基于缸内压力信号的先进闭环燃烧控制的低温燃烧柴油发动机.pdf

基于缸内压力信号的先进闭环燃烧控制的低温燃烧柴油发 动机 摘要 低温燃烧 （LTC）技术被广泛地认为是同时降低柴油机氮氧化物和颗粒物排 放水平的有效方法。但是，当LTC柴油机被应用在车辆上时面临着一些挑战。关 键是，汽车性能特别是驾驶舒适性，扭矩输出稳定性和发动机工作噪声可以达到 要求。改进LTC发动机的一个比较有希望的方法是发展基于缸内压力信号的闭环 燃烧控制。在文章中，开发了一项符合欧6排放法规的基于缸内压力的闭环燃烧 控制技术。该技术的主要挑战是，对LTC进行控制直接影响发动机和汽车的性能， 文章对此进行了详细的分析。为了解决这些缺点，设计了一个新的控制算法整合 进基本的闭环控制系统中。新算法的性能已经在发动机台架试验中进行了测试。 结果显示，LTC发动机在燃烧稳定性和发动机瞬态噪声减小方面效果显著。新的 算法也在是车上进行了测试，因此可以证明信得控制概念在现实的使用中具有潜 力。 1、介绍 众所周知，全球范围内制定了对柴油机排放进行严格限制的法规，用于地降 低氮氧化物和颗粒物的排放水平。 除了后处理系统外，随着动力链的复杂化和成本的增加，可以通过缸内直喷 LTC的方法降低排放物水平。在LTC柴油机运转时，空气-废气-混合气形成过程是 可以控制的，所以可以获得一个较低的燃油过量系数，同时还可以使缸内燃油分 布均匀。通过这样的方法，在燃烧过程中可以降低缸内温度，并且可以同时有效 减少氮氧化物和颗粒的生成率。 为了获得准均质混合气，文献中记载了多种不同的燃油喷射方案。在提前喷 射方法中（通常被称为均质压燃HCCI），燃油在上止点之前被喷入气缸，是为了 利用了喷射和燃烧之间的时间提高燃油的混合程度。正确的燃油喷雾形状，最佳 的喷射正时以及采用多次喷射可以在中低负荷范围内降低排放水平，燃烧噪声和 润滑油稀释。然而，发动机可达到的最大负荷被强烈的燃烧噪声，气缸内压力梯 度和使用EGR时极低的氧气浓度所限制。在采用提前喷射方法时，各种喷油正时 的控制是不确定的，喷油提前角越大，喷油正时和燃烧相位的关系越难确定。因 此，EGR是控制燃烧相位并且避免过早燃烧，过高的燃烧噪音以及爆震的最有效 的方法。在这种情况下，需要较高的EGR率，因此提高了对发动机空气系统的要 求。 使用推迟喷射的方法是，燃油在上止点之后被喷入气缸，可以利用延迟燃烧 提高混合气的均匀程度。和提前喷油相比，延迟喷油的特点是，在喷油开始时的 缸内温度更高，而燃烧开始时混合气均匀程度较低。正确匹配EGR率，喷油正时 和缸内扩散运动可以使得混合气形成，正确的放热过程相位和减少燃烧噪声达到 平衡。在延迟喷射的方法中，良好的控制燃烧过程的方法可以通过调整喷油正时 获得，因为喷油正时和燃烧过程的关系更加确定。但是，延迟燃烧对氧化过程的 边界条件十分敏感（例如，着火温度，氧气浓度等），使得在每种工况下都达到 稳定燃烧十分困难。 在实车上使用LTC柴油机面临许多挑战。正如上文所述，扩展可能的最大负 荷是一个重要课题。为了解决这个问题，通常在中高负荷范围内采用复合喷射策 略，而在引擎映射达到全负荷之前的其他部分采用常规燃烧策略。 另一个重大挑战是发动机快速动态的管理（速度/负荷的瞬时变化）。这个 问题来源于两个方面的组合：LTC燃烧边界条件的灵敏度；控制进气和供油相适 应时，时间常数特性的不同。 现在已经对EGR率和增压压力等影响LTC燃烧灵敏度的空气系统主要动态参 数进行研究。结果显示，LTC只有当EGR率和增压压力在一个小范围内变化时能保 持稳定，在这个范围以外特别是发动机负荷增加时，燃烧变得不稳定并且氮氧化 物排放加剧。 由于燃油供给系统和空气系统的控制相应时间常数特性不同（前者变化比后 者更快）有可能导致空气系统和燃油供给系统的设置值无法匹配，发动机通常在 台架试验时保持稳定工况进行优化，所以这个问题在发动机高速动态运转时变得 更加严峻。无效LTC控制，特别是在传统LTC控制和相反燃烧模型间转换而没有增 加适合的引擎控制策略的结果如[21-25]所示。燃烧稳定性的恶化（转矩震荡， 不良点火）以及燃烧噪声直接影响车辆的驾驶稳定性，这将给LTC的实践带来或 多或少的挑战。 目前最有效的解决方案是闭环燃烧控制，特别是基于缸内压力信号的控制。 这个信号经过后处理，可以逐个循环给出每个气缸内燃烧发展过程的直接信息。 这个信号可以用于对每个循环的发动机设置进行校正，从而控制燃烧过程。由于 这样的技术，闭环燃烧