HCCI/SI双模式汽油机全可变气门控制的研究

全可变气门技术是目前汽油机上实现均质充量压缩燃烧(HCCI)及HCCI与火花点火(SI)燃烧模式之间过渡最为切实有效的技术途径之一。为了进行HCCI的研究,开发了一套进气门升程、进气门相位、排气门升程和排气门相位等4个参数均可独立自由控制的全可变气门机构控制系统。在介绍了其运动机构、系统构成等方面后,提出了全可变气门自适应PID控制策略,并研究了在不同的发动机运行参数(包括转速、油压和油温)的控制特性,提出了在此控制特性下发动机负荷控制策略及其HCCI/SI模式过渡控制策略。     

4VVAS双模式发动机SI-HCCI燃烧模式过渡研究

提出一种可以实现SI/HCCI双模式运行的汽油机方案.将自行设计和研制的基于进排气门升程和相位等4个变量连续可变的HCCI(Homogeneous Charge Compression Igniton)汽油机缸盖安装在单缸试验机上,建立了4VVAS-HCCI汽油机原理性样机平台.通过在该平台上的试验研究,探索了HCCI/SI两种燃烧模式过渡过程的动态控制策略.结果表明:配备4VVAS(4 Variable Valve Actuaion System)缸盖的发动机,可以根据工况需要运行于HCCI或SI(Spark Ignition)燃烧模式;通过4VVAS系统对内部残余废气快速有效管理,可以完成HCCI-SI动态平滑过渡;由于热惯性的存在,从SI向HCCI燃烧模式过渡难于从HCCI向SI过渡;对燃烧模式过渡过程的控制可以归结为对残余废气率的动态管理和对混合放热率型线的设计.     

全可变液压气门系统气门运动规律动态测量与数据处理方法

搭建气门升程测试平台,测量全可变液压气门系统(fully hydraulic variable valve system, FHVVS)的气门运动规律,分析发动机转速、传感器动态响应特性以及数据处理方法对气门升程测量精度的影响。结果表明：凸轮轴瞬时转速波动随驱动电机转速的降低而增大,通过角标信号对采集的气门升程进行数据处理,可以减少由于瞬时转速波动导致的气门升程测量误差;传感器动态响应特性不足造成气门升程相位迟滞;气门加速度波动频率与液压压力波动频率应一致,通过选取合适的滤波截止频率准确计算气门加速度;经五点三次平滑法处理后的气门升程更接近实际结果。     

基于振动信号和瞬时转速信号的HCCI燃烧相位CA10辨识

为了实现基于循环的HCCI燃烧闭环控制,提出了一种基于爆震传感器信号和瞬时转速信号的CA10(缸内燃料燃烧10%累积放热量时的曲轴转角θ10)辨识模型.在装有全可变气门系统的汽油HCCI发动机上,测取HCCI发动机各工况下爆震传感器信号和瞬时转速信号,用时频分析方法从爆震传感器信号及瞬时转速中提取表征振动信号相位信息的特征量和瞬时转速信号特征量,分析了它们和HCCI燃烧相位θ10之间关系,提出了一种计算简单,以爆震传感器和瞬时转速信号特征量为因变量的CA10辨识模型.分析表明,CA10辨识模型能比较准确地识别HCCI燃烧相位的θ10值,对于HCCI动态过程燃烧相位θ10的预测平均误差小于1.7,°CA.     

凸轮驱动式全可变液压气门系统仿真与试验研究

提出了一种凸轮驱动式发动机全可变液压气门系统(fully hydraulic variable valve system,FHVVS),搭建了AMESim仿真计算模型,探究了泄油起始时刻、终止时刻和节流面积等因素对气门运动规律的影响,优选了FHVVS柱塞控油装置泄油节流方案。在此基础上研制了某6缸柴油机的全可变液压气门系统,并进行了相应的试验测量和模拟仿真计算。研究结果表明:随发动机转速增高,FHVVS的液压波动幅值明显增大,柱塞控油装置的节流作用对液压压力波动具有"削峰填谷"的效果;研制的FHVVS可以实现气门的最大升程、开启持续期和配气相位的无级连续可变,并具有良好的循环稳定性和气门动力学性能。     

用于HCCI发动机燃烧状态参数辨识的神经网络

本文分别利用Elman网络、BP网络和RBF网络从离子电流信号辨识HCCI发动机的燃烧相位CA50,并对三种模型的各项性能进行了比较。该方法首先提取每个循环的离子流信号的4个特征信息,用提取的特征信息和发动机转速以及4个控制参数经归一化处理后,输入给神经网络,计算出CA50。本研究以基于全可变气门机构的汽油HCCI发动机为对象,选取了台架试验中6个典型的HCCI动态变负荷过程数据作为训练样本,另两个动态变负荷数据为测试样本。测试结果表明:Elman网络的训练耗时明显最长,计算时间稍长于BP网络和RBF网络;RBF网络具有最好的拟合精度,但泛化能力最差,而Elman网络的泛化能力最好,Elman观测器具有更强的抗干扰性。综合考虑Elman网络更适合于HCCI发动机燃烧状态参数辨识。     

小升程凸轮轴发动机HCCI燃烧特性的研究

为了在发动机的低速低负荷区实现均质充量压缩着火（HCCI）燃烧，设计了气门升程小和气门开启持续期短的进、排气门凸轮轴，并将其安装在Ricardo Hydra单缸汽油机上。试验研究了发动机使用理论空燃比混合气时的燃烧情况，结果表明，使用负气门重叠角可以在低速低负荷区实现HCCI燃烧。在HCCI燃烧方式下运行时的平均指示压力（PIMEP）依赖于气门定时和发动机转速。排气门关闭越早，缸内的残余废气量增加，每循环进气量减少，燃烧持续期变长，PIMEP减小，然而泵气损失减小；进气相位对PIMEP的影响小于排气相位的影响；高的发动机转速对燃烧过程的影响类似于排气门早关．     

液压驱动全可变气门机构的运动特性

为改善高速工况下全可变气门正时机构性能,以某液压驱动全可变气门机构为例,采用ADINA软件对气门机构的气门运动规律及液压系统内压力波动进行计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真分析,并结合K157型发动机进行试验研究对比。结果表明：通过调节泄油相位角,气门正时机构仿真模型可实现配气相位、气门升程全可变;泄油相位角对气门运动规律影响较大,曲轴转速对气门运动规律的影响较小;液压系统压力波动大过严重影响机构的可靠性;基于理论分析,可从减小运动组件质量、采用直流道、增加气门弹簧的设计刚度及预紧力等方面,提高气门机构性能。     

基于动态递归神经网络的HCCI发动机燃烧相位辨识模型

为了实现HCCI汽油机闭环反馈控制,提出了一种利用动态递归神经网络从气缸压力信号在线辨识燃烧相位CA50(燃烧50%累积放热量的曲轴转角)的方法.该方法采集上止点附近40°CA范围的气缸压力信号,经过归一化和主元素法降维处理后,得到一个由9个特征数构成的时间序列.一个Elman动态递归神经网络以该序列为输入,计算出燃烧相位CA50.以基于全可变气门机构的汽油HCCI发动机为对象,选取了台架试验中4个典型的HCCI动态变负荷过程数据,其中一个作为训练样本,另外3个作为测试样本.测试结果表明该方法对HCCI动态过程的燃烧相位CA50预测误差小于0.25°CA;与BP网络和RBF网络相比,具有更低的误差和更强的泛化能力;与直接热力学计算方法相比,具有突出的抗干扰性和容错能力.     

全可变气门机构运动学的仿真分析

分析了BMW的N52发动机可变升程气门机构的机械结构原理,然后对机构进行运动学方程推导,得出气门升程与凸轮转角、偏心轮转角之间的数学关系,编制了发动机全可变气门升程运动学计算程序,可以用来计算全可变气门机构的运动学问题,为以后进行动力学计算作准备。     

基于模型优化的HCCI燃烧规律

采用基于模型和仿真技术相结合的方法,来优化HCCI燃烧的气门参数控制规律.首先通过空间填充试验设计方法,设计出覆盖HCCI燃烧可以运行的全部气门组合范围的工况点,再利用一维仿真平台测试试验设计中的所有工况点,将得到的数据进行建模,把模型和Simulink进行耦合后寻找HCCI的燃烧规律.最后通过试验对燃烧规律进行进一步的验证和研究.该方法在保证了正确的燃烧规律研究的同时,大大减少了试验和数据分析的工作量.     

基于缸内分段直喷和负气门重叠角汽油机的HCCI燃烧

利用发动机热力循环软件BOC9ST耦合嵌入详细化学反应动力学机理的CHEMKIN代码建立了GDI-HCCI 发动机燃烧数值模型,对缸内直喷汽油机采用分段燃油喷射配合负气门重叠角控制缸内混合气化学组分、混合气浓度及温度历程的策略进行了实验验证及模拟分析．结果显示,加大负气门重叠角以及在此期间喷油可以产生燃油改质效果,缸内温度升高,使HCCI着火更容易控制．由此在保证NOx排放极低的同时循环波动明显减小,负荷稀限拓宽,燃油经济性改善．     

乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究

应用调整进排气门相位控制缸内残余废气率策略,在Ricardo Hydra四冲程进气道喷射单缸试验机上实现了无水乙醇燃料的均质压燃,获得了运行工况范围,并分析研究了空燃比、转速和气门相位对乙醇燃料均质压燃的燃烧特性。结果表明:乙醇燃料的均质压燃的可运行范围仍然受到爆震、换气过程及失火的限制,但在高速及稀燃区域得到拓展;其着火时刻及燃烧持续期依赖于气门定时、空燃比及转速。     

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa（pIMEP）的范围实现HCCI燃烧.     

汽油机均质压燃燃烧模型及其在CAI发动机模拟中的应用

通过分析4冲程HCCI／CAI燃烧特性，以大量的CAI燃烧示功图数据为基础，总结出一个适用于描述CAI燃烧速度的经验函数．将该函数应用于GT-Power模拟软件，并结合自行开发的凸轮型线自动生成模块，研究了进、排气门定时及升程等参数对CAI燃烧的影响，以及拓展CAI运行范围的途径．结果表明，排气门升程对平均指示压力(IMEP)的影响比进气门升程要大，较大的排气门升程有利于大负荷工况，在大进气门升程时，由于进气回流导致负荷减少．     

基于MATLAB的增压柴油机高工况放气研究

为了控制某船用增压柴油机最高燃烧压力,采用了高工况放增压空气的措施。在MATLAB/SIMULINK中建立了带有放气的基于充满与排空法的增压柴油机瞬态模型,通过模拟计算,分析了放气对柴油机最高燃烧压力的影响;模型中采用了积分分离PI控制器来调节放气阀,并整定了PI参数。控制结果表明:所建模型的超调量小,响应速度快,控制精度高,达到了比较好的控制效果,实现了最高燃烧压力的控制。     

基于振动信号及瞬时转速信号的HCCI燃烧模式辨识

HCCI汽油发动机一般采用组合燃烧控制策略,根据发动机工况不同,HCCI汽油机分别采用SI燃烧模式、SI-HCCI燃烧模式和HCCI燃烧模式.在这种控制方式下,燃烧模式的辨识具有非常重要的作用与意义.笔者在装有全可变气门系统的汽油HCCI发动机上,测取HCCI发动机各工况下爆震传感器信号和瞬时转速信号,用时频分析方法从爆震传感器信号和瞬时转速信号中提取了特征量,分析了它们和HCCI汽油机燃烧模式之间的关系.通过辨识函数分析,基于爆震传感器信号特征量和瞬时转速信号特征量,建立了的HCCI燃烧模式辨识模型.分析表明,HCCI燃烧模式辨识模型能够较好地辨识出HCCI的燃烧模式,总体辨识成功率在75%左右.     

柴油均质压燃发动机的循环模拟研究

建立了一个柴油均质压燃发动机的零维循环计算模型，用基元反应机理和感应时间（EMIT）模型预测着火正时，用拟合的对数正态分布函数计算不同工况的放热率。与试验的对比表明，模型能够比较准确地预测不同工况柴油均质压燃发动机的工作性能。用建立的模型分析了配气定时对柴油均质压燃燃烧过程的影响，计算表明配气定时可以控制均质压燃燃烧的运行工况范围。     

高压共轨柴油机轨压双闭环控制策略研究

为了改善共轨压力控制的精度和稳定,通过Matlab/Simulink完成高压共轨压力控制策略的建模和优化。针对执行器扰动带来的精度下降问题,设计了基于轨压和燃油计量阀驱动电流信号的两级闭环控制算法;针对闭环系统的时滞性,融合了前馈控制与反馈控制,提高了轨压控制精度与瞬态响应。最后在油泵台架与发动机台架上验证了该控制策略。试验结果表明,该策略的轨压稳态偏差在±0.5MPa以内,瞬态偏差在±(2~5)MPa以内,满足车用柴油机的轨压控制需求。