缸内直喷汽油机SI-HCCI-SI燃烧模式切换的研究

双燃烧模式是车用均质混合气压缩着火（HCCI）发动机理想的运行策略，即在中小负荷下使用HCCI燃烧模式，而在大负荷和高转速下过渡到传统的火花点火（SI）燃烧或柴油机燃烧模式运行。采用可变配气和缸内直喷技术，在一个发动机循环内改变配气策略和喷油策略，实现从SI模式所要求的常规火花点火配气相位向HCCI模式要求的负阀重叠配气相位的跳变，配合缸内直喷策略的调整，实现SI模式和HCCI模式间的切换。通过分步切换的策略，可以提高切换过程的稳定性。燃烧模式切换可在一个发动机工作循环内完成，切换过程平稳迅速可靠，无失火和爆震等异常燃烧现象的发生。     

EGR策略对理论空燃比SICI组合燃烧影响的试验研究

均质混合气压燃(HCCI)高负荷拓展是内燃机燃烧领域的一个难题,火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧可以作为汽油机中高负荷区域的高效燃烧模式,实现HCCI与火花点火(SI)燃烧的衔接。在试验台架上通过改变配气相位及外部EGR循环实现了内外EGR组合策略下的SICI组合燃烧,研究了EGR策略对SI-CI组合燃烧的影响。结果表明,内部EGR有利于压燃的发生,随着内部EGR的增加,压燃比例增加,燃烧速度加快,循环波动减小,CO和UHC排放减少,SICI组合燃烧能够在更高的EGR率条件下稳定工作,理论空燃比SICI组合燃烧的工况范围得到拓展。     

火花点火激发自燃着火稳定燃烧边界条件的试验

火花点火激发自燃着火(SIAI)燃烧具有火花点火和自燃着火两段着火特性,能够有效控制燃烧过程的压升率,可以显著拓展HCCI燃烧方式的可适用负荷范围.但SIAI燃烧的稳定燃烧比较困难,需要对混合气状态进行精确控制.在一台双缸汽油机上通过控制进气温度和喷油量实现了对混合气状态和能量密度的灵活控制,研究了SIAI稳定燃烧的边界条件.结果表明,SIAI燃烧的稳定实现需要满足:理论空燃比附近的空燃比以保证点火稳定;压缩上止点处的混合气温度在950～1,050,K内以保证自燃的实现;压缩上止点处混合气能量密度在12.5～22.5,MJ/m3内以实现自燃并抑制爆震.     

火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响

实现汽油机均质混合气压燃(HCCI)的难点是着火控制。在缸内直喷汽油机上实现了HCCI燃烧,研究了火花点火对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,HCCI燃烧方式较火花点火(SI)火焰传播燃烧方式放热速率快,热效率高,NOx大幅度降低。在HCCI临界状态时,火花点火有助于提高燃烧稳定性,抑制失火和爆燃,降低循环波动;当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时,火花点火对HCCI燃烧影响不大。火花点火在SI／HCCI燃烧模式切换工况时,能提高瞬态过渡平顺性。     

火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧的试验研究

均质混合气压燃(HCCI)燃烧高负荷拓展是内燃机燃烧领域的一个难题.在缸内直喷汽油机(GDI)上采用EGR、火花点火和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了3种燃烧方式:HCCI、火花点火激发均质压燃(SICI)组合燃烧方式、火花点火(SI)燃烧方式,研究了不同EGR率和点火提前角对SICI燃烧排放特性的影响.结果表明,汽油SICI组合燃烧方式呈现明显的两阶段燃烧特性,调整点燃放热比例可以实现HCCI燃烧向高负荷拓展(最大平均有效压力为0.82 MPa),同时能获得较低的NOx排放和高的热效率.     

多缸汽油HCCI发动机燃烧循环变动的研究

在均质混合气压燃(HCCI)发动机研发中多缸不均匀性是一个重要的问题.通过在缸内直喷汽油机(GDI)上采用两次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式,研究了汽油HCCI发动机在不同燃烧模式下的多缸燃烧循环波动特性.研究结果表明:在汽油机中低负荷典型工况下,HCCI燃烧pi的缸内循环波动率小于2%,缸间循环波动率小于3%;HCCI发动机缸间循环波动主要受进气量的影响,与SI燃烧模式相比,采用稀燃模式的汽油HCCI燃烧缸间循环波动较小,HCCI燃烧的压力升高率和最高燃烧压力的循环波动率较小.     

火花点火对乙醇燃料SI/HCCI燃烧模式转换平稳性的影响

在一台经过改进的单缸机上分别实现了乙醇燃料均质压燃和火花点燃两种燃烧方式，获得了乙醇燃料两种燃烧方式各自的工作区域，并在不同工况实现了两种燃烧模式相互转换．为了改善SI／HCCI燃烧模式转换时的平顺性，考察了边界条件工况下火花点火对燃烧模式转换的影响．研究结果表明，在HCCI燃烧临界温度附近，引入火花点火能明显改善乙醇HCCI的燃烧稳定性，降低了燃烧循环变动．在SI／HCCI燃烧模式转换过程中，引入火花点火相当于向缸内混合气添加部分额外能量，以点燃混合气，进而改善了HCCI和SI相互转换时的平稳性．     

缸内直喷汽油机HCCI燃烧对压缩比和辛烷值的适应性研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用多次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式。研究了不同压缩比和辛烷值对均质混合气压燃（HCCI）燃烧排放特性的影响。结果表明,汽油HCCI燃烧呈现单阶段燃烧燃料特性,HCCI着火发生在上止点附近时油耗低。低压缩比下,HCCI燃烧可以在较浓空燃比下工作,NOx排放较高。高辛烷值燃料HCCI燃烧可运行的负荷范围窄。汽油HCCI发动机在偏高压缩比条件下燃用偏低辛烷值汽油可以获得较好的经济性和排放性能。     

双燃烧模式发动机性能和排放特性对比的试验研究

在一台经过改进的单缸发动机上实现了乙醇燃料火花点火（SI）燃烧和均质压燃（HCCI）燃烧.获得了两种燃烧方式各自的工作区,定义了乙醇HCCI燃烧的爆震边界和失火边界.研究结果表明,通过进气加热,仅靠空气稀释,乙醇燃料的HCCI燃烧工作上限最大达到了SI工作方式下的50%.与火花点火相比,在乙醇HCCI燃烧的工作区域内,由于采用的是稀混合气,排气温度低,NOx的排放降低幅度达到58%以上.发动机负荷越小,混合气变的更稀,缸内燃烧温度降低,NOx的降低幅度越大,但CO和HC的排放升高.     

双燃料HCCI燃烧的优化策略

对有废气再循环(EGR)的情况下单一二甲基醚(DME)、DME／甲醇(Methanol)和DME/天然气(CNG)双燃料的均质压燃(HCCI)燃烧进行了实验研究．研究结果表明,单一DME的HCCI只能在小负荷下实现．采用DME／甲醇双燃料后,HCCI的负荷范围达到了原柴油机中高负荷水平．EGR能扩大双燃料HCCI的可控燃烧范围,但对扩展双燃料HCCI燃烧的负荷范围作用不大．分层燃烧技术有扩大双燃料发动机的负荷范围到大负荷的潜力．DME／甲醇双燃料HCCI的指示热效率要优于DME／CNG．在低负荷工况,采用单一DME加EGR的HCCI燃烧能获得更好的经济性指标．     

Active fuel design—A way to manage the right fuel for HCCI engines

Homogenous charge compression ignition (HCCI) engines feature high thermal efficiency and ultralow emissions compared to gasoline engines. However, unlike SI engines, HCCI combustion does not have a direct way to trigger the in-cylinder combustion. Therefore, gasoline HCCI combustion is facing challenges in the control of ignition and, combustion, and operational range extension. In this paper, an active fuel design concept was proposed to explore a potential pathway to optimize the HCCI engine combustion and broaden its operational range. The active fuel design concept was realized by real time control of dual-fuel (gasoline and n-heptane) port injection, with exhaust gas recirculation (EGR) rate and intake temperature adjusted. It was found that the cylinderto- cylinder variation in HCCI combustion could be effectively reduced by the optimization in fuel injection proportion, and that the rapid transition process from SI to HCCI could be realized. The active fuel design technology could significantly increase the adaptability of HCCI combustion to increased EGR rate and reduced intake temperature. Active fuel design was shown to broaden the operational HCCI load to 9.3 bar indicated mean effective pressure (IMEP). HCCI operation was used by up to 70% of the SI mode load while reducing fuel consumption and nitrogen oxides emissions. Therefore, the active fuel design technology could manage the right fuel for clean engine combustion, and provide a potential pathway for engine fuel diversification and future engine concept.     

在汽油机上实施HCCI的技术策略

均质混合气压燃(HCCI)燃烧方式，是一种克服常规柴油机和汽油机缺点、集常规汽油机和柴油机优点于一体的新概念燃烧。本文分析了汽油机实施HCCI的可行性，介绍了HCCI发动机实用化所面临的问题，提出了双工作模式的折衷方案：在中低负荷工况实施HCCI，而在大负荷工况和冷起动工况恢复常规发动机工作方式。推荐可变压缩比(VCR)方案、可变废气再循环率(EGR)方案、可变排气门关闭时刻方案，以及废气再循环滚流分层充气方案等。为尽快在汽油机上实施HCCI燃烧方式指出了技术方向。     

全可变气门机构动态调节特性对汽油HCCI运行的影响

利用GT-Power和Simulink搭建了进排气门升程相位全可变(4V)HCCI发动机仿真平台,其中包括单缸机模型、HCCI燃烧模型、4V型线生成器模型、4V机构执行器模型及发动机控制器模型．在此平台上分别研究了全可变气门的升程及相位的正向和反向动态调节特性对HCCI过渡运行的影响．仿真结果给出了HCCI过渡运行中相对于气门调节的时间滞后特性,为进一步的HCCI动态过程控制提供了基础数据．     

缸内直喷汽油机SI/HCCI模式切换的实现与控制

利用错位双凸轮机构,在一个循环内同时切换进排气凸轮,并配合节气门和喷油策略的变化,实现了SI/HCCI燃烧模式的切换。利用耦合详细化学反应动力学机理的HCCI发动机多循环模拟模型模拟计算,优化了切换过程的喷油策略和节气门变化,将模拟优化结果应用在发动机试验中,达到了SI/HCCI快速平滑的切换效果。     

Characteristics of cyclic heat release variability in the transition from spark ignition to HCCI in a gasoline engine

We study selected examples of previously published cyclic heat-release measurements from a single-cylinder gasoline engine as stepwise valve timing adjustments were made to shift from spark ignited (SI) combustion to homogeneous charge compression ignition (HCCI). Wavelet analysis of the time series, combined with conventional statistics and multifractal analysis, revealed previously undocumented features in the combustion variability as the shift occurred. In the spark-ignition combustion mode, the heat-release variations were very small in amplitude and exhibited more persistent low-frequency oscillations with intermittent high-frequency bursts. In the HCCI combustion mode, the amplitude of the heat-release variations again was small and involved mainly low-frequency oscillations. At intermediate states between SI and HCCI, a wide range of very large-amplitude oscillations occurred, including both persistent low-frequency periodicities and intermittent high-frequency bursts. It appears from these results that real-time wavelet decomposition of engine cylinder pressure measurements may be useful for on-board tracking of SI–HCCI combustion regime shifts.