基于燃料设计和喷射管理的汽油均质压燃燃烧与控制研究

均质压燃(HCCI)技术可以显著降低发动机燃油油耗和污染物排放,是发动机研究的一个重要方向。但当前均质压燃发动机仍面临着运行负荷范围较小、燃烧控制难度较大等问题,使得HCCI发动机的实际量产应用受到限制。如何解决均质压燃技术工程应用的技术挑战,一直是近年来均质压燃发动机技术研究的重点。本文通过燃烧控制、双燃料实时控制、与混合动力系统协调控制等多种技术手段优化HCCI发动机燃烧系统、拓展发动机HCCI燃烧的工作负荷范围,探索HCCI发动机在汽车领域实际应用的可行方案。本文首先搭建了基于热管理系统优化动力过程(OKP)的四缸HCCI发动机台架试验系统。在此基础上,开发了多缸HCCI发动机控制系统,实现了基于热管理控制方式的SI燃烧模式和HCCI燃烧模式之间的切换过程。研究表明,通过热管理系统的温度控制以及稀薄点燃过渡过程的转矩控制,OKP型HCCI发动机可以实现较为平稳的运行模式切换。通过提高发动机的压缩比可降低模式切换所需的温度,有效地缩短运行模式切换时间。在压缩比为13的情况下,切换时间约为5分钟,切换的临界进气温度为170℃左右;压缩比为15的情况下,切换时间缩短至3.5分钟左右,切换的临界进气温度降低为105℃左右。为了进一步改进切换的响应,本文基于燃烧设计的理念,应用多缸实时控制正庚烷和汽油的喷射比例的方式,实现了多缸双燃料HCCI发动机的燃烧模式切换。研究表明,通过实时调节各气缸汽油和正庚烷的燃料喷射脉宽,可以在多缸发动机上实现SI燃烧和HCCI燃烧之间的模式快速切换。在切换过程中,燃料比例的直接变化会导致中间1~2个过渡循环的失火,扭矩和转速有一定幅度的波动。进一步地,通过燃料比例的逐级变化控制,可以有效地减少燃烧模式切换过程的转矩和转速波动。针对双燃料HCCI发动机,本文研究了双燃料比例、VVT等各种关键参数对HCCI燃烧运行的影响规律。研究表明,不同发动机工况下,可以调节的双燃料比例范围不同,最佳比例也有很大差异。冷却水温度对多缸双燃料HCCI燃烧的影响表明,双燃料HCCI燃烧在冷却水温度的波动的环境下仍然可以稳定运行。可变气门相位技术(VVT)可以大幅调节发动机的进气量,扩大HCCI发动机在低负荷区的工作范围。试验表明双燃料HCCI燃烧可以显著降低未燃HC、CO和NOx排放物的浓度。为了进一步拓展双燃料HCCI发动机的运行工况范围,本文研究了进气压力和废气再循环(EGR)对双燃料HCCI燃烧与排放的影响。研究表明,进气增压可以帮助HCCI燃烧在高负荷区域稳定实现,在低负荷区域,适当降低进气压力有利于燃烧稳定。EGR技术有利于双燃料HCCI燃烧在高负荷区域运行稳定性的改善,在不同双燃料比例下EGR浓度对燃烧有不同的影响程度。通过进气增压和EGR的结合,双燃料HCCI燃烧最大可以达到原机70%的工作负荷,相比热管理型的HCCI燃烧模式工作负荷区间有了较大的拓展。为了研究HCCI发动机在车辆驱动行驶状态下的效果,本文搭建了基于热管理的HCCI发动机串联混合动力系统试验平台,试验结果表明,基于热管理HCCI发动机的混合动力系统,NEDC循环工况的百公里油耗为5.56L,相比原SI发动机混合动力系统降低11.75%;相对于原汽油车降低了近22%。因此,将HCCI发动机应用于混合动力系统,对进一步改进车辆经济性、排放性等方面有巨大的潜力。