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汽油机稀燃燃烧稳定性控制
2019-10-15 00:23:49· 来源：内燃机学报
汽油机稀燃燃烧稳定性控制汽油机稀燃能够最大限度提升发动机经济性以及降低油耗，其优势主要体现在以下几个方面：在发动机不出现失火或者火焰中断的情况下，发动
汽油机稀燃燃烧稳定性控制
汽油机稀燃能够最大限度提升发动机经济性以及降低油耗，其优势主要体现在以下几个方面：在发动机不出现失火或者火焰中断的情况下，发动机的热效率随着过量空气系数的增加而增加。因为随着过量空气系数的增加，参与燃烧的燃油量变小，缸内最大爆发压力降低，缸内温度变低，发动机壁面热传导变少。缸内燃油雾化效果更好，在不出现失火的条件下，混合气燃烧更完全；在稀燃模式下，由于缸内氧浓度增加，如果反应时间足够，CO和THC容易被氧化，CO和THC排放明显减少，由于缸内温度变低，NOx浓度也降低。同时缸内直喷发动机在稀燃模式下，不存在局部过浓混合区，形成的聚集态微粒较少，同时核态微粒在氧气充足且滞留时间长的情况下容易氧化，所以采用稀燃模式可以减少微粒排放；传统汽油机一般通过改变节气门开度来控制进气量调节发动机的功率输出，但是稀燃模式可以通过改变喷油来调节发动机负荷，减少泵气损失，发动机热效率增加，油耗率降低。
但是汽油机稀燃也存在着明显的劣势，具体体现在以下几个方面：在稀燃模式下，如果过量空气系数过大，会出现发动机燃烧恶化，火焰传播会出现中断，甚至出现失火；在稀燃模式下，缸内最大爆发压力随着过量空气系数的增大而减小，在稀燃模式下发动机动力性较低，所以稀燃模式一般只用于中小负荷，在高速大负荷很难保证发动机的功率输出；在稀燃模式下，稀混合气相对较难点燃，这对火花塞点火能量以及喷油时刻和点火时刻的配合提出了更高的要求。本期推送将介绍汽油机稀燃燃烧稳定性控制的技术措施。
图1为不同空燃比时IMEP以及COV（IMEP）分布图，当空燃比为1.1时，IMEP的循环波动率最低，其后随着空燃比的增加持续增加。空燃比对燃烧相位的影响见图2。图1的结果与图2的结果很相似，CA10、CA50以及CA90的变化范围增加，这是由于混合气较稀使得初期火核形成困难以及火焰传播速度较慢。因此为了充分发挥稀燃燃烧的潜力，需要合理权衡燃烧稳定性以及热效率之间的关系，这也是该研究的主要目的，实现较高热效率的同时，提升燃烧的稳定性。研究中定义了以下参数：
图1 不同空燃比时IMEP以及COV（IMEP）分布图
图2 不同空燃比时燃烧相位分布图
图3为不同工况下最优热效率分布图，当空燃比为理论空燃比时图中所描述的最佳热效率的问题是清晰明了的，这是因为最佳点火提前角通常与最小燃烧波动率保持一致。在这种情况下，可以将最佳热效率随点火时刻变化关系划分为两个区，一个区为内部空间（如图3a所示），一个区为外部空间（如图3b所示），在外部空间由于燃烧变化率增加使得在相同燃烧变化标准下可行的区域缩小。在这种情况下，最佳的点火时刻提前可能无法实现并达到饱和，这是因为点火时刻提前超出了可行范围。因此，只有在边界点上达到较为理想的结果。总而言之，无论在何种情况下，本研究期望开发一种算法能可以实现尽可能高的热效率，同时避免燃烧波动率恶化。
图3 不同工况下最优热效率分布图
控制策略分析
为了降低燃烧波动，构建了双回路（点火提前回路和燃油喷射回路）反馈控制方案。除了基本的变量约束功能外，在点火提前回路中增加了ES模块，以提高热效率，具体控制器结构见图4。
图4 控制器整体结构图
变量限制模块
在变量限制模块中点火提前角和燃油喷射参数是主要控制的参数，用于控制CA50以及IMEP，这是因为这个两个参数与输入和输出条件有着强烈的线性关系。每缸的连续循环IMEP和CA50值进行取平均，然后作为每缸实际计算的设定值，具体公式如下：
上式中k为循环数量；α，β为相关的系数（0,1）。为了保证每缸循环变动限值合理，采用基于柱态统计假设检验的控制器求取参照平均值对每缸的IMEP和CA50进行调节。图5给出了基于假设检验的控制器的示意图。
图5 假设检验控制的逻辑框图
图6为空燃比控制器的详细程序框图，在该框图中输入控制的燃油喷射量信号是前馈信号，这样能够保证排气歧管处的空燃比（在本研究中该值为1.5），而且点火提前角信号也是前馈信号，已经预先校准了MBT的正时。除了前面提到的前馈和反馈结构外，ES功能还包括在火花提前控制回路中，其详细信息将在下一部分介绍。
图6 空燃比控制器的详细程序框图
效率最优模块
ES模块被认为是有效的在线优化方法，尤其是确定了对应参数的限制条件。该模块是基于梯度迭代的优化方法，该方法已经在确定静态图和动态系统的极值方面被广泛应用和证明。具体而言，如果系统的输入与输出之间存在某些映射的假设，就可以执行ES模块。在新数据到来之前完成最近输入-输出数据梯度计算，输入调整将持续进行直到计算的梯度收敛为零为止，此时获得了输入的极值。极值寻找控制器的逻辑框图见图7。
图7极值寻找控制器的逻辑框图
实验验证
实验是在一台丰田普锐斯发动机上开展的，该发动机采用气口喷射的方式，通过控制燃油喷射以及节气门开度发动机可以运行在空燃比1.0-1.6的区间。图8为实验设备框图，表1为实验工况点选择表。
图8 实验设备框图
表1 实验工况点
实验结果分析
实验过程中保持发动机转速恒定，节气门开度恒定，λ保持在1.55。开始实验时，首先开展冷却水温度实验，用于验证ES控制器的自我优化性能。在开始进行算法试验时，需要进行该工况MBT定时以及可行工作区域摸索实验（分别在80℃和95℃冷却水温度套件下开展）。
正如引言中所述，当通过调节点火角来优化热效率时，最佳的点火角度可能会落在某些约束定义的点火角可行区域之外。虽然在验证实验期间没有发生该现象，但是确实发生了“边界情况”（最佳的点火角位于可行区域的边界），如图9所示。
图9 内部区域以及外部区域实验数据范例
图10 点火角以及燃油控制过程
图11 为了更好地阐述气缸输出响应变化的平滑控制过程
图12 发动机热效率数据
图13 输出结果对比图
图14 放热率曲线对比图
图10到14为一个实验工况的结果。其中，图10a和图10b展示了点火角以及燃油控制过程，上游数据为输入命令，下游数据为循环输出响应。为了便于比较，在最初的650个循环中，两路控制输入均保持恒定（SA回路中保持MBT正时，在燃油喷射回路，保证歧管λ为1.55）。然后，控制器开始工作，气缸输入指令开始变化。为了更好地阐述输出响应，对输出数据进行滤波，结果如图11。优化的CA50变化范围小于4°ATDC，这明显小于在理论当量比时的最佳窗口数据（8-10°ATDC）。因为在稀薄燃烧下火焰的产生和快速燃烧持续时间都被延长了，因此需要更长的燃烧过程以达到最佳效率。启动控制器后，可以明显观察到气缸输出信号的收敛趋势，各缸的CA50以及IMEP的明显失衡现象大大减少，但是热效率数据没有类似的趋势，如图12所示。为了更好地比较控制前后燃烧性能变化，对每缸数据进行了统计分析，结果见图13所示。通过比较CA50和IMEP的标准化直方图，可以得出结论，控制后输出响应的方差减小。假设数据是高斯分布，那么直方图的分布可以支持上述结论。控制后的数据的拟合方差明显小于控制前的数据。所有实验点的总体评估结果见表2和表3。
表2 变量约束评估结果
表3 效率提升结果
结论
虽然稀燃燃烧能够提升发动机热效率，但是燃烧波动的增加使混合气浓度变稀受到了限制；高度稀释的混合气会使IMEP以及CA50的循环波动增加，这不仅对热效率提升有害，同时也危害驾驶性能。
燃油喷射的控制以及点火时刻的提前是控制IMEP和CA50的关键参数，控制器初始化之后，各缸不均匀性明显降低。统计数据分析可以很好证明上述结论，引入控制器后燃烧关键参数的变化范围明显减少，降幅可达28%。
一种ES算法被用于提升发动机热效率，但是该算法是基于预先标定的MAP运行，在实际应用过程中由于环境的变化以及发动机老化，离线标定不能保证发动机达到最佳的热效率。
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