缸内直喷汽油机燃烧控制策略及实现

文章编号 :1000 - 0925 (2004) 03 - 004 - 04 250044 缸内直喷汽油机燃烧控制策略及实现 雷小呼1 ,王燕军1 ,王建昕1 ,程 　勇2 ( 1 . 清华大学 汽车安全与节能重点实验室 ,北京 100084 ;2 . 山东大学 能源与动力工程学院) The Principal and Practice of Combustion Controll ing in an In2cylinder Gasoline Direct Injection Engine L EI Xiao2hu1 , WANG Yan2jun1 , WANG Jian2xin1 ,CHENG Yong2 (1. State Key Lab of Automotive Safety and Energy , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 2. Energy and Dynamic Institute , Shandong University) Abstract :In this paper , the technique of two2stage fuel injection is used to control mixture preparation and combustion process of an in2cylinder direct injection gasoline engine. This engine and its electronic fuel injection control system are introduced. A series of experiments by altering the injection parameters is carried out to test the influence on engine performances. The test results show that the engine performance is greatly affected by the sec2 ond injection timing and the ratio between the first and second injected quantities , and the fuel economy is better as the engine runs at the A/ F ratio of 18∶1. 摘要 :本文介绍了基于两次燃油喷射的缸内直喷汽油机的开发 ,着重介绍其中的喷油电控 系统。两次燃油喷射技术被用来控制混合气形成和燃烧 ,以降低燃烧系统设计的复杂程度。 设计开发了控制两次喷油的时间及喷油量的电控系统 ,可以精确控制高压旋流喷嘴的喷雾。 进行了改变喷油参数对发动机性能影响的试验 ,结果明 :第二次喷油时刻及一、二次喷油量 分配比例对发动机性能影响较为显著 ;在空燃比接近 18 时 ,发动机燃油经济性较好。 关键词 :内燃机 ;缸内直喷 ;两次燃油喷射 ;燃烧控制 ;喷油参数 Key Words : I. C. Engine ; In2cylinder Direct Injection ; Two2stage Fuel Injection ; Combustion Control ; Injection Parameter 中图分类号 : TK413. 8 　　　　　　文献标识码 :A 1 　概述 为节能和减少 CO2 排放 ,采用分层稀薄燃烧技 术的缸内直喷汽油机 (gasoline direct injection ,简称 GDI)引起了广泛关注。与传统的进气道喷射式 ( PFI)汽油机相比 ,缸内直喷汽油机在改善燃油经济 性方面具有明显的优势 ,而且动力性也可超过 PFI 发动机[1～4 ] 。缸内直喷汽油机直接将燃油喷射到气 缸中 ,通过改变喷入气缸的油量来控制发动机负荷。 这种质调节方式使得发动机在中小负荷工况时不需 使用节气门来限制油量 ,大大减少了发动机在换气 过程中的泵气损失。研究表明 ,一般部分负荷采用 分层稀薄燃烧模式的 GDI 发动机在动力输出比进气 道喷射的汽油机增加将近 10 %的基础上 ,燃油经济 性可改善 25 %左右[5 ] 。目前国外开发较完善的 GDI 产品 ,均采用“远距离输送”方式 ,即火花塞布置离喷 油器较远 ,油束直接喷向具有一定形状凹坑的活塞 顶部 ,通过气流和燃烧室壁面的引导作用形成分层 混合气。这种燃烧系统不仅要利用进气滚流配合 , 并且需要采用优化设计的活塞顶曲面形状来实现合 理的分层结构。作者设计的缸内直喷汽油机采用两 次燃油喷射技术来控制缸内混合气的形成分层混合 气。这种燃烧系统不仅要利用进气滚流配合 , 并且需要采用优化设计的活塞顶曲面形状来实现合 收稿日期 :2003208227 项目基金 :国家 863 课题“稀燃汽油机氮氧化物净化技术”( 2001AA643030) 作者简介 :雷小呼( 1979 - ) ,女 ,硕士生 ,主要研究方向为缸内直喷汽油机的开发 , E2mail :leixh01 @mails. tsinghua. edu. cn。 　第 25 卷 (2004)第 3 期 内 　燃 　机 　工 　程 　Neiranji Gongcheng 　　　　　　　　　　　　Vol. 25 (2004) No. 3 理分层结构。设计的缸内直喷汽油机采用两次燃油 喷射技术控制缸内混合气的形成和燃烧 ,以达到简 化燃烧室设计的目的。本文主要介绍燃烧控制策略 及所用喷油电控系统 ,并对试验结果进行简要分析。 2 　基于两次喷射的燃烧控制策略 缸内两次燃油喷射是将每循环所需燃油分别在 进气冲程和压缩冲程喷入气缸 ,比单一进气冲程较早 喷射或压缩冲程较晚喷射能更好地实现不同工况下 对混合气的要求 ,可简化燃烧室设计 ,减低对气流运 动的要求 ,且在工况过渡时能避免控制逻辑复杂的燃 烧模式切换。如图 1 所示 ,燃烧室活塞顶部设计为圆 柱形凹坑 ,采用双侧置式结构布置喷油器和火花塞 , 通过精确计算 ,设计火花塞间隙与喷油嘴间距 ,避免 火花塞沾湿和积碳问题。利用两次燃油喷射系统 ,通 过对两次喷油时刻及喷油脉宽的精确控制 ,在气缸内 形成均质或分层稀薄混合气 ,以实现缸内直喷汽油机 在各工况下对混合气的要求。中小负荷工况下 ,调节 第一次喷油时刻控制喷油器在进气冲程进行喷油 ,由 于采用高压旋流式喷嘴 ,燃油雾化较好 ,并且喷入时 间较长 ,油雾在缸内气流运动作用下能更好的蒸发混 合 ,形成均质稀薄的混合气。压缩冲程进行第二次喷 油 ,燃油主要集中在浅圆柱形活塞凹坑内 ,在进气涡 流作用下 ,运动至火花塞间隙处 ,形成较浓混合气 ,实 现分层稀薄燃烧。发动机在大负荷工况下时 ,通过增 加第一次喷油量及减小第二次喷油量并调节喷油时 刻 ,可在缸内形成较为均匀的混合气 ,实现均质燃烧。 图 1 　缸内直喷汽油机燃烧室设计 3 　两次喷油电控系统开发 为实现发动机两次燃油喷射的要求 ,设计了一套 基于两次喷射的喷油电控系统。所要控制的四个喷 油参数分别是 :第一次喷油时刻 (距进气上止点角度) 及喷油脉宽 ;第二次喷油时刻 (距进气下止点角度)及 喷油脉宽。电控系统硬件及软件设计介绍如下。 3 . 1 　硬件设计 喷油电控系统硬件主要元件包括旋转编码器、 喷油控制 ECU、喷油驱动模块、喷油器、监控 PC。图 2 为喷油电控系统构成示意图。 图 2 　发动机燃油喷射控制系统 (1)旋转编码器 :其连接轴与油泵轴相连 ,可产 生三路脉冲信号。一路为油泵轴旋转一周输出一个 脉冲的同步信号 (与上止点位置恒差一固定角度 ,记 为同步信号与上止点偏差) ,用来作为上止点基准信 号。另两路为油泵轴旋转一周输出 720 个脉冲的转 角信号 ,用来确定曲轴转角位置。 (2)喷油控制 ECU 为系统的主要设计元件 ,包括 CPU、A/ D 转换器、电压转化电路、整形电路、输入电 路及输出电路 ,构成框图见图 3。工作原理如下 :输入 电路用于将给定的喷油时刻和喷油量转换成电压值 , 输出至 A/ D 转换器。A/ D 转换器中的 4 路用来接收 第一次和第二次喷油时刻、喷油脉宽转换成的电压 值 ,第 5 路接收同步信号与上止点偏差。CPU 开启 A/ D 转换器 ,将模拟量 (电压值) 处理成数字信号输 入 ,同时同步信号和转角信号经整形电路处理为方波 信号 ,输入 CPU 进行数据处理。CPU 采用 AT89C51 微控制器 ,将输入的同步信号和转角信号与经处理给 定输入量 (喷油时刻和喷油脉宽) 进行计算、比较 ,产 生喷油信号并经输出电路转换成驱动模块所需信号 驱动喷油器喷油。 (3)喷油器及喷油驱动模块 :喷油器采用的是国 外 GDI 发动机上常用的高压旋流式喷油器 ,并采用 了电流驱动型喷油驱动模块。 (4) 监测 PC 分上位机和下位机两部分 ,主要用 来监控系统的正常运行 ,并采集发动机性能参数。 下位机采用数据采集卡采集稳态和瞬态信号。在本 系统中 ,其中五路稳态信号接口用来监测第一、二次 喷油时刻、喷油脉宽以及同步信号至上止点偏差信 号 ,瞬态信号接口采集喷油信号、缸压信号及其它需 要采集的信号。上位机则安装相应的软件来实现对 信号的采集以及监测。 ·5·　2004 年第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　内 　燃 　机 　工 　程 图 3 　电控系统 ECU 结构图 3 . 2 　软件设计 电控喷油系统的软件使用汇编语言开发 ,以产生 输入喷油驱动模块的喷油信号。程序包括主程序、中 断服务程序和定时器溢出程序。中断引脚外接同步 和转角信号 ,中断服务程序通过软件计数器累加转角 信号脉冲个数来确定曲轴转角。主程序 (其流程见图 4)主要是对两次喷油时刻和喷油脉宽进行数据处理 , 并通过软件计数器与曲轴转角进行比较 ,逐次判断是 否为一、二缸第一、二次喷油时刻 ,并控制喷油开启。 定时器溢出程序则用来控制喷油关闭。 图 4 　主程序流程图 在试验中 ,两次燃油喷射的喷油输出信号波形 图可通过监控 PC 观察到 ,如图 5 所示 ,图中上栏数 字依次为一次喷油时刻、喷油脉宽 (单位μs) 、二次喷 油时刻及喷油脉宽。从图可看出 ,发动机实际工作 图 5 　两缸喷油信号波形及第二缸示功图 时实现了两次燃油喷射 ,并且实际的喷油时刻和脉 宽与设定值一致。因此 ,此控制系统满足试验要求。 4 　发动机初步试验结果及分析 试验主要是确定发动机稳定运行的工况区域 , 并在这些工况下 ,研究喷油时刻、喷油脉宽等喷油参 数及其他重要参数如点火提前角等对发动机性能的 影响 ,同时检验开发的喷油电控系统的可行性。试 验是在 295 柴油机改装而成的缸内直喷汽油机上进 行。发动机主要参数见表 1。除了加装自行设计的 两次喷射电控喷油系统外 ,还加装了点火系统 ,点火 控制部分采用 DEL PHI 公司 PC2HUD 电控系统的 点火模块。同时还对燃烧系统及供油系统进行了改 造 ,喷油系统采用高压共轨装置 ,喷油压力为 5MPa。 以下试验中 ,发动机转速均控制在 1880r/ min。 表 1 　缸内直喷发动机主要参数 结构 原机 缸内直喷汽油机 发动机型式 双缸、立式、自然吸 气、水冷、四冲程 双缸、立式、自然吸 气、水冷、四冲程 缸径×冲程 ,mm 95 ×115 95 ×115 压缩比 17 11 燃烧室形状 ω形 圆柱形凹坑 进气道形状 螺旋进气道 螺旋进气道 喷油器 4 孔 旋流散喷 喷油压力 ,MPa 17 5 4 . 1 　缸内直喷汽油机的循环波动 图 6 所示是 GDI 发动机与进气道喷射式汽油机 示功图对比的一例。从图可看出 , GDI 发动机的循环 波动很小 ,可保证发动机的正常稳定工作 ,在一定循 环内燃烧不正常和失火现象也可得到明显的改善。 4 . 2 　第二次喷油时刻对发动机性能的影响 为研究第二次喷油时刻对发动机性能的影响 , 试验中固定第一次喷油时刻及一、二次喷油量比例 不变 ,在点火提前角为 27. 4°CA 条件下 ,考察第二次 喷油时刻从进气下止点后 54°CA 变化到 85°CA 时动 力性和燃油经济性的变化规律。图 7 是以第二次喷 ·6· 内 　燃 　机 　工 　程 　　　　　　　　　　　　　　　2004 年第 3 期 　 图 6 　GDI 发动机与传统汽油机示功图对比 油时刻为下止点后 54°CA 时的性能为基准 ,得到的 油耗和扭矩的变化。从中可以看出 ,第二次喷油发 生在进气下止点后 62°CA 左右时 ,发动机的输出功 率最高 ,同时油耗率最小。主要原因是当第二次喷 油时刻控制在下止点后 62°CA 左右时 ,缸内形成了 更合理的混合气分层结构 ,火花塞周围为较浓的混 合气 ,火焰在浓区传速度快。 图 7 　第二次喷油提前角对发动机性能的影响 ■—■扭矩 　　◆—◆油耗率 4 . 3 　两次喷油量的分配比例对发动机的性能影响 第一、二次喷油时刻和喷入总量不变 ,改变其喷 油比例。可发现喷油量的分配比例对发动机的性能 影响显著。图 8 是以两次喷油量的分配比例为 2∶1 的性能为基准 ,得到的油耗和扭矩的变化。第二次 喷油较多时 ,由于第二次喷入的燃油没有完全雾化 蒸发 ,导致油耗和排放恶化。随着第一次喷油量增 加 ,发动机功率上升 ,油耗率下降。当第一、二次喷 油分配比例为 2. 5∶1时 ,发动机的动力性及经济性最 好。第二次喷油量继续减少时 ,由于失火现象严重 , 发动机燃烧恶化 ,油耗率上升。 4 . 4 　空燃比变化对发动机经济性的影响 固定第二次喷油量 ,改变第一次喷油量和节气门 开度来改变空燃比。图 9 所示 ,随空燃比由浓到稀变 化 ,发动机油耗率下降。在空燃比接近 18 时 ,发动机 油耗率最小 ,此时火花塞周围形成了浓度合适的混合 图 8 　第一、二次油量比对发动机性能的影响 ◆—◆油耗率　　▲—▲扭矩 气 ,使点火稳定 ,火焰传播速度快、等容度高热功转换 效率高 ,所以发动机燃烧较好 ,输出功率较高 ,油耗较 低。而随着空燃比提高 ,发动机性能恶化。 图 9 　发动机油耗率随空燃比的变化曲线 ◇—◇一次脉宽 2. 8ms 　　●—●一次脉宽 3. 2ms 5 　结论 (1)设计开发的基于两次喷射的喷油电控系统 能较好的配合燃烧系统实现对混合气形成及燃烧过 程的控制 ,控制喷油参数较为方便可靠 ; (2)开发的缸内直喷汽油机在一定工况下运转 稳定 ,循环波动较小 ; (3)调节第二次喷油时刻及一、二次喷油量分配 比例对发动机性能影响显著 ; (4)当空燃比在 18 左右 ,发动机经济性较好。 参考文献 : [1 ] 　Zhao F Q , et al. 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