制策略．

模式轉(zhuǎn)換；負(fù)荷連續(xù)過(guò)渡策略；外部廢氣再循環(huán)；HCCI

隨著世界范圍內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的加劇，各國(guó)的環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步．高效、低污染的燃燒是全球內(nèi)燃機(jī)工作者共同的追求．汽油機(jī)均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃燒技術(shù)以其同時(shí)具有高燃油經(jīng)濟(jì)性和低 NOx排放兩方面的潛力，而受到了廣泛的關(guān)注．汽油機(jī) HCCI燃燒技術(shù)，利用汽油機(jī)均質(zhì)充量的特點(diǎn)，引入柴油機(jī)壓燃著火的概念，來(lái)改善燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒的循環(huán)變動(dòng)．同時(shí)在相同負(fù)荷下，其燃燒室內(nèi)存在較傳統(tǒng)火花點(diǎn)火(spark ignition，SI)燃燒多得多的充量，因此燃燒時(shí)溫度較傳統(tǒng) SI燃燒溫度為低，其氮氧排放物 NOx產(chǎn)生量很小，大大減輕了對(duì)催化后處理器的依賴和要求[1-3]．但是汽油機(jī) HCCI燃燒目前還受到工況范圍狹小的限制．在 HCCI燃燒中，為了抑制過(guò)快放熱而引起的燃燒粗暴現(xiàn)象，缸內(nèi)需要足夠的充量進(jìn)行稀釋，稀釋充量必然會(huì)占據(jù)相當(dāng)?shù)母變?nèi)容積，因此整個(gè)燃燒室所容納的用于做功的新鮮空氣量必然受到限制，使得其在相同技術(shù)條件下運(yùn)行的最大工況無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)汽油機(jī)運(yùn)行工況的上界[4]．于是，若要滿足實(shí)際車用發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用要求，HCCI燃燒和SI燃燒之間的模式轉(zhuǎn)換就成為了必然的選擇．

汽油機(jī)HCCI由于其控制放熱的方法不同，主要分為3種路線：廢氣稀釋當(dāng)量空燃比燃燒、空氣稀釋過(guò)量空燃比燃燒和 2種稀釋方法組合使用．這 3種路線在實(shí)際中應(yīng)用，分別需要不同機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如空氣稀釋路線就需要加熱器或者可變壓縮比裝置，混合路線通常需要直噴和凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)；而廢氣稀釋路線則需要全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)．無(wú)論是哪一種路線采用機(jī)構(gòu)都會(huì)增加不少成本，當(dāng)然效果上也會(huì)有所區(qū)別，因此費(fèi)效比也是實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的問(wèn)題之一．其中廢氣稀釋當(dāng)量空燃比燃燒主要特點(diǎn)是和傳統(tǒng)SI燃燒承接性好，機(jī)械式全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)對(duì)成本增加較少，而且廉價(jià)高效的三效催化器可以繼續(xù)使用，無(wú)需對(duì)后處理裝置進(jìn)行改變，具有滿足更加嚴(yán)格排放法規(guī)的潛力．廢氣稀釋路線的另一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)油品成分要求不高，非常適合中國(guó)國(guó)情．短期內(nèi)，廢氣稀釋是最有可能在實(shí)際中得到應(yīng)用的技術(shù)路線．本文將立足于廢氣稀釋當(dāng)量空燃比燃燒的路線，在全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的技術(shù)條件下，開(kāi)展HCCI和 SI模式轉(zhuǎn)換的研究工作．

對(duì)于廢氣稀釋HCCI燃燒來(lái)說(shuō)，排氣溫度一般低于400,℃，內(nèi)部殘余廢氣率在40%以上；相應(yīng)地，SI燃燒的排氣溫度在500,℃以上，內(nèi)部殘余廢氣率一般在10%以下．2種燃燒模式的缸內(nèi)熱狀態(tài)和成分狀態(tài)存在明顯的階躍．從目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表的研究結(jié)果來(lái)看，模式轉(zhuǎn)換策略都是在同一負(fù)荷下(通常是HCCI的上邊界)完成的．在應(yīng)用中，以某一負(fù)荷為控制閾值，在此負(fù)荷之上采用SI控制策略；在此負(fù)荷之下采用HCCI控制策略，在控制閾值處，完成模式轉(zhuǎn)換．模式轉(zhuǎn)換過(guò)程主要有2種典型方法．一種模式切換的方法，最具代表性的技術(shù)裝置是兩階段凸輪型線技術(shù)，即在一個(gè)循環(huán)內(nèi)完成氣門(mén)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，再在隨后幾個(gè)循環(huán)逐漸完成缸內(nèi)成分和溫度的轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定[4-7]．如果采用合理的輔助控制手段和一些前饋調(diào)節(jié)，模式轉(zhuǎn)換的速度和效果都是非常不錯(cuò)的，是目前國(guó)內(nèi)外研究的主流路線之一．另一種路線是模式過(guò)渡的方法[8-10]，主要的技術(shù)裝置是全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)，即在幾個(gè)循環(huán)內(nèi)，依靠全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)能力，完成氣門(mén)參數(shù)和缸內(nèi)狀態(tài)的協(xié)同調(diào)整．這個(gè)方法有利于減少發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)，本課題組之前的等負(fù)荷過(guò)渡策略研究[9]采用的就是這種方法．但是等負(fù)荷模式轉(zhuǎn)換增加了發(fā)動(dòng)機(jī)控制的難度和不可靠性，而且切換過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷波動(dòng)、燃燒不穩(wěn)定等情況．在實(shí)際運(yùn)行中，模式過(guò)渡閾值工況的選擇將會(huì)非常困難，同時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)的要求也對(duì)這種階躍控制提出了極苛刻的要求．為此，筆者在本課題組研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了依靠全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)和外部廢氣的協(xié)同調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變工況燃燒模式過(guò)渡的方法．目的是在實(shí)際應(yīng)用中，消除控制上的模式過(guò)渡問(wèn)題，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工況的調(diào)整策略連續(xù)，簡(jiǎn)化控制策略，為 HCCI燃燒在實(shí)際中的應(yīng)用掃清障礙．

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)是Ricardo Hydra單缸進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)．為了提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充量的控制能力，試驗(yàn)采用了可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣相位和升程連續(xù)可調(diào)的4VVAS機(jī)構(gòu)．在試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣兩側(cè)各安裝1套可變定時(shí)機(jī)構(gòu)(BMW Vanos)和可變升程機(jī)構(gòu)(BMW Valvetronics)，氣門(mén)的正時(shí)和升程都可以獨(dú)立連續(xù)調(diào)節(jié)，具備靈活控制氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的能力．其中可變升程機(jī)構(gòu)在 BMW 公司原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，縮短了氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期，其氣門(mén)運(yùn)動(dòng)曲線如圖1所示．氣門(mén)相位設(shè)定的參考點(diǎn)為進(jìn)排氣上止點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑和行程都為86,mm，排量為0.5,L，壓縮比為 10.64．改裝了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)，安裝了外部廢氣再循環(huán)的管路．本文為了區(qū)分內(nèi)部廢氣和外部廢氣，用 RGF(residual gas fraction)來(lái)表示內(nèi)部殘余廢氣率，用 EGR(exhaust gas recirculation)來(lái)表示外部廢氣再循環(huán)率．

圖1 4VVAS氣門(mén)升程曲線Fig.1 Valve lift profiles of the 4VVA system

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，單純依靠改變進(jìn)排門(mén)的定時(shí)和升程，改變缸內(nèi)殘余廢氣率和新鮮充量數(shù)，進(jìn)而改變缸內(nèi)成分和熱狀態(tài)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和燃燒過(guò)程．為了減小冷卻水溫和潤(rùn)滑油溫對(duì)HCCI燃燒過(guò)程的影響，試驗(yàn)時(shí)分別將冷卻水溫和潤(rùn)滑油溫控制在(80±1)℃和(50±1)℃．

在試驗(yàn)中，空燃比始終設(shè)定為理論空燃比．空燃比的控制使用 ETAS公司的線性氧傳感器．廢氣分析使用 Horiba公司的 MEXA-7100DEGR型廢氣分析儀．外部廢氣再循環(huán)率也是使用該廢氣分析儀測(cè)得．使用了 Kistler公司生產(chǎn)的 6225b型缸壓傳感器測(cè)量缸內(nèi)壓力并計(jì)算平均指示壓力及相應(yīng)的燃燒信息．試驗(yàn)用燃料為93#汽油．

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在目前的研究進(jìn)展下[11]，全可變機(jī)構(gòu)控制下的SI燃燒廢氣稀釋極限已經(jīng)較傳統(tǒng)節(jié)氣門(mén)控制的SI燃燒有了顯著的提高，從常規(guī)不到 10%，最大提高到30%，如圖2所示．因此HCCI燃燒和SI燃燒之間廢氣率和溫度的差距已經(jīng)不是完全不可逾越．如圖中箭頭所示，1是模式切換策略的路徑，先完成廢氣率的轉(zhuǎn)換然后補(bǔ)償廢氣溫度的熱慣性．圖中箭頭 2表示模式過(guò)渡的路徑，其廢氣率和廢氣溫度的調(diào)節(jié)協(xié)同進(jìn)行，而其為了維持燃燒穩(wěn)定和負(fù)荷恒定，運(yùn)行路徑也采用了迂回的方法．本文計(jì)劃的路徑是圖中箭頭 3所示的路徑．該路徑可以看作是 HCCI燃燒中，廢氣率控制負(fù)荷策略的延伸．方法依然是依靠調(diào)整缸內(nèi)總的廢氣率，改變進(jìn)入缸內(nèi)新鮮充量的總數(shù)，進(jìn)而控制負(fù)荷．在 HCCI運(yùn)行范圍之外，采用混合燃燒(又稱火花輔助 HCCI)的燃燒方式作為轉(zhuǎn)換過(guò)程中的橋梁．在逐步增大負(fù)荷的同時(shí)，減小自燃占總放熱量中的比例，來(lái)控制不正常的放熱速度．其中對(duì)放熱速度的調(diào)節(jié)，是依靠改變內(nèi)外部廢氣的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)的．負(fù)荷控制通過(guò)改變內(nèi)外總廢氣的總量來(lái)控制．

圖2 HCCI燃燒和SI燃燒之間廢氣率和排氣溫度的差距Fig.2 Differences of RGF and exhaust temperatures between SI combustion and HCCI combustion

使用 1,500,r/min下的變工況模式過(guò)渡實(shí)例來(lái)展示具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程．在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下，HCCI的負(fù)荷上限為平均指示壓力(indicated mean effective pressure，IMEP)pe，pe=0.500,MPa[12]．于是，本文研究的模式過(guò)渡的起點(diǎn)就選在IMEP為0.500,MPa．模式過(guò)渡過(guò)程的終點(diǎn)則選在自燃完全消失的工況點(diǎn)，在這組數(shù)據(jù)中 IMEP為 0.664,MPa．采用該方法，則過(guò)渡過(guò)程中的每個(gè)工況點(diǎn)都可以是穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)，因此調(diào)整過(guò)程從IMEP為0.500,MPa出發(fā)，大約每調(diào)整0.030 MPa，記錄 1個(gè)穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)用于分析，直至燃燒完全轉(zhuǎn)變到傳統(tǒng) SI燃燒．圖 3所示是變工況過(guò)渡中相鄰工況點(diǎn)間缸壓曲線的對(duì)比．從圖 3中可以看出，隨著負(fù)荷的增大，HCCI燃燒的特性逐漸消失．主要體現(xiàn)在 2個(gè)方面．第一，在主燃燒期之前，自燃著火燃燒過(guò)程由于存在一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，在缸壓曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓力升高率變緩的過(guò)程，等到自燃發(fā)生時(shí)，缸內(nèi)壓力會(huì)得到一個(gè)更迅速的提高．在最初幾個(gè)工況點(diǎn)，還可以明顯觀察出這一現(xiàn)象．當(dāng)負(fù)荷達(dá)到0.60,MPa左右時(shí)，該現(xiàn)象就已經(jīng)不明顯了，而負(fù)荷達(dá)到 0.664,MPa時(shí)，則完全消失，缸壓曲線呈現(xiàn)了明顯的SI特征．第二，由于初始點(diǎn)是HCCI燃燒的負(fù)荷上邊界，因此，該點(diǎn)在進(jìn)排氣上止點(diǎn)附近，存在明顯的廢氣重壓峰．隨著負(fù)荷的升高，燃燒開(kāi)始向 SI方向轉(zhuǎn)化，此時(shí)不再需要那么多的缸內(nèi)熱廢氣，重壓峰明顯呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，到燃燒模式轉(zhuǎn)化結(jié)束，重壓峰完全消失．缸壓的變化過(guò)程說(shuō)明燃燒模式的轉(zhuǎn)換確實(shí)是和負(fù)荷變化同時(shí)進(jìn)行的．

圖3 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中缸內(nèi)壓力的變化Fig.3 Pressure variations of the successive operation point in load transition

為了進(jìn)一步說(shuō)明燃燒模式的轉(zhuǎn)化過(guò)程，各工況點(diǎn)的累積燃燒放熱率變化如圖4所示．累積燃燒放熱率可以有效地反映出燃燒放熱的特征．從圖4中可以看出，在初始的HCCI燃燒工況點(diǎn)，放熱速度非?？欤鄯e放熱率曲線斜率非常陡．而隨著燃燒模式轉(zhuǎn)化的開(kāi)始，放熱速度明顯開(kāi)始下降，主要表現(xiàn)為累積放熱率曲線的斜率降低，且變化明顯．此時(shí)為了避免過(guò)快燃燒引起的爆震現(xiàn)象，且維持燃燒穩(wěn)定，需要引入一定比例的 SI燃燒．同時(shí)為了追求較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，一定比例的自燃被保留下來(lái)．因?yàn)樽匀伎梢约涌旆艧崴俣?，使燃燒的等容性增大，從而提高熱效率．但是?dāng)負(fù)荷繼續(xù)增大，由于發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的限制，自燃比例呈減少趨勢(shì)．模式轉(zhuǎn)化過(guò)程在負(fù)荷達(dá)到 0.600 MPa附近，需要穿越熱振蕩帶，此時(shí)為了避免過(guò)大的循環(huán)變動(dòng)，穩(wěn)定燃燒過(guò)程，自燃比例被大大減少了．達(dá)到模式轉(zhuǎn)換過(guò)程的終點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱速度較HCCI明顯變長(zhǎng)了，完全呈現(xiàn)了SI的放熱特征，但是其放熱速度還是較傳統(tǒng)的 SI燃燒速度快．主要是由于缸內(nèi)存在相當(dāng)比例的熱廢氣，廢氣的熱量使火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊玫教岣撸?/p>

圖4 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中累計(jì)燃燒放熱率的變化Fig.4 Variations of cumulative heat release in load transition

圖 5所示是缸內(nèi)廢氣率在變工況模式過(guò)渡過(guò)程中的變化規(guī)律．由于本文同時(shí)使用缸內(nèi)殘余廢氣和外部殘余廢氣2種廢氣，因此，先介紹一下2種廢氣在燃燒控制中的作用．文獻(xiàn)[13]指出，缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)燃燒過(guò)程的影響主要體現(xiàn)為熱作用、稀釋作用、熱容作用、化學(xué)作用和分層作用等幾個(gè)方面，其中熱作用是最重要的，因其提供的能量使得缸內(nèi)充量可以實(shí)現(xiàn)壓縮自燃，而稀釋作用更多的是體現(xiàn)在對(duì)放熱速度的控制上．綜合來(lái)看，內(nèi)部廢氣同時(shí)具有促進(jìn)燃燒和抑制燃燒兩方面呈現(xiàn)矛盾的作用．由于外部廢氣再循環(huán)只具備了廢氣的成分而沒(méi)有內(nèi)部廢氣的溫度，因而可以對(duì)內(nèi)部廢氣的矛盾特性進(jìn)行一定程度地解耦．通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外部廢氣的比例，可以強(qiáng)化廢氣某一方面的作用．在變工況模式過(guò)渡過(guò)程中，由于內(nèi)部廢氣熱量會(huì)引起自燃，如果不能控制自燃階段的放熱速度，會(huì)發(fā)生汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴燃燒，甚至發(fā)生爆震現(xiàn)象，同時(shí)為了加快放熱速度，提高熱效率，需要一定比例的內(nèi)部廢氣．反映在圖 5中，就是在變工況模式過(guò)渡中，隨著負(fù)荷的增加和燃燒模式的轉(zhuǎn)變，RGF呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，從HCCI邊界處的約30%下降到SI燃燒處的約 17%．明顯地，在 SI燃燒中，負(fù)荷越大，自燃越容易引起爆震現(xiàn)象，因此內(nèi)部廢氣率的降低勢(shì)在必行．但是由于要保證缸內(nèi)有足夠充量來(lái)填充缸內(nèi)容積，進(jìn)而控制負(fù)荷，為此，外部廢氣率被明顯提升．外部廢氣可以有效地控制燃燒速度，且避免爆震．隨著模式轉(zhuǎn)換過(guò)程的進(jìn)行，EGR逐漸增多．在整個(gè)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，缸內(nèi)廢氣總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化并不劇烈，隨著負(fù)荷的升高，以一定速度降低．這和HCCI燃燒中使用殘余廢氣率調(diào)節(jié)負(fù)荷的策略實(shí)現(xiàn)了連接．不過(guò)在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程的終點(diǎn)，缸內(nèi)燃燒雖然已經(jīng)轉(zhuǎn)化為 SI燃燒放熱，但是此時(shí)的廢氣率和放熱速度還是高于傳統(tǒng)的節(jié)氣門(mén)控制負(fù)荷的SI燃燒．

圖 5 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中殘余廢氣率、外部廢氣率和總廢氣率的變化Fig.5 Variations of RGF, EGR and total EGR in load transition

圖6 為在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中氣門(mén)參數(shù)的調(diào)整過(guò)程．縱坐標(biāo)分別是進(jìn)氣門(mén)峰值相位(intake valve peak，IVP)、排氣門(mén)峰值相位(exhaust valve peak，EVP)、進(jìn)氣門(mén)升程(intake lift，IL)和排氣門(mén)升程(exhaust lift，EL)這 4個(gè)氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制參數(shù)．明顯地，利用混合燃燒實(shí)現(xiàn)燃燒模式的逐步轉(zhuǎn)化可以通過(guò)氣門(mén)參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)．由于氣門(mén)升程控制的敏感性和準(zhǔn)確性要優(yōu)于氣門(mén)相位控制，因此氣門(mén)相位在模式過(guò)渡過(guò)程中是作為粗調(diào)參數(shù)來(lái)使用．在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，IVP和 EVP是朝著相互接近的方向單向移動(dòng)的，目的是減少氣門(mén)重疊負(fù)角和缸內(nèi)殘余廢氣率．而在過(guò)渡過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際燃燒控制的需要進(jìn)行精確微調(diào)的工作則由氣門(mén)升程來(lái)完成．在氣門(mén)升程中，由于排氣門(mén)升程的控制目的也只是殘余廢氣率，因此其和排氣門(mén)相位只需進(jìn)行協(xié)調(diào)，其任務(wù)也比較單一．相對(duì)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣升程的控制目的要復(fù)雜很多，除了要控制進(jìn)入缸內(nèi)的充量數(shù)量，還要兼顧泵氣損失和有效壓縮比．因此在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，進(jìn)氣門(mén)升程的變化是最為復(fù)雜的．由于其參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，因此，在控制策略中，實(shí)際的燃燒模式已不再重要，只需要事先完成氣門(mén)參數(shù)的標(biāo)定即可．

圖7反映了在工況模式過(guò)渡過(guò)程中，燃燒持續(xù)期和指示燃油消耗率的變化情況．從燃燒持續(xù)期的變化過(guò)程來(lái)看，變化過(guò)程為先增加后減?。紵掷m(xù)期的增加主要和快速的自燃放熱減少、火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程逐漸占據(jù)主導(dǎo)有關(guān)．持續(xù)期從HCCI邊界處的16° CA，快速增大．為了避免熱振蕩現(xiàn)象引起的循環(huán)變動(dòng)，在負(fù)荷等于 0.600,MPa附近，有意識(shí)調(diào)小有效壓縮比，抑制了自燃燃燒，因而，在該負(fù)荷附近，燃燒持續(xù)期會(huì)明顯長(zhǎng)于過(guò)渡過(guò)程的其他工況點(diǎn)．在越過(guò)了熱振蕩區(qū)域后，為了改善燃油經(jīng)濟(jì)性，燃燒控制的目的又轉(zhuǎn)化為在不發(fā)生爆震的前提下，盡量減小燃燒持續(xù)期．盡管一定比例的熱廢氣加快了火焰?zhèn)鞑サ乃俣龋荢I燃燒的燃燒持續(xù)期還是要長(zhǎng)于自燃比例較大的混合燃燒．對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性而言，隨著負(fù)荷的升高和自燃比例的減少，燃油經(jīng)濟(jì)性有一定程度的惡化．在達(dá)到IMEP為0.600,MPa后，指示燃油消耗率變化較?。贿^(guò)即使燃油經(jīng)濟(jì)性有所惡化，其熱效率也都達(dá)到了32%以上，較SI燃燒有明顯的改進(jìn)．

圖6 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中，進(jìn)排氣門(mén)參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)過(guò)程Fig.6 Variations of intake and exhaust valve parameters in load transition

圖8 所示為變工況模式過(guò)渡過(guò)程中，HC和NOx排放的變化規(guī)律．對(duì)于 HC排放而言，隨著負(fù)荷的升高，其當(dāng)量排放還是呈現(xiàn)了改善的趨勢(shì)．從 HCCI燃燒邊界處的 5,g/(kW·h)，下降到過(guò)渡終點(diǎn)的4,g/(kW·h)左右．這主要和火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的比例升高、缸內(nèi)燃燒溫度升高和燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)有關(guān)．而燃燒溫度的升高則可以從 NOx排放中得到驗(yàn)證．NOx排放明顯隨著負(fù)荷的增大而增大．負(fù)荷升高后，缸內(nèi)放熱量增大，而稀釋充量減少，缸內(nèi)溫度升高，從而NOx的生成量增加．雖然轉(zhuǎn)化完成后 SI燃燒的 NOx的生成量達(dá)到了5,g/(kW·h)左右，較HCCI燃燒的超低水平提高了很多，但相較于節(jié)氣門(mén)控制 SI燃燒22,g/(kW·h)的排放量，還是可以滿足“低溫”的要求．而且，在本技術(shù)路線中，三效催化器還可以正常使用．因此，法規(guī)排放物的排放問(wèn)題不會(huì)是實(shí)際應(yīng)用的限制因素．

圖 7 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中燃燒持續(xù)期和指示燃油消耗率的變化Fig.7 Variations of combustion duration and ISFC in load transition

圖8 變工況模式過(guò)渡過(guò)程中HC和NOx排放的變化Fig.8 Variations of HC and NOxin load transition

3 結(jié) 論

(1) 在工況變化的過(guò)程中，逐步完成2種燃燒模式的轉(zhuǎn)換是可行的．

(2) 利用內(nèi)外廢氣的耦合控制，可使變工況模式轉(zhuǎn)換所覆蓋負(fù)荷范圍內(nèi)的每個(gè)工況點(diǎn)都成為穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)．控制策略上的模式切換或過(guò)渡控制可被取消，代之以預(yù)先設(shè)計(jì)的氣門(mén)參數(shù)組合和廢氣率控制．

(3) 在變工況模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，HCCI燃燒利用廢氣調(diào)整負(fù)荷的策略得到保留和延伸．

(4) 由于要避免熱振蕩區(qū)帶來(lái)的循環(huán)變動(dòng)問(wèn)題，在燃燒控制上，需要對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程和自燃放熱的比例進(jìn)行有意識(shí)的調(diào)節(jié)．

(5) 在變工況模式過(guò)渡過(guò)程中，燃油經(jīng)濟(jì)性和NOx排放雖然較HCCI燃燒有所升高，但是和傳統(tǒng)SI燃燒相比，得到明顯改善．而隨著自燃放熱的減少，HC排放得到改善．

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Combustion Mode Transition Between HCCI and SI in Load Transition

CHEN Tao，XIE Hui，LI Le，YU Wei-fei，ZHANG Song，ZHAO Hua
(State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

In order to satisfy the request of vehicle engine，SI combustion still needs to be used beyond HCCI operating range. At present，all the methods of HCCI/SI combustion mode transition are realized at the same load，which increases controlling difficulties and brings load fluctuation. To solve the problem of mode transition，a gradual transition from HCCI to SI combustion in load transition was performed by using the variable valve actuation system and external exhaust gas recirculation，and the strategy that the load of engine is controlled by exhaust gas fraction in HCCI combustion was introduced into the SI combustion. The control strategy for all-load is simplified，due to the fact that the complicated control of mode switching has been eliminated.

mode transition；continuous load adjustment strategy；external exhaust gas recirculation；HCCI

TK401

A

0493-2137(2012)04-0367-06

2010-10-28；

2010-12-20.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007CB210004)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50776061).

陳 韜（1982— ），男，博士研究生，ct3399@163.com.

謝 輝，xiehui@tju.edu.cn.