变工况条件下HCCI/SI燃烧模式转换的实现

陈 韬，谢 辉，李 乐，虞卫飞，张 松，赵 华

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

变工况条件下HCCI/SI燃烧模式转换的实现

陈 韬，谢 辉，李 乐，虞卫飞，张 松，赵 华

(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

为了满足车用发动机的要求，在 HCCI燃烧的运行范围之外，仍需要使用火花点火(SI)燃烧模式．目前HCCI/SI模式转换的方法和策略都是在相同工况下完成的，这增加了控制上的难度并会带来负荷波动．针对此问题，采用全可变气门机构结合外部废气再循环的方法，在变工况条件下，完成 HCCI和 SI燃烧模式的转化．并将HCCI燃烧模式中废气率调整负荷的方法延伸进 SI燃烧控制中．由于在控制策略层面，采用模式过渡的方法，消除了HCCI/SI模式转换的概念，因而简化了控制策略．

模式转换；负荷连续过渡策略；外部废气再循环；HCCI

随着世界范围内环境问题的加剧，各国的环保法规日益严格，推动了内燃机领域科学技术的进步．高效、低污染的燃烧是全球内燃机工作者共同的追求．汽油机均质压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)燃烧技术以其同时具有高燃油经济性和低 NOx排放两方面的潜力，而受到了广泛的关注．汽油机 HCCI燃烧技术，利用汽油机均质充量的特点，引入柴油机压燃着火的概念，来改善燃油经济性和燃烧的循环变动．同时在相同负荷下，其燃烧室内存在较传统火花点火(spark ignition，SI)燃烧多得多的充量，因此燃烧时温度较传统 SI燃烧温度为低，其氮氧排放物 NOx产生量很小，大大减轻了对催化后处理器的依赖和要求[1-3]．但是汽油机 HCCI燃烧目前还受到工况范围狭小的限制．在 HCCI燃烧中，为了抑制过快放热而引起的燃烧粗暴现象，缸内需要足够的充量进行稀释，稀释充量必然会占据相当的缸内容积，因此整个燃烧室所容纳的用于做功的新鲜空气量必然受到限制，使得其在相同技术条件下运行的最大工况无法达到传统汽油机运行工况的上界[4]．于是，若要满足实际车用发动机的应用要求，HCCI燃烧和SI燃烧之间的模式转换就成为了必然的选择．

汽油机HCCI由于其控制放热的方法不同，主要分为3种路线：废气稀释当量空燃比燃烧、空气稀释过量空燃比燃烧和 2种稀释方法组合使用．这 3种路线在实际中应用，分别需要不同机构来实现，如空气稀释路线就需要加热器或者可变压缩比装置，混合路线通常需要直喷和凸轮转换机构；而废气稀释路线则需要全可变气门机构．无论是哪一种路线采用机构都会增加不少成本，当然效果上也会有所区别，因此费效比也是实际应用中需要考虑的问题之一．其中废气稀释当量空燃比燃烧主要特点是和传统SI燃烧承接性好，机械式全可变气门机构对成本增加较少，而且廉价高效的三效催化器可以继续使用，无需对后处理装置进行改变，具有满足更加严格排放法规的潜力．废气稀释路线的另一个特点是对油品成分要求不高，非常适合中国国情．短期内，废气稀释是最有可能在实际中得到应用的技术路线．本文将立足于废气稀释当量空燃比燃烧的路线，在全可变气门机构的技术条件下，开展HCCI和 SI模式转换的研究工作．

对于废气稀释HCCI燃烧来说，排气温度一般低于400,℃，内部残余废气率在40%以上；相应地，SI燃烧的排气温度在500,℃以上，内部残余废气率一般在10%以下．2种燃烧模式的缸内热状态和成分状态存在明显的阶跃．从目前国内外已经发表的研究结果来看，模式转换策略都是在同一负荷下(通常是HCCI的上边界)完成的．在应用中，以某一负荷为控制阈值，在此负荷之上采用SI控制策略；在此负荷之下采用HCCI控制策略，在控制阈值处，完成模式转换．模式转换过程主要有2种典型方法．一种模式切换的方法，最具代表性的技术装置是两阶段凸轮型线技术，即在一个循环内完成气门参数的转换，再在随后几个循环逐渐完成缸内成分和温度的转换和稳定[4-7]．如果采用合理的辅助控制手段和一些前馈调节，模式转换的速度和效果都是非常不错的，是目前国内外研究的主流路线之一．另一种路线是模式过渡的方法[8-10]，主要的技术装置是全可变气门机构，即在几个循环内，依靠全可变气门机构的调节能力，完成气门参数和缸内状态的协同调整．这个方法有利于减少发动机负荷的波动，本课题组之前的等负荷过渡策略研究[9]采用的就是这种方法．但是等负荷模式转换增加了发动机控制的难度和不可靠性，而且切换过程中也会带来发动机负荷波动、燃烧不稳定等情况．在实际运行中，模式过渡阈值工况的选择将会非常困难，同时瞬态响应的要求也对这种阶跃控制提出了极苛刻的要求．为此，笔者在本课题组研究结果的基础上，提出了依靠全可变气门机构和外部废气的协同调节，实现变工况燃烧模式过渡的方法．目的是在实际应用中，消除控制上的模式过渡问题，使得发动机工况的调整策略连续，简化控制策略，为 HCCI燃烧在实际中的应用扫清障碍．

1 试验装置和试验条件

试验用发动机是Ricardo Hydra单缸进气道喷射汽油机．为了提高对发动机缸内充量的控制能力，试验采用了可以实现发动机进排气相位和升程连续可调的4VVAS机构．在试验发动机进排气两侧各安装1套可变定时机构(BMW Vanos)和可变升程机构(BMW Valvetronics)，气门的正时和升程都可以独立连续调节，具备灵活控制气门运动的能力．其中可变升程机构在 BMW 公司原有机构的基础上进行了再设计，缩短了气门开启持续期，其气门运动曲线如图1所示．气门相位设定的参考点为进排气上止点，发动机的缸径和行程都为86,mm，排量为0.5,L，压缩比为 10.64．改装了发动机的进排气系统，安装了外部废气再循环的管路．本文为了区分内部废气和外部废气，用 RGF(residual gas fraction)来表示内部残余废气率，用 EGR(exhaust gas recirculation)来表示外部废气再循环率．

图1 4VVAS气门升程曲线Fig.1 Valve lift profiles of the 4VVA system

在整个试验过程中，节气门全开，单纯依靠改变进排门的定时和升程，改变缸内残余废气率和新鲜充量数，进而改变缸内成分和热状态来控制发动机的负荷和燃烧过程．为了减小冷却水温和润滑油温对HCCI燃烧过程的影响，试验时分别将冷却水温和润滑油温控制在(80±1)℃和(50±1)℃．

在试验中，空燃比始终设定为理论空燃比．空燃比的控制使用 ETAS公司的线性氧传感器．废气分析使用 Horiba公司的 MEXA-7100DEGR型废气分析仪．外部废气再循环率也是使用该废气分析仪测得．使用了 Kistler公司生产的 6225b型缸压传感器测量缸内压力并计算平均指示压力及相应的燃烧信息．试验用燃料为93#汽油．

2 试验结果和分析

在目前的研究进展下[11]，全可变机构控制下的SI燃烧废气稀释极限已经较传统节气门控制的SI燃烧有了显著的提高，从常规不到 10%，最大提高到30%，如图2所示．因此HCCI燃烧和SI燃烧之间废气率和温度的差距已经不是完全不可逾越．如图中箭头所示，1是模式切换策略的路径，先完成废气率的转换然后补偿废气温度的热惯性．图中箭头 2表示模式过渡的路径，其废气率和废气温度的调节协同进行，而其为了维持燃烧稳定和负荷恒定，运行路径也采用了迂回的方法．本文计划的路径是图中箭头 3所示的路径．该路径可以看作是 HCCI燃烧中，废气率控制负荷策略的延伸．方法依然是依靠调整缸内总的废气率，改变进入缸内新鲜充量的总数，进而控制负荷．在 HCCI运行范围之外，采用混合燃烧(又称火花辅助 HCCI)的燃烧方式作为转换过程中的桥梁．在逐步增大负荷的同时，减小自燃占总放热量中的比例，来控制不正常的放热速度．其中对放热速度的调节，是依靠改变内外部废气的比例来实现的．负荷控制通过改变内外总废气的总量来控制．

图2 HCCI燃烧和SI燃烧之间废气率和排气温度的差距Fig.2 Differences of RGF and exhaust temperatures between SI combustion and HCCI combustion

使用 1,500,r/min下的变工况模式过渡实例来展示具体的实现过程．在1 500 r/min转速下，HCCI的负荷上限为平均指示压力(indicated mean effective pressure，IMEP)pe，pe=0.500,MPa[12]．于是，本文研究的模式过渡的起点就选在IMEP为0.500,MPa．模式过渡过程的终点则选在自燃完全消失的工况点，在这组数据中 IMEP为 0.664,MPa．采用该方法，则过渡过程中的每个工况点都可以是稳态工况点，因此调整过程从IMEP为0.500,MPa出发，大约每调整0.030 MPa，记录 1个稳态工况数据用于分析，直至燃烧完全转变到传统 SI燃烧．图 3所示是变工况过渡中相邻工况点间缸压曲线的对比．从图 3中可以看出，随着负荷的增大，HCCI燃烧的特性逐渐消失．主要体现在 2个方面．第一，在主燃烧期之前，自燃着火燃烧过程由于存在一个负温度系数区，在缸压曲线上会出现一个压力升高率变缓的过程，等到自燃发生时，缸内压力会得到一个更迅速的提高．在最初几个工况点，还可以明显观察出这一现象．当负荷达到0.60,MPa左右时，该现象就已经不明显了，而负荷达到 0.664,MPa时，则完全消失，缸压曲线呈现了明显的SI特征．第二，由于初始点是HCCI燃烧的负荷上边界，因此，该点在进排气上止点附近，存在明显的废气重压峰．随着负荷的升高，燃烧开始向 SI方向转化，此时不再需要那么多的缸内热废气，重压峰明显呈现降低的趋势，到燃烧模式转化结束，重压峰完全消失．缸压的变化过程说明燃烧模式的转换确实是和负荷变化同时进行的．

图3 变工况模式过渡过程中缸内压力的变化Fig.3 Pressure variations of the successive operation point in load transition

为了进一步说明燃烧模式的转化过程，各工况点的累积燃烧放热率变化如图4所示．累积燃烧放热率可以有效地反映出燃烧放热的特征．从图4中可以看出，在初始的HCCI燃烧工况点，放热速度非常快，累积放热率曲线斜率非常陡．而随着燃烧模式转化的开始，放热速度明显开始下降，主要表现为累积放热率曲线的斜率降低，且变化明显．此时为了避免过快燃烧引起的爆震现象，且维持燃烧稳定，需要引入一定比例的 SI燃烧．同时为了追求较好的燃油经济性，一定比例的自燃被保留下来．因为自燃可以加快放热速度，使燃烧的等容性增大，从而提高热效率．但是当负荷继续增大，由于发动机爆震的限制，自燃比例呈减少趋势．模式转化过程在负荷达到 0.600 MPa附近，需要穿越热振荡带，此时为了避免过大的循环变动，稳定燃烧过程，自燃比例被大大减少了．达到模式转换过程的终点时，发动机的放热速度较HCCI明显变长了，完全呈现了SI的放热特征，但是其放热速度还是较传统的 SI燃烧速度快．主要是由于缸内存在相当比例的热废气，废气的热量使火焰传播速度得到提高．

图4 变工况模式过渡过程中累计燃烧放热率的变化Fig.4 Variations of cumulative heat release in load transition

图 5所示是缸内废气率在变工况模式过渡过程中的变化规律．由于本文同时使用缸内残余废气和外部残余废气2种废气，因此，先介绍一下2种废气在燃烧控制中的作用．文献[13]指出，缸内残余废气对燃烧过程的影响主要体现为热作用、稀释作用、热容作用、化学作用和分层作用等几个方面，其中热作用是最重要的，因其提供的能量使得缸内充量可以实现压缩自燃，而稀释作用更多的是体现在对放热速度的控制上．综合来看，内部废气同时具有促进燃烧和抑制燃烧两方面呈现矛盾的作用．由于外部废气再循环只具备了废气的成分而没有内部废气的温度，因而可以对内部废气的矛盾特性进行一定程度地解耦．通过调节内外部废气的比例，可以强化废气某一方面的作用．在变工况模式过渡过程中，由于内部废气热量会引起自燃，如果不能控制自燃阶段的放热速度，会发生汽油发动机的粗暴燃烧，甚至发生爆震现象，同时为了加快放热速度，提高热效率，需要一定比例的内部废气．反映在图 5中，就是在变工况模式过渡中，随着负荷的增加和燃烧模式的转变，RGF呈现明显下降的趋势，从HCCI边界处的约30%下降到SI燃烧处的约 17%．明显地，在 SI燃烧中，负荷越大，自燃越容易引起爆震现象，因此内部废气率的降低势在必行．但是由于要保证缸内有足够充量来填充缸内容积，进而控制负荷，为此，外部废气率被明显提升．外部废气可以有效地控制燃烧速度，且避免爆震．随着模式转换过程的进行，EGR逐渐增多．在整个模式转换过程中，缸内废气总的质量分数变化并不剧烈，随着负荷的升高，以一定速度降低．这和HCCI燃烧中使用残余废气率调节负荷的策略实现了连接．不过在这个过渡过程的终点，缸内燃烧虽然已经转化为 SI燃烧放热，但是此时的废气率和放热速度还是高于传统的节气门控制负荷的SI燃烧．

图 5 变工况模式过渡过程中残余废气率、外部废气率和总废气率的变化Fig.5 Variations of RGF, EGR and total EGR in load transition

图6 为在这个过渡过程中气门参数的调整过程．纵坐标分别是进气门峰值相位(intake valve peak，IVP)、排气门峰值相位(exhaust valve peak，EVP)、进气门升程(intake lift，IL)和排气门升程(exhaust lift，EL)这 4个气门机构控制参数．明显地，利用混合燃烧实现燃烧模式的逐步转化可以通过气门参数的连续调节来实现．由于气门升程控制的敏感性和准确性要优于气门相位控制，因此气门相位在模式过渡过程中是作为粗调参数来使用．在这个过渡过程中，IVP和 EVP是朝着相互接近的方向单向移动的，目的是减少气门重叠负角和缸内残余废气率．而在过渡过程中，根据实际燃烧控制的需要进行精确微调的工作则由气门升程来完成．在气门升程中，由于排气门升程的控制目的也只是残余废气率，因此其和排气门相位只需进行协调，其任务也比较单一．相对来说，进气升程的控制目的要复杂很多，除了要控制进入缸内的充量数量，还要兼顾泵气损失和有效压缩比．因此在整个过渡过程中，进气门升程的变化是最为复杂的．由于其参数的连续调节得以实现，因此，在控制策略中，实际的燃烧模式已不再重要，只需要事先完成气门参数的标定即可．

图7反映了在工况模式过渡过程中，燃烧持续期和指示燃油消耗率的变化情况．从燃烧持续期的变化过程来看，变化过程为先增加后减小．燃烧持续期的增加主要和快速的自燃放热减少、火焰传播过程逐渐占据主导有关．持续期从HCCI边界处的16° CA，快速增大．为了避免热振荡现象引起的循环变动，在负荷等于 0.600,MPa附近，有意识调小有效压缩比，抑制了自燃燃烧，因而，在该负荷附近，燃烧持续期会明显长于过渡过程的其他工况点．在越过了热振荡区域后，为了改善燃油经济性，燃烧控制的目的又转化为在不发生爆震的前提下，尽量减小燃烧持续期．尽管一定比例的热废气加快了火焰传播的速度，但是SI燃烧的燃烧持续期还是要长于自燃比例较大的混合燃烧．对于燃油经济性而言，随着负荷的升高和自燃比例的减少，燃油经济性有一定程度的恶化．在达到IMEP为0.600,MPa后，指示燃油消耗率变化较小．不过即使燃油经济性有所恶化，其热效率也都达到了32%以上，较SI燃烧有明显的改进．

图6 变工况模式过渡过程中，进排气门参数的连续调节过程Fig.6 Variations of intake and exhaust valve parameters in load transition

图8 所示为变工况模式过渡过程中，HC和NOx排放的变化规律．对于 HC排放而言，随着负荷的升高，其当量排放还是呈现了改善的趋势．从 HCCI燃烧边界处的 5,g/(kW·h)，下降到过渡终点的4,g/(kW·h)左右．这主要和火焰传播过程的比例升高、缸内燃烧温度升高和燃烧持续期变长有关．而燃烧温度的升高则可以从 NOx排放中得到验证．NOx排放明显随着负荷的增大而增大．负荷升高后，缸内放热量增大，而稀释充量减少，缸内温度升高，从而NOx的生成量增加．虽然转化完成后 SI燃烧的 NOx的生成量达到了5,g/(kW·h)左右，较HCCI燃烧的超低水平提高了很多，但相较于节气门控制 SI燃烧22,g/(kW·h)的排放量，还是可以满足“低温”的要求．而且，在本技术路线中，三效催化器还可以正常使用．因此，法规排放物的排放问题不会是实际应用的限制因素．

图 7 变工况模式过渡过程中燃烧持续期和指示燃油消耗率的变化Fig.7 Variations of combustion duration and ISFC in load transition

图8 变工况模式过渡过程中HC和NOx排放的变化Fig.8 Variations of HC and NOxin load transition

3 结 论

(1) 在工况变化的过程中，逐步完成2种燃烧模式的转换是可行的．

(2) 利用内外废气的耦合控制，可使变工况模式转换所覆盖负荷范围内的每个工况点都成为稳态工况点．控制策略上的模式切换或过渡控制可被取消，代之以预先设计的气门参数组合和废气率控制．

(3) 在变工况模式转换过程中，HCCI燃烧利用废气调整负荷的策略得到保留和延伸．

(4) 由于要避免热振荡区带来的循环变动问题，在燃烧控制上，需要对火焰传播过程和自燃放热的比例进行有意识的调节．

(5) 在变工况模式过渡过程中，燃油经济性和NOx排放虽然较HCCI燃烧有所升高，但是和传统SI燃烧相比，得到明显改善．而随着自燃放热的减少，HC排放得到改善．

［1］ Zhao F，Asmus T W，Assanis D N，et al. Homogenous Charge Compression Ignition(HCCI)Engine：Key Research and Development Issues[M]. Michigan：Societyof Automotive Engineers，Inc，2002.

［2］ Li J，Zhao H，Ladommatos N，et al. Research and development of controlled auto-ignition(CAI) combustion in a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2001，2001-01-3608.

［3］ Zhao H，Li J，Ma T，et al. Performance and analysis of a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine with CAI combustion[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2002，2002-01-0420.

［4］ 田国弘，王 志，葛强强，等. 缸内直喷汽油机 SIHCCI-SI燃烧模式切换的研究[J]. 内燃机学报，2007，25(3)：229-234.

Tian Guohong，Wang Zhi，Ge Qiangqiang，et al. Study of SI-HCCI-SI mode switching in a GDI engine[J]. Transactions of CSICE，2007，25(3)：229-234(in Chinese).

［5］ Santoso H，Matthews J，Cheng W K. Managing SI/HCCI dual-mode engine operation[J]. SAE Transactions，2005，114(3)：353-363.

［6］ Fuerhapter A，Piock W F，Fraidl G K. CSI-controlled auto ignition：The best solution for the fuel consumption：Versus emission trade-off?[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2003，2003-01-0754.

［7］ Xu H，Rudolph S，Liu Z，et al. An investigation into the operating mode transition of a homogeneous charge compression ignition engine using EGR trapping[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2004，2004-01-1911.

［8］ 周能辉，谢 辉，张 岩，等. 汽油 HCCI发动机HCCI/SI模式过渡控制的研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34(6)：13-15.

Zhou Nenghui，Xie Hui，Zhang Yan，et al. Research on HCCI/SI mode transition control of gasoline HCCI engine[J]. Tractor & Farm Transporter，2007， 34(6)：13-15(in Chinese).

［9］ 张 岩，谢 辉，周能辉，等. 4VVAS双模式发动机SI-HCCI燃烧模式过渡研究[J]. 内燃机学报，2008，26(1)：29-35.

Zhang Yan，Xie Hui，Zhou Nenghui，et al. Study of SI-HCCI-SI transition on a port fuel injection engine equipped with 4VVAS[J]. Transactions of CSICE，2008，26(1)：29-35(in Chinese).

［10］ Hiromu Kakuya，Shiro Yamaoka-Hitachi，Kengo Kumano，et al. Investigation of a SI-HCCI combustion switching control method in a multi-cylinder gasoline engine[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2008，2008-01-0792.

［11］ 胡顺堂. 全可变气门机构汽油机泵气损失控制及对燃烧过程的影响[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2009.

Hu Shuntang. The Control of Pumping Loss and the Effect on Combustion Process of a Gasoline Engine with Fully Variable Valve Actuators[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2009(in Chinese).

［12］ 陈 韬，拓展汽油机 HCCI燃烧运行范围的试验研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2007.

Chen Tao. Experiment Research on Extending the Operation Range of Gasoline HCCI Combustion[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2007(in Chinese).

［13］ Zhao Hua，Peng Z，Williams J，et al. Understanding the effects of recycled burnt gases on the controlled autoignition(CAI)combustion in four-stroke gasoline engines[C]// SAE Paper. Detroit，USA，2001，2001-01-3607.

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.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB210004)；国家自然科学基金资助项目(50776061).

陈 韬（1982— ），男，博士研究生，ct3399@163.com.

谢 辉，xiehui@tju.edu.cn.