缸内直喷汽油机直接起动过程燃烧与排放控制研究

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随着汽车保有量的增长，大中型城市堵车的现象日益严重，由此带来的怠速排放增长量不可忽视。另一方面，能源危机使得发动机经济性的要求日益严格，迫使科研工作者对怠速油耗做出相应的改善。怠速停机直接起动技术作为一种行之有效的方式，取消了车辆在红灯停车以及堵车情况下的怠速运转过程，减少怠速排放的产生并改善了油耗。采用缸内直喷的汽油机则能利用其特有的喷油特性，通过停机时处于压缩冲程的气缸中喷油点火，推动活塞使发动机反转压缩处于膨胀缸内的气体，此后向被压缩的膨胀缸内喷油点火推动发动机正转，实现直接起动过程。缸内直喷汽油机直接起动技术已得到国外的认可，目前已有采用类似技术的成品发动机投放市场。由于不用在发动机上另外加装设备，该技术应用前景较好。
　　本文对缸内直喷汽油机直接起动过程中起动首缸喷油后缸内混合气的浓度分布规律进行了详细的研究，分析了不同控制策略下缸内燃油的蒸发情况。通过直接起动过程中燃烧与排放的分析，确定了优化的控制参数，并得到直接起动首循环各缸的控制策略。
　　本文首先设计搭建了模拟喷射试验台架，通过采用氢火焰离子化检测技术的快速碳氢测量仪对模拟缸内喷油后混合气的浓度分布进行测量，得到了喷油后混合气浓度分布随时间变化的规律。测量结果表明，直接起动首缸喷油后缸内混合气浓度分布不均，喷油器远端壁面以及活塞顶部混合气较浓，而在喷油器下端壁面以及火花塞附近的混合气浓度较低。另外，大量燃油附壁难以形成混合气，故应采取加浓喷油的方式保证火花塞附近混合气的浓度利于点火，加浓比例超过1.4。通过温度对混合气浓度分布影响的研究表明，随温度的升高，燃油的蒸发比例增大，但趋势减缓。在直接起动的冷却水温度范围内，提高温度对混合气的形成有促进作用，同时能增大火花塞附近混合气的浓度。通过研究不同燃料在直接起动首缸中的蒸发附壁情况表明，醇类汽油不利于采用直接起动技术。通过对多段喷射下缸内混合气浓度分布变化规律的研究表明，多段喷射能够改善缸内混合气的浓度分布，但过多的喷射段数不利于整个缸内新鲜空气的充分利用。混合气浓度分布较好的喷射段数为3-4段。
　　设计并搭建了2.0L缸内直喷汽油机直接起动试验台架用于研究直接起动过程中各缸的燃烧和排放特性，并采用独立设计的控制系统进行控制。对点火策略的研究表明，点火正时选择在缸内混合气浓度分布较为均匀后，该时刻约为喷油后50ms。通过喷油量对起动过程中燃烧和排放特性的研究表明，在保证点火可靠性的前提下，不能采用过大的加浓喷油比例，较好的火花塞附近混合气当量比为0.7-0.8。由于加浓喷油比例较大，过小的起动首缸容积降低混合气燃烧性能增加碳氢排放；过大的容积使得混合气燃烧后做功能力不足，影响发动机的运动能力。较好的起动位置为压缩上止点前70-80o曲轴转角。冷却水温度能增加气缸内的空气质量，提高燃烧产生的总能量，但提升幅度有限，同时增加大量碳氢排放，故停机时应保持较高的冷却水温度。
　　研究了多段喷射以及补充喷射的喷油控制策略对燃烧和排放的影响规律。多段喷射能改善了混合气浓度分布，故形成相同实际当量比混合气的情况下，多段喷射燃烧能产生更大的能量。多段喷射能降低碳氢排放，但随着喷油量的增长，其对排放的改善效果降低。最优的多段喷射策略为3段喷射。补充喷射增加点火前气缸上部的混合气浓度，提高点火可靠性，提升燃烧速度。研究结果表明，补充喷射也能增大燃烧产生的能量，降低碳氢排放。同样随着喷油量的增长，其对排放的改善效果减弱。补充喷射的提前时间应小于5ms。通过两种喷射策略的对比研究表明，在较小的喷油量下，补充喷射能够获得比多段喷射更好的燃烧和碳氢排放性能提升，但随着喷油量的增大，多段喷射对燃烧和排放的改善逐渐好于补充喷射。直接起动首缸可以采用补充喷射的喷油策略改善燃烧和排放特性，也可将两种喷油策略结合提高直接起动性能。
　　研究了直接起动首循环后续三缸的控制策略。起动第二缸喷油需进行加浓，但加浓比例小于起动首缸；喷油正时尽量提前，改善燃油的蒸发情况，提高与缸内空气的混合程度；点火正时应略早于活塞运动的最高点，提高燃烧能量的利用率，降低对活塞运动的阻碍作用。对于直接起动的第三缸和第四缸，略微加浓的喷油量可提高燃烧后的转速，同时保证点火的可靠性。喷油正时应位于进气门关闭角之后提高燃烧做功能力。起动第三缸的点火正时存在优化值为压缩上止点前20o曲轴转角，起动第四缸的点火正时需要设定较大的点火提前角。通过直接起动首循环后续缸控制参数的研究，得到了完整的直接起动首循环控制策略，指导直接起动过程顺利进行。

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作者
肖茂宇;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科动力机械及工程
授予学位博士
导师姓名邓康耀,石磊;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类汽油机;
关键词
汽车缸内直喷汽油机; 直接起动; 燃烧过程; 排放控制;

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