专利名称：一种在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制直喷式汽油机燃烧模式切换的方法，特别涉及汽油直喷式发动机采用均质混合气压缩着火燃烧方式和火花点火燃烧方式之间快速平顺可靠切换的控制方法，属于汽车发动机、内燃机燃烧技术领域。
背景技术：
均质混合气压缩着火(HCCI)燃烧方式可以使汽油机的燃烧热效率显著改善，达到普通柴油机的水平，同时NOx的排放比普通汽油机降低95％以上，是目前国际上的研究热点。但是这种燃烧方式负荷范围较小，虽然能够满足日常中低速巡航和大部分城市工况的要求，但不能满足加速、高速巡航等高功率输出要求，因此必须和普通火花点火燃烧模式混合使用。如何在实现这两种燃烧模式间的顺利平稳快速切换，是目前国际上HCCI燃烧研究面临的首要问题之一。
HCCI燃烧需要大量稀释燃油混合气，实现的方法包括超高空燃比和大量EGR稀释。其中内部EGR因为能够提高压缩冲程末期缸内温度，使燃烧更加稳定得到较为广泛的研究。实现内部EGR可以通过排气门二次开启，进气门长开以及排气门早关、进气门晚开形成负阀重叠等不同的方案实现。其中负阀重叠的优势在于凸轮形线设计简单，能量利用率高。通过负阀重叠技术，可以在不需进气加热的情况下实现HCCI的稳定燃烧。
在火花点火(SI)燃烧和HCCI燃烧的切换过程中，气门的配气策略，即普通的正阀重叠还是负阀重叠，是切换的关键技术。目前国际上采取的方法多为电磁气门或者电液耦合气门系统。这些系统能够在一个循环内实现两种配气策略的切换，但是控制复杂，成本异常高昂，还有一些诸如噪声和可靠性的问题没有得到解决，市场化前景不明。
另外，在燃烧模式的切换过程中，由于国外普遍采用进气道喷射，响应较慢，切换过程中容易由于油气配合不佳产生爆震、失火等现象，功率输出也有一定波动，影响驾驶性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法，通过在四冲程发动机中利用配气相位快速切换装置进行点火模式和压燃模式配气策略的切换，并配合相应的缸内直喷燃油喷射策略，实现火花点火燃烧模式和压燃燃烧模式之间的快速平顺过渡。
本发明的技术方案如下一种在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)点火模式向压燃模式切换
a.在点火模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，利用点燃模式凸轮驱动气门，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料；压缩冲程中进行第二次喷射，喷入10％-30％的燃料；b.采用汽油机配气相位快速切换装置，实现从点燃模式向压燃模式配气相位的切换，即从正阀重叠变为负阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50-70％燃油，压缩冲程喷入20-30％燃油，排气冲程末期喷入10-30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，排气冲程末期喷入10-30％燃料；实现点火模式向压燃模式的切换；2)压燃模式向点火模式切换a.在压燃模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，利用压燃模式凸轮驱动气门，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，排气冲程末期喷入10-30％燃料；b.采用汽油机配气相位快速切换的装置，实现从压燃模式向点燃模式配气相位的切换，即从负阀重叠变为正阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50-70％燃油，压缩冲程喷入20-30％燃油，排气冲程末期喷入10-30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，压缩冲程喷入10-30％燃料；实现压燃模式向点火模式的切换；在上述整个切换过程中，火花塞保持点火，实现两种模式间切换的控制。
上述技术方案中，本发明的技术特征还在于在点火模式中，第一次喷射在进排气上止点后20～80°CA，第二次喷射在进排气上止点后200～250°CA；在切换过程中，第一次喷射在进排气上止点后80～110°CA，第二次喷射在进排气上止点后230～260°CA，第三次喷射在进排气上止点后660～680°CA；在压燃模式中，第一次喷射在进排气上止点后80～110°CA，第二次喷射在进排气上止点后660～680°CA。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果控制简单且精确，成本低廉，响应快速，能够在一个循环内实现不同燃烧模式间的切换，切换过程迅速平稳，没有异常燃烧现象的发生。
图1为汽油机配气相位快速切换的装置的结构示意图。
图2为图1的通过气门中心线的剖面图。
图3为可变配气相位快速切换装置中的错位双凸轮机构的示意图，表示出凸轮型线及相位布置。
图4为缸内直喷汽油机在SI/HCCI切换过程所需的喷油策略，其中a为点火模式下的喷油策略，b为切换过程中的喷油策略，c为压燃模式下的喷油策略；
图5为本发明实施例的HCCI向SI切换过程的试验结果。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步的说明。
本发明所采用的汽油机配气相位快速切换装置，图1为该装置的结构示意图，图2为图1的通过气门中心线的剖面图，包含缸盖1、正时皮带2、凸轮轴皮带轮3、凸轮轴4、设置在缸盖上的气门5以及设置在气门上的气门弹簧6，气门镶帽7，在单顶置凸轮轴上装有错位双凸轮机构，在所述的气门顶端安装有可变升程液压挺柱8，在缸盖主油道9上设有电磁阀10，可变升程液压挺柱的升程由错位双凸轮机构驱动；所述的错位双凸轮机构上每缸设有四种凸轮，如吐3所示，分别为压燃模式排气凸轮11、点燃模式排气凸轮12、点燃模式进气凸轮13、压燃模式进气凸轮14；所有进排气凸轮均设置在一根凸轮轴上，压燃模式进气凸轮桃尖相对于点燃模式进气凸轮桃尖滞后；压燃模式排气凸轮桃尖相对于点燃模式排气SI凸轮桃尖提前；点燃模式进气凸轮外轮廓包容压燃模式进气凸轮外轮廓，点燃模式排气凸轮外轮廓包容压燃模式排气凸轮外轮廓；点燃模式凸轮的配气相位为正重叠，压燃凸轮的配气相位为负重叠；所述错位双凸轮结构的工作凸轮的选择由电磁阀控制。
采用上述配气相位快速切换装置，在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法如下1)点火模式向压燃模式切换a.在点火模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，使该装置电磁阀的油路与机油泵连通，缸盖主油道中建立机油压力使可变升程液压挺柱锁定，此时点燃模式进气凸轮驱动进气门，点燃模式排气凸轮驱动排气门，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料；压缩冲程中进行第二次喷射，喷入10％-30％的燃料；b.燃烧模式切换时，使电磁阀的油路与油底壳连通，缸盖主油道中的机油压力被释放，可变升程液压挺柱解除锁定，此时压燃模式进气凸轮驱动进气门，压燃模式排气凸轮驱动排气门，在一个工作循环内实现火花点火燃烧模式向压燃着火模式所需的配气相位的切换，即从正阀重叠变为负阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50-70％燃油，压缩冲程喷入20-30％燃油，排气冲程末期喷入10-30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，排气冲程末期喷入10-30％燃料，实现点火模式向压燃模式的切换；2)压燃模式向点火模式切换a.在压燃模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，使该装置电磁阀的油路与油底壳连通，可变升程液压挺柱出于解除锁定状态，此时压燃模式进气凸轮驱动进气门，压燃模式排气凸轮驱动排气门，，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，排气冲程末期喷入10-30％燃料；
b.燃烧模式切换时，使电磁阀的油路与油底壳断开，缸盖主油道中的机油压力被建立，可变升程液压挺柱锁定，此时点火模式进气凸轮驱动进气门，点火模式排气凸轮驱动排气门，在一个工作循环内实现压燃着火燃烧模式向火花点火模式所需的配气相位的切换，即从负阀重叠变为正阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50-70％燃油，压缩冲程喷入20-30％燃油，排气冲程末期喷入10-30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料，压缩冲程喷入10-30％燃料；在上述整个切换过程中，火花塞保持点火，实现两种模式间切换的控制。
若在点火模式中，第一次喷射可在进排气上止点后20～80°CA，第二次喷射在进排气上止点后200～250°CA；在切换过程中，第一次喷射在进排气上止点后80～110°CA，第二次喷射在进排气上止点后230～260°CA，第三次喷射在进排气上止点后660～680°CA；在压燃模式中，第一次喷射在进排气上止点后80～110°CA，第二次喷射在进排气上止点后660～680°CA。
实施例在一台气缸直径95毫米，压缩比13，锥角为30°的高压漩流伞喷汽油电控喷油器的两气门发动机上，将底置凸轮轴改装为顶置凸轮轴，通过阀门调节机油压力实现可变配气相位的切换。主要试验条件见下表。
试验证明，在SI条件下，通过第一段和第二段两次燃油喷射，在缸内形成浓稀分区的分层混合气，容易被火花塞点燃，是典型的SI燃烧模式。通过调节进气量和喷油量的大小，可以调节发动机负荷，拓展为普通汽油机的水平。
在HCCI燃烧条件下，通过负阀重叠获取高温残余废气，并在负阀重叠前期喷入一定量的燃油以实现二次压缩过程中的燃油改质作用提高着火稳定性。从燃烧结果分析来看，燃烧速率快，爆发压力高，循环波动小，燃烧稳定，是典型的HCCI燃烧工况。
在压燃模式向点火模式切换过程中，通过改变错位双凸轮配气系统的不同凸轮形线以获得不同的配气策略，同时配合响应的喷油策略，使用进气冲程，压缩冲程和排气冲程末期三段喷油实现燃烧方式的切换。切换过程基本平稳，快速，能够在一个循环内完成，没有严重的失火和爆震等异常燃烧现象发生。通过优化喷油策略，切换过程的平顺性能得到进一步的提高。
实施工况例
权利要求
1.一种在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)点火模式向压燃模式切换a.在点火模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，利用点燃模式凸轮驱动气门，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％-90％的燃料；压缩冲程中进行第二次喷射，喷入10％-30％的燃料；b.采用汽油机配气相位快速切换装置，实现从点燃模式向压燃模式配气相位的切换，即从正阀重叠变为负阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50％～70％燃油，压缩冲程喷入20％～30％燃油，排气冲程末期喷入10％～30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％～90％的燃料，排气冲程末期喷入10％～30％燃料，实现点火模式向压燃模式的切换；2)压燃模式向点火模式切换a.在压燃模式下，采用汽油机配气相位快速切换装置，利用压燃模式凸轮驱动气门，喷油策略为进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％～90％的燃料，排气冲程末期喷入10％～30％燃料；b.采用汽油机配气相位快速切换装置，实现从压燃模式向点燃模式配气相位的切换，即从负阀重叠变为正阀重叠，喷油策略为进气冲程喷入50％～70％燃油，压缩冲程喷入20％～30％燃油，排气冲程末期喷入10％～30％燃油；c.切换成功燃烧稳定后，进气冲程中进行第一次喷射，喷入70％～90％的燃料，压缩冲程喷入10％～30％燃料，实现压燃模式向点火模式的切换；在上述整个切换过程中，火花塞保持点火，实现两种模式间切换的控制。
2.按照权利要求1所述的在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法，其特征在于在点火模式中，第一次喷射在进排气上止点后20～80℃A，第二次喷射在进排气上止点后200～250℃A；在切换过程中，第一次喷射在进排气上止点后80～110℃A，第二次喷射在进排气上止点后230～260℃A，第三次喷射在进排气上止点后660～680℃A；在压燃模式中，第一次喷射在进排气上止点后80～110℃A，第二次喷射在进排气上止点后660～680℃A。
全文摘要
一种在直喷汽油机上实现燃烧模式切换的燃烧控制方法，该方法通过使用汽油机配气相位快速切换装置，在一个发动机工作循环内切换不同的配气策略，同时配合不同的喷油策略，在点火模式下采用进气冲程和压缩过冲两段燃油喷射，在切换过程中采用进气冲程，压缩冲程和排气冲程末期三段燃油喷射，在压燃模式下采用进气冲程和排气冲程末期两段燃油喷射，实现切换过程的迅速，平顺，同时保证在各燃烧模式下正常燃烧。本发明具有时间响应快，控制精确，简单易行，成本低廉等优点。在实际发动机上的试验表明，该方法可以在一个循环内完成切换过程，没有异常燃烧现象的发生。
文档编号F02D37/02GK1824937SQ200610002140
公开日2006年8月30日 申请日期2006年1月19日 优先权日2006年1月19日
发明者田国弘, 王志, 王建昕, 帅石金 申请人:清华大学