高稀释低温SFI燃烧汽油机燃烧相位控制研究

摘要

高稀释低温燃烧具有同时提高热效率和改善排放的巨大潜力而受到广泛关注，但其对缸内热状态敏感，燃烧相位和放热过程控制困难。针对这一工程应用瓶颈，本研究通过引入火花点火，采用进气道-缸内直喷双喷射(PFI-DI)策略，实现了分层火焰引燃的混合燃烧(SFI)。构建了基于缸内状态估计的面向控制的燃烧相位预测模型，并提出了基于模型前馈和主动扰动观测的燃烧相位控制方法，力图突破高稀释低温燃烧的燃烧相位和放热过程的控制瓶颈。
　　首先，本研究以一台四缸增压直喷汽油机为原型机，通过改造进排气系统，扩充PFI喷射系统及外部EGR系统，并开发了基于MicroAutobox和RapidPro快速原型的控制系统，实现了发动机的稳定运行。为了支持控制算法研究，建立了GT-SUITE仿真平台，进行了实验标定和验证。
　　其次，为估计缸内热状态进而实现对燃烧相位的有效预测，建立了缸内残余废气率和温度的估计模型及SFI燃烧相位预测模型。通过引入排气散热子模型和传感器延迟补偿算法，减少瞬态工况下的估计延迟和稳态偏差。验证结果表明，该模型对缸内残余废气率的估计相对误差在4％以内。针对SFI燃烧的火焰传播和自燃放热的双阶段放热特征，建立了自燃时刻和CA50预测模型，兼顾火焰传播和自燃燃烧对燃烧相位的影响。发动机台架实验验证结果表明，在1500r/min，IMEP为3.5bar至5.5bar SFI燃烧工况范围内，该模型对自燃时刻和CA50的预测偏差在2℃A以内。
　　再次，为实现对燃烧相位的有效控制，设计了以进气门关闭时刻(IVC)和点火时刻(ST)为调控手段的燃烧相位控制算法。基于所建立的缸内热状态估计模型和燃烧相位预测模型进行前馈，利用总扰动观测器对前馈偏差和外界干扰进行补偿。仿真结果表明，在负荷和转速过渡工况，燃烧相位控制算法可以实现对燃烧相位的快速跟踪，其控制精度在2℃A以内。实验验证结果表明，在变负荷和变转速工况，燃烧相位波动幅度小于5℃A，燃烧稳定（循环波动小于5％），压升率小于5bar/℃A。
　　综上所述，本文所建立的缸内温度和废气率以及SFI燃烧的燃烧相位预测模型，实现了对缸内热状态和CA50的有效估计;所提出的燃烧相位控制算法，保证SFI燃烧在瞬态工况下运行的稳定性，为SFI燃烧的工程应用奠定了重要基础。

目录

声明

摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 高稀释低温燃烧技术研究的重要意义及技术瓶颈

1．2 SI-HCCI混合燃烧及面临的主要挑战

1．3 SFI燃烧及改善燃烧稳定性和可控性方面的优势

1．4 SFI燃烧相位的控制问题及研究现状

1．5 本文研究内容及意义

第二章 研究平台介绍

2．1 实验研究平台

2．1．1 多缸汽油机台架

2．1．2 发动机控制系统

2．1．3 发动机采集系统

2．2 一维仿真平台

2．3 关键参数定义及计算方法

2．4 本章小结

第三章 SFI燃烧相位预测模型

3．1．缸内温度和组分状态估计

3．1．1 缸内残余废气率估计模型

3．1．2 缸内温度估计算法

3．2 燃烧相位预测模型

3．2．1 自燃着火时刻预测

3．2．2 燃烧相位CA50预测

3．3 燃烧相位预测模型效果验证

3．3．1 缸内残余废气率和温度估计模型验证

3．3．2 自燃着火时刻和CA50估计模型验证

3．4 本章小结

第四章 SFI燃烧相位控制

4．1 燃烧相位控制架构

4．2 燃烧相位控制算法设计

4．3 燃烧相位控制效果验证

4．3．1 仿真验证

4．3．2 实验验证

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢