【正文】 從而加熱進氣，而熱交換器可用廢氣對進氣進行預熱，于是可充分利用廢氣的熱能。進氣加熱方式比較簡單，能夠直接改變混合氣的初始壓縮溫度，進而改變缸內(nèi)溫度變化歷程。進氣溫度的提高可以使第一階段冷焰的著火提前，從而縮短主燃燒期的著火延遲。同時較高的進氣溫度可引起較高的放熱率，也可促進HCCI的燃燒。但是，進氣加熱會使進氣密度減小，進氣充量減少，則容積效率低；其要求的進氣管耐熱度較高，則需要改進進氣管；它需要大功率的加熱系統(tǒng)；其可調(diào)節(jié)的燃燒相位的曲軸轉(zhuǎn)角范圍也相當?shù)挠邢?，在這個有限的范圍之外，發(fā)動機的熱效率會大大降低。 采用外部廢氣再循環(huán)（EGR）（1）外部廢氣再循環(huán)EGR可以對缸內(nèi)的溫度和成分進行有效的管理。它降低了進氣門關閉時刻缸內(nèi)充量的溫度，提高了進氣充量的密度，從而提高了進氣充量；（2）它減少了內(nèi)部廢氣率和新鮮進氣量，但缸內(nèi)總的廢氣百分比變化不大；（3）由于混合物種存在CO2和H2O等燃燒產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物每單位的熱能比空氣高，于是提高了燃燒反應所需要的溫度條件，從而降低了化學反應的速率，最終使發(fā)動機的燃燒時刻推遲，燃燒持續(xù)期增長，總的燃燒速率減緩，使發(fā)動機的負荷和油耗有輕微的降低；（4）越多的外部廢氣再循環(huán)，越能降低最大爆發(fā)壓力和最大壓升率，有利于降低NOx的排放，以及降低發(fā)動機的機械負荷，但HC和CO排放有所增加；（5）在上負荷邊界，通過改變氣門運動參數(shù)，使用越多外部廢氣可以達到越大的負荷，但是負荷增大到一定程度時，出現(xiàn)失火，限制負荷范圍的進一步拓展，拓展范圍后的發(fā)動機大負荷邊界的排放水平比原HCCI邊界要低；（6）外部廢氣再循環(huán)和內(nèi)部殘余廢氣的耦合控制，可以優(yōu)化發(fā)動機的熱力過程，降低發(fā)動機的燃油消耗率和NOx排放；（7）使用外部廢氣再循環(huán)的方法，可以使發(fā)動機的負荷范圍在各個轉(zhuǎn)速下平均向上拓展約30％，有效地解決了HCCI大負荷邊界上的爆震問題。雖然實現(xiàn)HCCI燃燒的方式有多種，但基于內(nèi)部殘余廢氣管理（即內(nèi)部廢氣再循環(huán)）的汽油HCCI燃燒被認為是一種最有實用價值的一種控制方式?；趦?nèi)部殘余廢氣管理的HCCI汽油機控制過程如下：根據(jù)運行工況的需要，通過可變氣門機構(gòu)對進排氣過程進行管理，控制一定量的已燃高溫廢氣殘留在缸內(nèi)，對下一個循環(huán)的新鮮充量加熱，使其在壓縮接近上止點時到達自燃著火點，進行自燃。這樣，通過控制進排氣門的開起關閉時刻及升程，來控制進氣量、混合氣溫度以及工質(zhì)成分等參數(shù)，以達到控制混合氣著火時刻和燃燒速度的目的。這種控制方式利用了廢氣的熱能，省掉了進氣加熱裝置，殘余廢氣被作為減緩放熱速度的稀釋劑和調(diào)節(jié)負荷的發(fā)動機容積填充劑來調(diào)節(jié)工質(zhì)成分，改變工質(zhì)的燃燒特性。內(nèi)部殘余廢氣再循環(huán)的方式可以實現(xiàn)HCCI在理論空燃比的良好燃燒，目前汽油機上廣泛使用的成熟、高效的三元催化器來進行排氣后處理也能非常容易的集成到HCCI汽油發(fā)動機系統(tǒng)中。這對HCCI發(fā)動機走向市場是極為有利的因素。但由于燃料自燃著火的條件對熱力學狀態(tài)、化學狀態(tài)等眾多因素非常敏感，且對缸內(nèi)物理量的控制都是間接的控制，這給控制帶來很大難度。怎樣對著火定時和燃燒速率進行準確，及時的控制，成為HCCI發(fā)動機實現(xiàn)產(chǎn)品化的關鍵。內(nèi)部殘余廢氣管理主要由可變氣門機構(gòu)來實現(xiàn)。按照控制參數(shù)的不同，可變氣門機構(gòu)的控制方式主要有以下兩個方式：（1）控制可變氣門升程（Variable valve lift，VVL）能夠改變氣門型線的最大升程，主要有兩種：一種是在改變氣門最大升程的同時也改變了氣門開啟持續(xù)期；另一種是只改變氣門型線的最大升程而不改變氣門開啟持續(xù)期，這種一般是無凸輪機構(gòu)，采用電磁或電液驅(qū)動。利用可變氣門定時和升程機構(gòu)可以方便地控制缸內(nèi)殘余廢氣量，從而實現(xiàn)汽油機HCCI燃燒，并對其燃燒過程進行控制。其中廢氣再壓縮策略是利用負氣門重疊角將熱廢氣留在缸內(nèi)，用于加熱冷的新鮮充量，壓縮混合氣至壓縮上止點附近達到自燃著火溫度，引起自燃。這種方法是比較常規(guī)的方法，操作簡單，只需要使用小的氣門升程和持續(xù)期即可實現(xiàn)負氣門重疊角。減小進氣閥和排氣閥開啟期的重疊角成為負值，在負閥重疊期間噴射燃油會產(chǎn)生甲醛，羥基，過氧化物等活性基，即燃料重整效應。到壓縮上止點附近形成了帶活性基的均質(zhì)混合氣，產(chǎn)生自燃。在著火前生成大量活性基，將有利于高辛烷值燃料實現(xiàn)穩(wěn)定的HCCI著火[15]。（2）控制可變氣門定時（Variable valve timing，VVT）即在氣門開啟持續(xù)期和升程曲線不變的前提下同時改變氣門的開啟時刻和關閉時刻，相當于在曲軸轉(zhuǎn)角坐標軸上平移氣門型線。如上所述，HCCI燃燒的燃燒狀況主要受到混合氣本身化學反應動力學的影響，且通過控制進排氣門來控制缸內(nèi)各物理參數(shù)來達到對燃燒控制的方式并不是對影響燃燒直接參數(shù)的量的直接控制。HCCI的燃油火焰前的氧化反應機理也還未完全清楚，所以現(xiàn)在對HCCI燃燒的控制還沒有很好的解決方案。 HCCI燃燒控制所面臨的問題如上所述，HCCI燃燒的燃燒狀況主要受到混合氣本身化學反應動力學的影響，因而通過控制進排氣門來控制缸內(nèi)混合氣的溫度、壓力和成分間接控制著火時刻和燃燒過程，而不是直接控制那些能直接影響燃燒的參數(shù)。同時，HCCI的燃油火焰前的氧化反應機理也還未完全清楚，所以現(xiàn)在對HCCI燃燒的控制還沒有很好的解決方案。現(xiàn)在，HCCI燃燒控制所面臨的問題有以下幾點[2,9,1619]。 難以精確控制HCCI發(fā)動機著火時刻HCCI的著火時刻控制是這種燃燒方式的最大挑戰(zhàn)。它不能像火花塞點火式發(fā)動機或傳統(tǒng)柴油機那樣，能直接控制著火始點，而是由混合氣的成分、溫度和壓力的變化歷程決定，著火時刻及燃燒過程只能通過間接控制。一方面，發(fā)動機輸出功率的改變要求其燃料量，即混合氣濃度的改變，這就需要相應改變溫度變化歷程以保證合適的著火時刻：另一方面，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的改變將使混合氣發(fā)生自燃的化學反應累計時間發(fā)生變化，著火相位角將發(fā)生變化，這需要通過改變混合氣的溫度變化歷程來補償。在快速變化的瞬變工況，這些控制問題變得更加困難。目前已提出的幾種可行的方法是：改變EGR率、使用可變氣門正時VVT改變有效壓縮比和殘留在氣缸內(nèi)的熱量、使用可變壓縮比VCR來改變上止點的溫度等。 HCCI發(fā)動機冷起動困難在HCCI發(fā)動機冷起動時，由于進氣混合物沒有預熱，另外在壓縮時混合物被較冷的燃燒室壁吸熱而迅速冷卻，因此導致壓縮終了時的氣體溫度降低，對于完全由化學動力學決定的燃燒過程，溫度是最敏感的參數(shù)，溫度過低將使得HCCI發(fā)動機內(nèi)的均質(zhì)混合氣不能正常壓燃，導致發(fā)動機“失火”，造成冷起動困難。因此對于冷啟動來說，合理的方法是使用電熱塞加熱進氣、使用不同的燃料或輔助燃料起動和使用VCR或VVT來增加壓縮比，或者先以SI或CI的模式起動等發(fā)動機暖機后，待燃燒穩(wěn)定后再過渡到HCCI模式下運行等。 HC和CO排放高雖然HCCI發(fā)動機的NOx和微粒PM排放很低，但是由于采用的是低溫稀薄燃燒，所以燃燒并不完全，碳氫（HC）和一氧化碳（CO）的排放就相對比較高。尤其是在低負荷工況時，缸內(nèi)溫度低，CO難以被完全氧化成CO2。不過，可以使用缸內(nèi)直接燃料噴射以實現(xiàn)部分充量分層來降低HC和CO的排放。在大多數(shù)情況下可使用氧化催化器來減少并消除HC和CO排放。然而，由于HCCI發(fā)動機的排氣溫度較低，則延長了催化氧化反應器反應的時間并降低了氧化效率。為了滿足HCCI發(fā)動機HC和CO的排放要求，需要開發(fā)低溫條件下的高效催化氧化反應器。 難以擴展運行工況范圍由于HCCI燃燒是均勻混合氣壓燃著火，燃燒幾乎是同步進行，發(fā)動機在大負荷工況時，過快的燃燒反應速度會引起發(fā)動機的爆震燃燒，這樣就會引起發(fā)動機的高噪聲和高的NOx排放，并造成燃燒壓升率增大，使發(fā)動機的機械負荷和熱負荷過大，甚至造成發(fā)動機損壞。所以HCCI發(fā)動機存在著向大負荷擴展難的問題。另外，在低負荷、低轉(zhuǎn)速工況時，對于某些高辛烷值的燃料，會由于燃燒反應速度過慢從而引起火焰溫度過低，難以形成穩(wěn)定的著火條件，導致發(fā)動機燃燒不充分，形成大量的未完全燃燒產(chǎn)物，燃料的利用率嚴重惡化，有害排放物增加，怠速工況下容易出現(xiàn)“失火”。因而HCCI發(fā)動機存在著難以向大負荷和小負荷工況擴展運行工況范圍的問題。目前，要在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)HCCI燃燒是十分困難的。不過，通過分層燃燒可以有效地擴展HCCI的運行工況范圍，采用缸內(nèi)多次燃油脈沖噴射、噴水、改變進氣和缸內(nèi)混合過程是實現(xiàn)分層燃燒的重要技術途徑。另外，在HCCI燃燒難以實現(xiàn)的工況仍采用傳統(tǒng)的點燃式或壓燃式，而在其它運行工況范圍內(nèi)使用HCCI燃燒，即雙模式工況運行方式，并根據(jù)實際運行需要，對發(fā)動機運行模式進行切換。這樣，發(fā)動機整機性能仍能滿足汽車駕駛性能的要求。但發(fā)動機的雙模式工作，會增加發(fā)動機控制系統(tǒng)的復雜性。還有，也可采用雙燃料方式（如二甲醚和天然氣的組合、柴油和汽油的組合、二甲醚和醇類的組合等）、廢氣再循環(huán)（EGR）技術和全工況電控技術以擴展HCCI發(fā)動機的運行工況范圍。 本章小結(jié)本章首先介紹了HCCI燃燒的燃燒方式，以及與點燃式發(fā)動機（SI）和壓燃式發(fā)動機（CI）的各方面比較，也描述了HCCI燃燒技術的特點與優(yōu)點。然后總結(jié)了目前國內(nèi)外最普遍的汽油機HCCI燃燒的控制技術，并在本章最后詳細描述了現(xiàn)在汽油機HCCI燃燒的所面臨的許多問題。通過介紹控制技術，從而引出本次試驗所采用的方法，為整個試驗和后續(xù)的試驗提供了知識支持，以及技術支持。第三章 Plugin串聯(lián)油電混合動力HCCI汽油機試驗研究平臺及試驗方法本試驗采用在Plugin串聯(lián)油電混合動力汽油機上進行多缸HCCI燃燒研究。將榮威350 。對發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)進行改裝，以獲得預期的加熱溫度并加以精確控制，同時對發(fā)動機的運行狀況進行檢測。本章介紹了該試驗的研究系統(tǒng)和平臺。 Plugin串聯(lián)油電混合動力HCCI汽油機試驗系統(tǒng)該試驗臺架包括：、進氣系統(tǒng)、HCCI發(fā)動機控制系統(tǒng)和HCCI發(fā)動機燃燒實時分析系統(tǒng)等等。圖31是發(fā)動機試驗臺架系統(tǒng)總圖，圖32為發(fā)動機試驗臺架。下面，將詳細地介紹一些重要的試驗裝置。圖3 1 HCCI汽油機試驗臺架系統(tǒng)圖3 2 HCCI汽油機試驗臺架 發(fā)動機。該發(fā)動機是上汽集團自主研發(fā)的一個精心力作。它并配有VTi多角度連續(xù)可變正時系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)不同情況來控制發(fā)動機的工況。在低速低負荷時主要考慮平順性與經(jīng)濟性，采用小的氣門重疊角；低速中負荷，考慮加速性，進氣提前關；中速中低負荷，進氣考慮動力性，進氣提前關，兼顧經(jīng)濟性與平順性；中速高負荷，動力要求明顯，進氣更早關，這時要兼顧考慮排氣溫度、排放、爆震的影響；高速時，負荷越高，氣量要求越多，進氣越早關，單位時間發(fā)出同樣熱量，燃燒持續(xù)角越大。因此，該款發(fā)動機節(jié)能高效兩者兼得。表31是該發(fā)動機的主要技術參數(shù)。表3 1 發(fā)動機型號15S4U型式4缸、直列布置、水冷、16氣閥、多點電噴氣缸數(shù)4氣缸直徑(mm)75活塞行程(mm)排量(L)工作次序1—3－4－2壓縮比：1最大功率/轉(zhuǎn)速(kW/r/min)最大扭矩/轉(zhuǎn)速(Nm/r/min)135/4500怠速(r/min)750該發(fā)動機允許使用的汽油、機油、防凍液如表32所示。表3 2 、機油及防凍液燃油93無鉛汽油機油殼牌A1/B1 5W30 潤滑油冷卻液33℃金柏特級防凍防銹液冷卻液混合比50%：50% 進氣系統(tǒng)進氣系統(tǒng)包括空氣壓縮機、進氣電加熱裝置、Y型進氣總管等，這使得發(fā)動機進氣的溫度和壓力可調(diào)。進氣加熱系統(tǒng)采用PID控制。如圖33為改裝前原始的塑料進氣管。由于進氣加熱使進氣溫度提高很多，所以塑料管已不能再使用了。如圖34為進氣電加熱裝置。它的原理就是通過使用電熱來對進氣進行加熱。如圖35為改裝過的Y型進氣總管?？偣苁褂昧瞬讳P鋼材料，能承受加熱后進氣的較高溫度?？偣茏髠?cè)為正常進氣，其管中有節(jié)氣門?？偣苡覀?cè)為進氣加熱管。該管使用了三個進氣加熱裝置，也有自己的節(jié)氣門。進行進氣加熱試驗時，空氣從兩端進入，合并進入氣缸。選取進氣口處溫度（即Y型總管合并處的進氣管內(nèi)的溫度）為其PID控制的反饋溫度，進氣過熱時可關小加熱管節(jié)氣門以減少熱氣，并同時開大空氣管節(jié)氣門以保證總進氣不變。進氣溫度可控制在所設定溫度值177。1℃范圍之內(nèi)。進氣加熱裝置使用了不計入發(fā)動機功率損耗當中的額外電能。 圖3 3 改裝前的塑料進氣管 圖3 4進氣電加熱裝置 圖3 5 改裝后的Y型進氣總管 HCCI發(fā)動機控制系統(tǒng)發(fā)動機控制系統(tǒng)采用FC2000發(fā)動機自動測量控制系統(tǒng)如圖36。該測控系統(tǒng)均由湖南長沙湘儀動力測試儀器有限公司生產(chǎn)。它為滿足發(fā)動機制造業(yè)中各種不同類型的柴油機、汽油機、天然氣、液化氣發(fā)動機性能試驗和出廠試驗而精心設計大型測控系統(tǒng)。它可與國內(nèi)外各種不同的水力、電渦流、電力測功機配套使用，用于控制和測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、燃油及燃氣消耗量、溫度、壓力、流量等各種不同類型的參數(shù)。測控儀采用數(shù)字增量電壓控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩且無擾動切換控制；液晶顯示測量參數(shù)，使測控儀的易操作性、及發(fā)動機轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的控制穩(wěn)定性得到很大的提高。FC2000的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了國際流行的CAN現(xiàn)場總線通訊協(xié)議和模塊化設計技術；各種不同的傳感器輸出的信號，集中到CAN智能模塊調(diào)理成標準的數(shù)字信號，并通過總線網(wǎng)絡進行傳輸，可使多套測控系統(tǒng)組成局域網(wǎng)絡，便于集中管理。圖3 6 FC2000發(fā)動機自動測量控制系統(tǒng)該測試設備的主要配置有：（1） 電渦流測功機（2） FC2022數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（3） FC2430發(fā)動機機油溫調(diào)節(jié)裝置（4） FC2310油門執(zhí)行器（1） 電渦流測功機電渦流測功機如圖37，是通過法藍盤直接剛性連接在發(fā)動機的飛輪上的，并通過調(diào)整發(fā)動機的位置使得發(fā)動機飛輪的中心與測功機的中心對正。值得提出的是，為了實現(xiàn)發(fā)動機倒拖以及精確實驗研究需要，實驗室已經(jīng)采購電力測功機，以后的實驗研究中將在電力測功機臺架上進行。（2） FC2022數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊FC2022如圖38，是一個獨立的模塊，在系統(tǒng)