基于變氣管理的hcci燃燒過程控制研究

基于變氣管理的hcci燃燒過程控制研究

hcci燃燒過程hcci燃燒對提高汽油車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和nox排放水平的能力越來越受到重視。近些年來,不同的研究者發(fā)現(xiàn)基于內(nèi)部廢氣策略的4沖程發(fā)動機(jī)可以使用傳統(tǒng)SI發(fā)動機(jī)的壓縮比而且無需輔助的進(jìn)氣加熱等設(shè)備就可以實現(xiàn)HCCI燃燒模式,是一種非常有效的手段。內(nèi)部殘余廢氣重壓縮策略是利用可變氣門運(yùn)動機(jī)構(gòu),使用排氣門早關(guān)的方法,利用氣門重疊負(fù)角捕捉已燃廢氣在缸內(nèi),在進(jìn)氣門打開之前,留在缸內(nèi)的廢氣會重新進(jìn)行壓縮,這樣利用廢氣的能量加熱新鮮充量,使得缸內(nèi)總工質(zhì)壓縮到上止點(diǎn)時,可以達(dá)到混合氣自燃著火的條件,缸內(nèi)混合氣多點(diǎn)著火,形成HCCI燃燒。趙華教授通過研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)部殘余廢氣對燃燒主要有以下作用:加熱、稀釋、熱容、化學(xué)和分層。其中加熱作用、化學(xué)作用和分層效應(yīng)對燃燒主要起促進(jìn)的作用,而其他的作用都對燃燒有所抑制。對HCCI來說,內(nèi)部廢氣的加熱作用無疑是主要的,因為其對充量自燃起到?jīng)Q定性的影響。目前利用氣門運(yùn)動控制廢氣循環(huán)的方法被認(rèn)為是最容易實現(xiàn)HCCI燃燒的方法。但是HCCI仍然面臨著燃燒過程的控制困難等問題。因為在HCCI燃燒過程中,廢氣不僅僅作為加熱劑存在,還作為減緩放熱速度的稀釋劑和調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)負(fù)荷容積的填充劑而存在。廢氣這種一舉多得的作用,既提供了很多便利,也帶來一些限制。發(fā)動機(jī)的負(fù)荷主要與缸內(nèi)新鮮充量的數(shù)量有關(guān),這樣對于相同負(fù)荷而言,缸內(nèi)殘余廢氣率就是確定的。而且由于負(fù)荷相同,留在缸內(nèi)用于加熱新鮮充量的廢氣能量也是相同的。雖然這為控制HCCI燃燒過程提供了便利,但是缺乏對燃燒過程控制的靈活性。如果要合理地控制發(fā)動機(jī)的燃燒過程,需要有技術(shù)手段可以根據(jù)不同的需要,改變發(fā)動機(jī)的熱力過程,靈活地控制發(fā)動機(jī)的著火時刻和燃燒持續(xù)期。為此,很多研究者在不同方面作出了努力。主要采用的技術(shù)手段有:火花輔助點(diǎn)火、缸內(nèi)燃油直接噴射、可變壓縮比和外部廢氣再循環(huán)等方法。利用這些方法都可以干預(yù)缸內(nèi)的熱力學(xué)過程,進(jìn)而達(dá)到相對靈活控制發(fā)動機(jī)燃燒過程的目的。在這些方法中,外部廢氣再循環(huán)在傳統(tǒng)的汽油機(jī)和柴油機(jī)中應(yīng)用很多,積累了大量的控制和匹配經(jīng)驗,所以在HCCI燃燒中應(yīng)用不存在技術(shù)難點(diǎn),而且可以充分利用原先廢氣重壓縮策略的優(yōu)點(diǎn),并且也無需投入太多的成本。因此,使用外部廢氣再循環(huán)和內(nèi)部殘余廢氣耦合控制汽油HCCI燃燒過程是優(yōu)化HCCI燃燒過程的最佳方案之一。1vvais機(jī)構(gòu)試驗用發(fā)動機(jī)是RicardoHydra單缸進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)。為了實現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣相位和升程的連續(xù)可調(diào),將RicardoHydra單缸4氣門進(jìn)氣道噴射試驗發(fā)動機(jī)缸蓋改換為自行設(shè)計的缸蓋,進(jìn)排氣兩側(cè)各安裝BMW公司的可變定時機(jī)構(gòu)和可變升程機(jī)構(gòu),使進(jìn)排氣門的正時在60°CA范圍內(nèi),升程從0.3mm到9mm;都可以實現(xiàn)連續(xù)而獨(dú)立地調(diào)節(jié),真正具備靈活地控制氣門運(yùn)動的能力,稱之為4VVAS機(jī)構(gòu)。發(fā)動機(jī)的缸徑和行程都為86mm,排量為0.5L,壓縮比為10.64。改進(jìn)了發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng),安裝了外部廢氣再循環(huán)的管路。在整個試驗過程中,節(jié)氣門全開。為了減小冷卻水溫和潤滑油溫對HCCI燃燒過程的影響,試驗時分別將冷卻水溫和潤滑油溫分別控制在(80±1)℃和(50±1)℃。試驗中采用30kW的交流電力測功機(jī)倒拖發(fā)動機(jī)起動,利用火花點(diǎn)火模式著火,經(jīng)過幾個循環(huán),缸內(nèi)留有充足的高溫殘余廢氣,燃燒穩(wěn)定后,關(guān)閉點(diǎn)火電路,發(fā)動機(jī)便可以在HCCI燃燒模式下穩(wěn)定地運(yùn)行。在試驗中,通過調(diào)整噴油脈寬的方法來控制空燃比?？杖急鹊目刂剖褂肂osch公司的開關(guān)式氧傳感器。而進(jìn)氣量的測量則采用熱膜式質(zhì)量流量計。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得外部廢氣與新鮮進(jìn)氣量的體積比率,即ηeEGR=VeEGRVair×100%ηeEGR=VeEGRVair×100%式中:VeEGR為外部廢氣的體積;Vair為新鮮空氣的體積。試驗用燃料為93號無鉛汽油。2試驗結(jié)果與討論2.1外部廢氣的影響在HCCI運(yùn)行工況范圍內(nèi),相同的負(fù)荷下,以燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),可以得到最優(yōu)的內(nèi)部廢氣與外部廢氣的比例。利用外部廢氣和內(nèi)部廢氣對汽油HCCI燃燒進(jìn)行耦合控制,優(yōu)化燃燒過程。在2000r/min下,對于平均指示壓力為0.228MPa這個中等負(fù)荷點(diǎn),分析通過采用不同的氣門參數(shù)和外部廢氣率進(jìn)行耦合控制效果。因為進(jìn)氣門晚關(guān)可以影響有效壓縮比,有效壓縮比又可以在一定程度上影響HCCI發(fā)動機(jī)的著火時刻。為了將有效壓縮比的影響剝離出去,將進(jìn)氣門關(guān)閉時刻(IVC)固定。試驗中,過量空氣系數(shù)控制為1。如圖1所示,對于不同的外部廢氣率,相同負(fù)荷下,著火點(diǎn)(CA10表示累積放熱率為10%所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角)呈現(xiàn)一種推遲的趨勢,燃燒持續(xù)期也單調(diào)變長了。相同負(fù)荷下,盡管引入了一定量的外部廢氣,但是進(jìn)氣量變化不大。隨著外部廢氣量的增加,內(nèi)部廢氣質(zhì)量百分比則呈現(xiàn)降低的趨勢,如圖2所示。這主要是因為在負(fù)荷相同的時候,進(jìn)氣量相差并不大,相應(yīng)的也就需要大致相同的廢氣作為缸內(nèi)容積的填充劑,所以當(dāng)外部再循環(huán)的廢氣變多的時候,內(nèi)部殘余廢氣率就會相應(yīng)的減少。當(dāng)發(fā)動機(jī)的實際壓縮比確定后,在新鮮進(jìn)氣量和總的廢氣量變化不大的情況下,調(diào)整外部廢氣和內(nèi)部廢氣的比率,其實就是用一部分冷的外部廢氣來取代一部分熱的內(nèi)部廢氣。由于外部廢氣的溫度幾乎和新鮮進(jìn)氣一樣,這樣對新鮮充量加熱完全依靠留在缸內(nèi)的熱廢氣。外循環(huán)的廢氣越多,留在缸內(nèi)的廢氣就越少,這樣內(nèi)部廢氣加熱能力越弱,在相同的負(fù)荷下,可以改變進(jìn)氣門關(guān)閉時刻的溫度(TIVC),進(jìn)而改變發(fā)動機(jī)的熱力過程,使著火時刻推遲和燃燒持續(xù)期增長。所以運(yùn)用外部廢氣再循環(huán)這個手段只可能使發(fā)動機(jī)的著火時刻推遲,無助于需要著火時刻提前的工況點(diǎn)。但是,實際上,外部廢氣的影響并不是如此簡單。下面通過分析加入外部廢氣后缸內(nèi)溫度歷程的變化闡述外部廢氣的影響。外部廢氣作用和內(nèi)部廢氣相比主要有兩個明顯的區(qū)別:(1)外部廢氣通過外部再循環(huán)的管路再回到缸內(nèi),使其溫度降低。又由于其數(shù)量很少,幾乎不對新鮮進(jìn)氣產(chǎn)生加熱作用;(2)外部廢氣是在進(jìn)氣管內(nèi)與新鮮充量預(yù)混以后才進(jìn)入缸內(nèi),不存在內(nèi)部廢氣的分層效應(yīng)。就廢氣的稀釋作用和熱容作用而言,外部廢氣和內(nèi)部廢氣是相同的。外部廢氣已基本上不具備內(nèi)部廢氣對燃燒的促進(jìn)作用,但是所有廢氣對燃燒阻礙作用,外部廢氣都具備。由于和新鮮充量充分混合,在某種意義上阻礙能力還要大于內(nèi)部廢氣。明顯地,只要在上止點(diǎn)附近缸內(nèi)溫度和成分條件可以滿足壓縮著火的初始條件,發(fā)動機(jī)的HCCI燃燒模式就可以實現(xiàn)。而對于留在缸內(nèi)的廢氣能量來說,總是多于這一基本條件。而HCCI模式的新鮮充量則是空氣和燃油按照理論化學(xué)當(dāng)量比混合的。所以無論是溫度條件還是成分條件都為加入外部EGR調(diào)整燃燒過程留下了空間。如圖3所示,當(dāng)加入少量殘余廢氣后,進(jìn)氣門關(guān)閉時刻缸內(nèi)溫度較沒有外部廢氣時低,這主要是少量的外部廢氣取代了一部分內(nèi)部廢氣,而此時內(nèi)部廢氣的溫度也有一定程度的降低,造成混合氣的溫度降低。但是隨著外部廢氣的增多,發(fā)動機(jī)的排氣溫度增加,造成隨著外部廢氣的增多進(jìn)氣門關(guān)閉時刻溫度逐漸上升。這主要是由于隨著外部廢氣增多,燃燒始點(diǎn)推后,更多的熱量在上止點(diǎn)后發(fā)出。由于進(jìn)氣量相似,混合氣放熱能力也相差很小,這樣排氣門打開時,不同的燃燒時刻意味著缸內(nèi)充量的膨脹過程進(jìn)行的程度就不同。對于在燃燒開始較晚的工況,排到排氣道內(nèi)的氣體溫度就會升高。由于排除了有效壓縮比的影響,從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻到上止點(diǎn)前20°CA左右,無論有無外部廢氣的存在,熱力過程都可以視為一個絕熱壓縮過程。最后表征燃燒的是,燃燒明顯開始所對應(yīng)的缸內(nèi)溫度條件,即對應(yīng)累積燃燒放熱率為10%的曲軸轉(zhuǎn)角下的缸內(nèi)溫度(Tcomb)。由圖3可知,隨著殘余廢氣的加入,缸內(nèi)著火時刻的溫度開始變化不大,但是外部廢氣的加入到一定程度,燃燒開始的溫度有明顯的提高,這主要是由于外部廢氣作為一種獨(dú)立存在的成分,本身會抑制燃燒反應(yīng)的發(fā)生。雖然當(dāng)外部廢氣量較少時,對應(yīng)整個缸內(nèi)充量來說其密度較小,對發(fā)動機(jī)的燃燒過程影響不大,但是外部廢氣一旦增加到一定程度,對于大致相同的進(jìn)氣量,單位體積內(nèi)更多的外部廢氣會明顯抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行,造成劇烈燃燒反應(yīng)發(fā)生時所需要的溫度升高,使得著火時刻進(jìn)一步推后。雖然此時由于燃燒開始時刻過晚,造成排氣溫度的升高,進(jìn)而也造成TIVC的升高,但是不足以彌補(bǔ)外部廢氣作為燃燒抑制成分所帶來的效果。當(dāng)然這種情況通常發(fā)生在燃燒時刻推遲到上止點(diǎn)以后。HCCI燃燒的特點(diǎn)之一就是燃燒過程受到化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的控制,對缸內(nèi)的溫度和成分條件十分依賴。因此對HCCI燃燒過程的控制也缺乏直接的手段。對于使用內(nèi)部殘余廢氣控制燃燒過程的HCCI來說,輔助使用外部廢氣再循環(huán)方法,調(diào)整外部廢氣和內(nèi)部廢氣之間的比例關(guān)系,利用外部廢氣對缸內(nèi)溫度和成分的影響,可以較為靈活地控制HCCI燃燒過程的進(jìn)行,擺脫單一手段造成的束縛。并在此過程中,通過優(yōu)化內(nèi)外部廢氣之間的比例關(guān)系,可以得到對于某個工況最優(yōu)的燃燒過程,相應(yīng)地優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性和排放性指標(biāo)。當(dāng)然不同的工況點(diǎn)最優(yōu)的著火時刻和著火持續(xù)期是變化的,意味著不同的工況點(diǎn)需要不同內(nèi)外廢氣比例,用來耦合控制燃燒過程。2.2廢氣的耦合控制對燃燒放熱的影響仍以轉(zhuǎn)速為2000r/min,平均指示壓力為0.228MPa這個中等負(fù)荷點(diǎn)為例,說明外部廢氣和內(nèi)部廢氣耦合控制HCCI燃燒過程的效果。相應(yīng)地,由于外部廢氣增多,著火時刻的推遲,燃燒持續(xù)期增加。對于大致相同的燃油來說,放熱速度變慢。燃燒的最大爆發(fā)壓力和最大壓升率都單調(diào)地下降,如圖4所示。使用外部廢氣可以降低對HCCI發(fā)動機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度的要求,合理控制燃燒速度。這無疑對改善發(fā)動機(jī)的機(jī)械負(fù)荷,減少發(fā)動機(jī)的噪聲有很大的益處。由于外部廢氣率的改變,相同的負(fù)荷有著不同著火時刻和不同的燃燒持續(xù)期。這樣必然存在一個最優(yōu)的熱力過程,此時可以得到最佳的經(jīng)濟(jì)性。如圖5所示,在這個負(fù)荷下,外部廢氣與新鮮空氣的比例為9.47%時,油耗最好。此時外部廢氣占缸內(nèi)總工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.62%,內(nèi)部廢氣與外部廢氣的質(zhì)量比為26∶1。此時相對于沒有外部廢氣循環(huán)的時候,著火時刻推遲了一些,燃燒持續(xù)期也增長了。說明單純使用內(nèi)部廢氣并不能充分發(fā)揮HCCI燃燒在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢。相對于其它幾個工況點(diǎn),此時外部廢氣在缸內(nèi)總工質(zhì)的百分比比較高,但是并不是最高的,說明外部廢氣的作用效果也不是越多就越好。使用外部廢氣與內(nèi)部廢氣的耦合控制可以使得HCCI燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。顯然,如果著火開始過早,就會有很多放熱發(fā)生在上止點(diǎn)之前,如此會產(chǎn)生一定的壓縮負(fù)功,使得油耗升高。如果著火過晚,燃燒持續(xù)期變得過長,散熱損失增大,也不利于減少燃油消耗。只有在合適的時候燃燒放熱才能得到最佳的油耗。但是不同的工況點(diǎn)最適合的燃燒過程并不相同,這樣最佳的外部廢氣再循環(huán)率也是不同的。對于內(nèi)外部廢氣的耦合控制來說,需要根據(jù)工況的不同實時的調(diào)整。從圖5中,還可以看出,使用內(nèi)外部廢氣的耦合控制不但可以優(yōu)化燃燒過程,也有助于合理控制氣門運(yùn)動參數(shù),降低發(fā)動機(jī)的泵氣損失(PMEP)。在3種法規(guī)排放物中,CO是碳?xì)浠衔锶剂显谌紵^程中生成的重要中間產(chǎn)物。CO排放主要和化學(xué)反應(yīng)的溫度條件、反應(yīng)持續(xù)時間和缸內(nèi)成分有關(guān)。當(dāng)空燃比確定時,CO排放水平基本上受燃燒溫度和持續(xù)時間的影響。對于相同的負(fù)荷點(diǎn),當(dāng)少量的外部廢氣加入以后,雖然缸內(nèi)初始溫度降低,燃燒時刻滯后,燃燒持續(xù)期增長,放熱減慢,但是提供給CO進(jìn)行氧化反應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角較廣,缸內(nèi)燃燒溫度區(qū)別也不大,所以CO排放變化不大。當(dāng)燃燒時刻推遲到一定程度以后,雖然缸內(nèi)溫度有所升高,但是由于反應(yīng)進(jìn)行的較晚,當(dāng)排氣門打開的時候,有相當(dāng)?shù)娜剂蠜]有完全氧化,造成CO排放的明顯增加,如圖6所示。與傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火(SI)發(fā)動機(jī)相比,HCCI燃燒模式下的已燃?xì)怏w的溫度很低,而且在缸內(nèi)還有很多淬熄的混合氣,這些都造成了HCCI燃燒模式的HC排放高于傳統(tǒng)的SI模式。而HC排放并沒有隨著外部廢氣的加入而呈現(xiàn)明顯的增加,相反在取得最佳油耗工況點(diǎn)也取得了一個最低HC排放值,不過幾個點(diǎn)的HC排放變化并不大。HC排放的降低與燃燒優(yōu)化有關(guān),但對于HCCI燃燒來說HC排放始終處于較高的水平是因為其較低燃燒溫度所致。但是較低燃燒溫度也帶來了NOx排放水平降低的優(yōu)點(diǎn)。為了控制HCCI燃燒速度,采用了內(nèi)部廢氣再循環(huán)方式來稀釋混合氣。大量廢氣的存在增加了缸內(nèi)工質(zhì)的比熱容,所以燃燒單位質(zhì)量的燃料缸內(nèi)溫度提高的較少。相對較低的燃燒溫度阻礙了NOx的生成。而且HCCI燃燒模式的燃燒持續(xù)期較傳統(tǒng)的SI模式短,燃燒進(jìn)行的很快,高溫持續(xù)的時間也很短,不利于生成NOx化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,NOx的生成量也會減小。所以HCCI燃燒模式下,NOx排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的SI模式。從圖6中可以看出NOx排放隨著外部廢氣率的改變,進(jìn)一步單調(diào)的減少。主要得益于加入外部廢氣后,對氧化反應(yīng)的進(jìn)行起到了進(jìn)一步抑制作用。如果不通過催化就可以得到滿足排放法規(guī)對NOx的要求,就可以降低對催化劑中貴金屬的需求,有助于降低成本。而使用HCCI燃燒方式,并引入外部廢氣再循環(huán)的方法無疑是一種有效途徑。有了外部廢氣再循環(huán)的手段以后,可以有效控制燃燒強(qiáng)度,控制著火時刻和放熱速度,有效避免爆震現(xiàn)象的發(fā)生。這樣就可以使用更高的壓縮比來提高整個發(fā)動機(jī)的效率,進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。使用不同外部廢氣率在不同的氣門參數(shù)下可以達(dá)到相同的