專利名稱：一種在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法
技術領域：
本發明涉及一種控制直噴式汽油機燃燒模式切換的方法，特別涉及汽油直噴式發動機采用均質混合氣壓縮著火燃燒方式和火花點火燃燒方式之間快速平順可靠切換的控制方法，屬于汽車發動機、內燃機燃燒技術領域。
背景技術：
均質混合氣壓縮著火(HCCI)燃燒方式可以使汽油機的燃燒熱效率顯著改善，達到普通柴油機的水平，同時NOx的排放比普通汽油機降低95％以上，是目前國際上的研究熱點。但是這種燃燒方式負荷范圍較小，雖然能夠滿足日常中低速巡航和大部分城市工況的要求，但不能滿足加速、高速巡航等高功率輸出要求，因此必須和普通火花點火燃燒模式混合使用。如何在實現這兩種燃燒模式間的順利平穩快速切換，是目前國際上HCCI燃燒研究面臨的首要問題之一。
HCCI燃燒需要大量稀釋燃油混合氣，實現的方法包括超高空燃比和大量EGR稀釋。其中內部EGR因為能夠提高壓縮沖程末期缸內溫度，使燃燒更加穩定得到較為廣泛的研究。實現內部EGR可以通過排氣門二次開啟，進氣門長開以及排氣門早關、進氣門晚開形成負閥重疊等不同的方案實現。其中負閥重疊的優勢在于凸輪形線設計簡單，能量利用率高。通過負閥重疊技術，可以在不需進氣加熱的情況下實現HCCI的穩定燃燒。
在火花點火(SI)燃燒和HCCI燃燒的切換過程中，氣門的配氣策略，即普通的正閥重疊還是負閥重疊，是切換的關鍵技術。目前國際上采取的方法多為電磁氣門或者電液耦合氣門系統。這些系統能夠在一個循環內實現兩種配氣策略的切換，但是控制復雜，成本異常高昂，還有一些諸如噪聲和可靠性的問題沒有得到解決，市場化前景不明。
另外，在燃燒模式的切換過程中，由于國外普遍采用進氣道噴射，響應較慢，切換過程中容易由于油氣配合不佳產生爆震、失火等現象，功率輸出也有一定波動，影響駕駛性能。
發明內容
本發明的目的是提出一種在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法，通過在四沖程發動機中利用配氣相位快速切換裝置進行點火模式和壓燃模式配氣策略的切換，并配合相應的缸內直噴燃油噴射策略，實現火花點火燃燒模式和壓燃燃燒模式之間的快速平順過渡。
本發明的技術方案如下一種在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)點火模式向壓燃模式切換
a.在點火模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，利用點燃模式凸輪驅動氣門，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料；壓縮沖程中進行第二次噴射，噴入10％-30％的燃料；b.采用汽油機配氣相位快速切換裝置，實現從點燃模式向壓燃模式配氣相位的切換，即從正閥重疊變為負閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50-70％燃油，壓縮沖程噴入20-30％燃油，排氣沖程末期噴入10-30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，排氣沖程末期噴入10-30％燃料；實現點火模式向壓燃模式的切換；2)壓燃模式向點火模式切換a.在壓燃模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，利用壓燃模式凸輪驅動氣門，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，排氣沖程末期噴入10-30％燃料；b.采用汽油機配氣相位快速切換的裝置，實現從壓燃模式向點燃模式配氣相位的切換，即從負閥重疊變為正閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50-70％燃油，壓縮沖程噴入20-30％燃油，排氣沖程末期噴入10-30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，壓縮沖程噴入10-30％燃料；實現壓燃模式向點火模式的切換；在上述整個切換過程中，火花塞保持點火，實現兩種模式間切換的控制。
上述技術方案中，本發明的技術特征還在于在點火模式中，第一次噴射在進排氣上止點后20～80°CA，第二次噴射在進排氣上止點后200～250°CA；在切換過程中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110°CA，第二次噴射在進排氣上止點后230～260°CA，第三次噴射在進排氣上止點后660～680°CA；在壓燃模式中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110°CA，第二次噴射在進排氣上止點后660～680°CA。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果控制簡單且精確，成本低廉，響應快速，能夠在一個循環內實現不同燃燒模式間的切換，切換過程迅速平穩，沒有異常燃燒現象的發生。
圖1為汽油機配氣相位快速切換的裝置的結構示意圖。
圖2為圖1的通過氣門中心線的剖面圖。
圖3為可變配氣相位快速切換裝置中的錯位雙凸輪機構的示意圖，表示出凸輪型線及相位布置。
圖4為缸內直噴汽油機在SI/HCCI切換過程所需的噴油策略，其中a為點火模式下的噴油策略，b為切換過程中的噴油策略，c為壓燃模式下的噴油策略；
圖5為本發明實施例的HCCI向SI切換過程的試驗結果。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實例對本發明作進一步的說明。
本發明所采用的汽油機配氣相位快速切換裝置，圖1為該裝置的結構示意圖，圖2為圖1的通過氣門中心線的剖面圖，包含缸蓋1、正時皮帶2、凸輪軸皮帶輪3、凸輪軸4、設置在缸蓋上的氣門5以及設置在氣門上的氣門彈簧6，氣門鑲帽7，在單頂置凸輪軸上裝有錯位雙凸輪機構，在所述的氣門頂端安裝有可變升程液壓挺柱8，在缸蓋主油道9上設有電磁閥10，可變升程液壓挺柱的升程由錯位雙凸輪機構驅動；所述的錯位雙凸輪機構上每缸設有四種凸輪，如吐3所示，分別為壓燃模式排氣凸輪11、點燃模式排氣凸輪12、點燃模式進氣凸輪13、壓燃模式進氣凸輪14；所有進排氣凸輪均設置在一根凸輪軸上，壓燃模式進氣凸輪桃尖相對于點燃模式進氣凸輪桃尖滯后；壓燃模式排氣凸輪桃尖相對于點燃模式排氣SI凸輪桃尖提前；點燃模式進氣凸輪外輪廓包容壓燃模式進氣凸輪外輪廓，點燃模式排氣凸輪外輪廓包容壓燃模式排氣凸輪外輪廓；點燃模式凸輪的配氣相位為正重疊，壓燃凸輪的配氣相位為負重疊；所述錯位雙凸輪結構的工作凸輪的選擇由電磁閥控制。
采用上述配氣相位快速切換裝置，在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法如下1)點火模式向壓燃模式切換a.在點火模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，使該裝置電磁閥的油路與機油泵連通，缸蓋主油道中建立機油壓力使可變升程液壓挺柱鎖定，此時點燃模式進氣凸輪驅動進氣門，點燃模式排氣凸輪驅動排氣門，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料；壓縮沖程中進行第二次噴射，噴入10％-30％的燃料；b.燃燒模式切換時，使電磁閥的油路與油底殼連通，缸蓋主油道中的機油壓力被釋放，可變升程液壓挺柱解除鎖定，此時壓燃模式進氣凸輪驅動進氣門，壓燃模式排氣凸輪驅動排氣門，在一個工作循環內實現火花點火燃燒模式向壓燃著火模式所需的配氣相位的切換，即從正閥重疊變為負閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50-70％燃油，壓縮沖程噴入20-30％燃油，排氣沖程末期噴入10-30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，排氣沖程末期噴入10-30％燃料，實現點火模式向壓燃模式的切換；2)壓燃模式向點火模式切換a.在壓燃模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，使該裝置電磁閥的油路與油底殼連通，可變升程液壓挺柱出于解除鎖定狀態，此時壓燃模式進氣凸輪驅動進氣門，壓燃模式排氣凸輪驅動排氣門，，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，排氣沖程末期噴入10-30％燃料；
b.燃燒模式切換時，使電磁閥的油路與油底殼斷開，缸蓋主油道中的機油壓力被建立，可變升程液壓挺柱鎖定，此時點火模式進氣凸輪驅動進氣門，點火模式排氣凸輪驅動排氣門，在一個工作循環內實現壓燃著火燃燒模式向火花點火模式所需的配氣相位的切換，即從負閥重疊變為正閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50-70％燃油，壓縮沖程噴入20-30％燃油，排氣沖程末期噴入10-30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料，壓縮沖程噴入10-30％燃料；在上述整個切換過程中，火花塞保持點火，實現兩種模式間切換的控制。
若在點火模式中，第一次噴射可在進排氣上止點后20～80°CA，第二次噴射在進排氣上止點后200～250°CA；在切換過程中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110°CA，第二次噴射在進排氣上止點后230～260°CA，第三次噴射在進排氣上止點后660～680°CA；在壓燃模式中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110°CA，第二次噴射在進排氣上止點后660～680°CA。
實施例在一臺氣缸直徑95毫米，壓縮比13，錐角為30°的高壓漩流傘噴汽油電控噴油器的兩氣門發動機上，將底置凸輪軸改裝為頂置凸輪軸，通過閥門調節機油壓力實現可變配氣相位的切換。主要試驗條件見下表。
試驗證明，在SI條件下，通過第一段和第二段兩次燃油噴射，在缸內形成濃稀分區的分層混合氣，容易被火花塞點燃，是典型的SI燃燒模式。通過調節進氣量和噴油量的大小，可以調節發動機負荷，拓展為普通汽油機的水平。
在HCCI燃燒條件下，通過負閥重疊獲取高溫殘余廢氣，并在負閥重疊前期噴入一定量的燃油以實現二次壓縮過程中的燃油改質作用提高著火穩定性。從燃燒結果分析來看，燃燒速率快，爆發壓力高，循環波動小，燃燒穩定，是典型的HCCI燃燒工況。
在壓燃模式向點火模式切換過程中，通過改變錯位雙凸輪配氣系統的不同凸輪形線以獲得不同的配氣策略，同時配合響應的噴油策略，使用進氣沖程，壓縮沖程和排氣沖程末期三段噴油實現燃燒方式的切換。切換過程基本平穩，快速，能夠在一個循環內完成，沒有嚴重的失火和爆震等異常燃燒現象發生。通過優化噴油策略，切換過程的平順性能得到進一步的提高。
實施工況例
權利要求
1.一種在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)點火模式向壓燃模式切換a.在點火模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，利用點燃模式凸輪驅動氣門，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％-90％的燃料；壓縮沖程中進行第二次噴射，噴入10％-30％的燃料；b.采用汽油機配氣相位快速切換裝置，實現從點燃模式向壓燃模式配氣相位的切換，即從正閥重疊變為負閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50％～70％燃油，壓縮沖程噴入20％～30％燃油，排氣沖程末期噴入10％～30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，排氣沖程末期噴入10％～30％燃料，實現點火模式向壓燃模式的切換；2)壓燃模式向點火模式切換a.在壓燃模式下，采用汽油機配氣相位快速切換裝置，利用壓燃模式凸輪驅動氣門，噴油策略為進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，排氣沖程末期噴入10％～30％燃料；b.采用汽油機配氣相位快速切換裝置，實現從壓燃模式向點燃模式配氣相位的切換，即從負閥重疊變為正閥重疊，噴油策略為進氣沖程噴入50％～70％燃油，壓縮沖程噴入20％～30％燃油，排氣沖程末期噴入10％～30％燃油；c.切換成功燃燒穩定后，進氣沖程中進行第一次噴射，噴入70％～90％的燃料，壓縮沖程噴入10％～30％燃料，實現壓燃模式向點火模式的切換；在上述整個切換過程中，火花塞保持點火，實現兩種模式間切換的控制。
2.按照權利要求1所述的在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法，其特征在于在點火模式中，第一次噴射在進排氣上止點后20～80℃A，第二次噴射在進排氣上止點后200～250℃A；在切換過程中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110℃A，第二次噴射在進排氣上止點后230～260℃A，第三次噴射在進排氣上止點后660～680℃A；在壓燃模式中，第一次噴射在進排氣上止點后80～110℃A，第二次噴射在進排氣上止點后660～680℃A。
全文摘要
一種在直噴汽油機上實現燃燒模式切換的燃燒控制方法，該方法通過使用汽油機配氣相位快速切換裝置，在一個發動機工作循環內切換不同的配氣策略，同時配合不同的噴油策略，在點火模式下采用進氣沖程和壓縮過沖兩段燃油噴射，在切換過程中采用進氣沖程，壓縮沖程和排氣沖程末期三段燃油噴射，在壓燃模式下采用進氣沖程和排氣沖程末期兩段燃油噴射，實現切換過程的迅速，平順，同時保證在各燃燒模式下正常燃燒。本發明具有時間響應快，控制精確，簡單易行，成本低廉等優點。在實際發動機上的試驗表明，該方法可以在一個循環內完成切換過程，沒有異常燃燒現象的發生。
文檔編號F02D37/02GK1824937SQ200610002140
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月19日 優先權日2006年1月19日
發明者田國弘, 王志, 王建昕, 帥石金 申請人:清華大學