[发明专利]一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车发动机燃烧控制方法，尤其属于一种用于拓展当量空燃比下废气管理的可控自燃燃烧汽油发动机运行范围向小负荷和怠速工况拓展的燃烧控制策略。

背景技术

汽油机可控自燃燃烧技术是新一代发动机燃烧理念的代表，是为了解决未来10～20年更严苛法规要求而开发新型燃烧技术，相对传统节气门控制的SI燃烧具有10％到30％的节油潜力。但是目前可控自燃燃烧技术还存在一些问题需要攻克，其一就是其运行范围向小负荷和怠速工况的拓展。造成这一难题的主要原因是可控自燃燃烧时发动机缸内存在大量的残余废气。残余废气在可控自燃燃烧中起到了三个作用。一是填充缸内容积。可控自燃燃烧中通过调整缸内的残余废气率来控制新鲜充量的数量，进而控制发动机的负荷。因此，越小的负荷，缸内残余废气越大。二是用作缸内放热过程的稀释剂。由于汽油机均质特性，一旦发生压燃，缸内会形成多个着火核心。此时需要稀释剂来控制放热速度，避免爆震等不正常的燃烧现象。相应地，稀释工质越多，对燃烧放热的抑制作用越强，对产生自燃着火越是不利。而小负荷时，稀释工质最多，稀释作用最为强烈。三是上循环经过燃烧残留下来的废气具有较高的温度，可控自燃燃烧利用残余废气的能量加热新鲜空气，以使缸内条件在燃烧上止点附近时满足自燃着火的需要。废气温度是随着缸内负荷的减少和稀释工质比例的增加而减小的。当发动机工作在小负荷区域时，废气温度处于低的水平，很难满足自燃着火的需求。综合以上三点，废气虽然在可控自燃燃烧中起到了一举多得的关键性作用，但是由于不同作用间相互耦合的关系，使得可控自燃燃烧在发动机的小负荷和怠速工况非常难以实现。

因此，汽油机可控自燃燃烧在小负荷和怠速工况的实现目前还是世界范围内该研究领域的难题之一，不存在公知公用的方法和技术。

目前针对汽油机新一代燃烧技术向小负荷和怠速工况拓展的问题，美国通用公司和Ford公司分别提出了一种针对混合燃烧方案和OKP方案的控制方法。

通用公司提出的方法是利用汽油机直喷喷射技术结合发动机点火控制技术，采用多次喷油加多次点火的方法，在怠速和小负荷工况实现类似可控自燃燃烧的混合燃烧过程。其空燃比是控制在稀混合气的状态，在重压峰的位置利用残氧和相对高温，进行一次预反应，提供活性物质给其后的主放热过程，而在压缩过程中，通过两次喷油在火花塞附近形成局部浓区，利用火花跳火的能量触发火焰传播过程，利用火焰传播释放的热量和压力，压缩并加热周围的混合气至自燃的状态，形成一种类可控自燃燃烧的混合燃烧过程。其控制过程如下图2所示，引自SAE Paper 2009-01-0499。虽然取得了比较好的效果，但是其空气和废气混合稀释的特性，决定了其无法使用传统有效的三效催化器，而且最终形成的也不是完全的可控自燃燃烧。该方法并不适用于当量空燃比下的废气管理的汽油机可控自燃燃烧方式。而当量空燃比下的废气管理汽油机可控自燃燃烧方式，是目前最有可能用于实践的汽油机可控自燃燃烧实现方式。

福特公司在其论文(SAE Paper 2002-01-2832)中，提出了针对OKP策略的汽油机小负荷拓展的方案。OKP策略的汽油机压燃燃烧方式，在缸内并不存留废气，因此，小负荷拓展时只需要考虑缸内温度即可，无需考虑废气对燃烧的抑制作用。其方法是提高了发动机的压缩比同时采用了进气加热。这样就可以尽可能地增大缸内达到压缩上止点时的温度，以满足汽油机压燃着火的需要。该方法提高了压缩比虽然对小负荷拓展有利但是不利于大负荷时的燃烧控制，同时在实际应用中也很难采用外加热源的方法。当然最重要的是该方法也无法解决当量空燃比下废气管理汽油机可控自燃燃烧向小负荷拓展的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种实现汽油机怠速和小负荷可控自燃燃烧的方法。本发明是在全可变气门运动机构的基础上，开发的一种用于将拓展可控自燃燃烧汽油机运行范围向小负荷和怠速方向拓展的燃烧控制方法。本发明是通过改变发动机燃烧室内废气率和温度分层，在发动机缸内压缩行程进行到压缩上止点附近时，在缸内形成适宜着火的局部相对高温低废气率区，以在发动机小负荷时实现汽油机可控自燃燃烧。

本发明中所提及到的可控自燃燃烧是指当量空燃比下废气管理的HCCI燃烧，目前，尚无将当量空燃比下废气管理的HCCI燃烧汽油机向小负荷和怠速拓展的控制方法。