孙祐成等
摘 要：通过喷油控制实现了双模式柴油机燃烧模式等指示平均有效压力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP）运行，在此基础上通过在均值充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）燃烧循环中引入排气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR），推迟HCCI燃烧相位，进一步实现了燃烧模式等IMEP运行基础上的等CA50切换，并重点研究了EGR切换策略对燃烧模式切换过程中CA50平顺性的影响，确定了最优的EGR切换策略。试验结果表明，CI-HCCI燃烧模式切换过程，最优的EGR切换策略为无量纲循环数等于4.8方案，COVCA50仅为16.4%，较同时切换时减小了28%；HCCI-CI燃烧模式切换过程，最优的EGR切换策略为无量纲循环数等于0.6方案，COVCA50仅为13.8%，较同时切换时减小了30.3%。
关键词：柴油；均质充量压燃；燃烧模式切换；排气再循环
中图分类号：TK421.5文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.02.05
Abstract：EGR is effective for delaying the combustion phase（CA50）. Combustion mode switching under the same CA50 was realized by introducing EGR in HCCI combustion. Effects of EGR switching strategy on the smoothness of CA50 during mode switching process were studied experimentally. The results show that for the optimal EGR switching strategies for CI-HCCI and HCCI-CI mode switching，andare respectively equal to 4.8 and 0.6， and the COV of CA50 during mode switching process is respectively decreased to 16.4% and 13.8%， and respectively reduced by 28% and 30.3% compared to simultaneous switching levels.
Key words：diesel； homogeneous charge compression ignition； combustion mode switching； exhaust gas recirculationg
HCCI燃烧是均质混合气压燃着火，缸内可燃混合气多点着火燃烧，能有效降低NOx和碳烟排放。在较高负荷时，HCCI燃烧反应速率过快，容易引起爆震燃烧，导致缸内压升率过高，引起发动机的机械负荷和热负荷过大，甚至造成发动机损坏，同时会引起发动机高噪声和高的NOx排放。在低负荷、低转速工况下，因燃烧反应速率过慢引起火焰温度过低，难以形成稳定的着火条件，导致燃烧不充分，形成大量的未完全燃烧产物，有害排放物增加，并且怠速工况下容易出现“失火”。因此，HCCI发动机的负荷范围受到限制[1-3]。双燃烧模式HCCI发动机作为一种解决方案出现，即在低负荷和高负荷采用传统的柴油压燃燃烧模式（Compression Ignition，CI），在中低负荷采用HCCI燃烧模式，这也带来了燃烧模式切换控制的问题。
燃烧模式切换过程控制困难在于，HCCI燃烧对缸内温度、混合气浓度分布等热环境比较敏感，燃烧模式切换必然带来缸内热环境的改变，造成切换过程的IMEP等燃烧参数的波动[4]。同时，HCCI燃烧喷油时刻较CI燃烧要早，缸内均质混合气在压缩过程早期就已经开始了低温放热过程，导致HCCI较CI燃烧相位的提前，直接模式切换会造成发动机燃烧相位的大幅变动，不利于发动机热效率和排放性能。
目前，柴油HCCI燃烧瞬态切换的研究主要集中在改善切换过程IMEP平顺性方面，对燃烧模式切换过程燃烧相位控制的研究较少。俄亥俄大学[5]采用进气道加装柴油雾化装置进行了CI/HCCI燃烧模式切换的研究，实现了切换过程的平顺性控制。清华大学[6]通过加装启动电机对瞬态切换过程中的动态转矩进行补偿控制，改善了动力输出的平顺性。天津大学[7]针对汽油HCCI燃烧，开展基于IMEP闭环控制的研究。上海交通大学[8]通过不同燃油补偿手段，改善了CI-HCCI模式切换过程中IMEP的平顺性。
燃烧相位是发动机工作的重要参数，它的平顺性同样重要，燃烧相位的评价有多种指标，本文采用CA50评价燃烧相位。EGR作为常用的燃烧相位调节手段，能够帮助改善模式切换过程中燃烧相位的大幅变动，实现等CA50切换，避免发动机切换过程燃烧和排放性能产生大幅变动。因此，本文首先通过喷油控制实现了双模式柴油机燃烧模式等IMEP运行，在此基础上通过在HCCI燃烧循环中引入EGR，进一步实现了燃烧模式等IMEP运行基础上的等CA50切换，并重点开展了EGR切换策略对燃烧模式切换过程CA50平顺性影响的研究，确定了最优的EGR切换策略。
1 试验装置及说明
本试验所用发动机为135单缸水冷四冲程柴油机，基本参数见表1。
为了实现灵活的喷油策略，在原机基础上改装了一套高压共轨燃油喷射系统，最大可实现喷油压力为160 MPa。另外，在原有台架装置上改造了一套EGR系统，系统中包括一个背压阀和一个EGR阀。其中，EGR阀为电控阀门，为了方便控制，EGR阀只设有全开和全闭两种状态；背压阀为手动调节阀门。试验中，预先调节背压阀确定切换时所需的EGR率，然后通过EGR阀控制EGR引入时刻，确定最佳EGR切换策略。
本文HCCI燃烧采用负气门重叠期喷射柴油方式，一方面通过合理地控制喷油正时，延长了油气混合时间；另一方面利用负气门重叠期产生的高温残余废气加热燃油，促进燃油蒸发，形成均质混合气[9]。CI燃烧模式，喷油始点为压缩上止点前20°CA。燃烧模式切换发生在数据采集后第16个循环。
HCCI燃烧对温度比较敏感，为了减少试验误差，试验中机油温度与冷却水温度分别控制在70±1 ℃和80±1 ℃。发动机试验装置如图1所示，压力传感器采用Kistler 6125B型传感器，电荷放大器为Kistler 8007型，数据采集卡为AC6682型，油耗仪为FC2210型，尾气分析仪为AVL DIGAS 4000。试验时，发动机转速和IMEP分别为1 500 r/min和0.4 MPa。
本文用循环变动率来表征燃烧模式切换过程燃烧参数的循环变动情况[10-11]，燃烧模式切换过程定义为切换过程的50个循环（切换前15个循环到切换后35个循环）。
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式中，x为燃烧参数；COVx为x的循环变动率；为x的标准差；为x的平均数；N为参数x的样本数。
2 直接切换过程燃烧特性分析
燃烧模式直接切换时，通过改变喷油正时实现燃烧模式切换，切换过程中无EGR介入，EGR阀门处于关闭状态。定义发动机压缩上止点为0 °CA，CI-HCCI直接切换时，喷油正时由20°CA BTDC切换至370°CA BTDC，反之则由20°CA BTDC切换至370°CA BTDC。试验中，CI和HCCI燃烧模式喷油脉宽分别设定为1.08 ms和1.15 ms，以保证切换前后IMEP一致。
2.1 CI-HCCI燃烧模式切换
图2为CI-HCCI燃烧模式直接切换时切换过程IMEP和CA50变动图。由图2可知，通过匹配CI和HCCI燃烧的循环喷油量能够实现等IMEP切换，但是燃烧模式切换后HCCI燃烧的燃烧相位较CI燃烧大幅度提前，CA50由CI燃烧时的8 °CA提前至HCCI燃烧时的-2 °CA。
这是由于CI和HCCI燃烧特性的差异造成的，HCCI燃烧的喷油正时较CI燃烧提前许多，缸内均质混合气在压缩过程初期已经开始低温放热过程，并且随着压缩进程的继续，放热量逐渐增加，直至均质混合气压燃着火，所以HCCI燃烧相位较CI燃烧要提前。CI-HCCI切换过程燃烧相位的大幅变动，不利于发动机热效率和排放性能，需要对其进行改善。
2.2 HCCI-CI燃烧模式切换
图3为HCCI-CI燃烧模式直接切换时切换过程IMEP和CA50变动图。由图3可知，HCCI-CI燃烧模式等IMEP切换过程，燃烧相位出现大幅变动，CA50由HCCI燃烧时的-2 °CA推迟至CI燃烧时的8°CA，燃烧特性的差异仍然是导致燃烧模式切换前后燃烧相位不一致的原因。HCCI-CI切换过程燃烧相位的大幅变动，同样不利于发动机热效率和排放性能，需要对其进行改善。
3 燃烧模式切换过程燃烧相位（CA50）平顺性改善
3.1 EGR阀响应特性及对HCCI燃烧的影响
图4为EGR阀门响应特性以及对燃烧参数的影响。由图4可知，EGR阀的开启响应非常快，50 ms（0.625个循环）内EGR阀完成由0%开度开启到93%开度的过程；EGR阀关闭响应则要慢许多，EGR阀由98%开度关闭到0%开度需要大约800 ms（10个循环）。由于EGR阀响应特性会导致EGR延迟效应，在燃烧模式切换时EGR应该提前切换。
从图4中还可以看到，CA50对EGR非常敏感，EGR能有效推迟HCCI燃烧CA50，并且CA50对EGR的响应迅速，通过引入合适的EGR量可以实现模式切换过程中的等CA50切换。EGR阀的开启和关闭没有导致HCCI燃烧IMEP的大幅波动，说明EGR对HCCI燃烧IMEP影响较小，在改善IMEP和CA50的平顺性的控制过程中可以解耦进行。本文主要工作是针对EGR改善切换过程CA50平顺性进行，因此试验中未考虑对IMEP平顺性的优化。
3.2 CI-HCCI燃烧模式切换
由于燃烧特性的差异，HCCI燃烧相位较CI燃烧提前，通过引入EGR可以推迟HCCI燃烧相位，实现燃烧模式切换过程中等CA50切换。本节基于燃烧模式等IMEP切换，研究EGR率一定条件下，EGR切换时刻对CI-HCCI燃烧模式等CA50切换过程CA50平顺性的影响。
当发动机转速为1 500 r/min，负荷为0.4 MPa，EGR率达到58%时能够保证切换前后燃烧相位（CA50）一致。试验中通过预先设置背压阀开度，
调整好EGR阀全开时进入缸内的EGR率达到58%，EGR切换通过EGR阀门的开启和关闭完成，CI和HCCI燃烧模式喷油脉宽分别为1.08 ms和1.15 ms。针对优化EGR切换时刻以改善CI-HCCI燃烧模式等CA50切换过程CA50平顺性的目的，设计了4种试验方案，见表2。
方案1：EGR阀提前5个循环切换。
方案2： EGR阀提前3个循环切换。
方案3： EGR阀同时切换。
方案4： EGR阀推迟3个循环切换。
这里定义无量纲循环数，评价EGR开启或关闭的提前量和推迟量，其定义为
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式中，Δt为EGR阀开启或关闭的响应时间，ms； ΔT为EGR阀提前切换的时间量（正号表示提前切换，负号表示推迟切换）。
图5为不同EGR切换策略下，CI-HCCI燃烧模式切换过程CA50的循环变动图。图中CA50（i）为第i循环CA50，CA50（CP）为切换过程CA50平均值。由图5可知，CI-HCCI燃烧模式切换过程中CA50存在波动，当等于0时，即燃烧模式和EGR同时切换，切换后HCCI燃烧CA50并未及时响应，需要经历几个循环后才能恢复到CI燃烧的水平。这是因为模式切换依靠喷油切换完成，喷油切换速率较EGR响应速率要快许多，EGR滞后于模式切换，EGR未及时作用于切换后HCCI燃烧循环，导致切换后部分HCCI燃烧循环CA50要提前许多。在几个循环后，EGR逐渐作用于缸内燃烧过程，HCCI燃烧相位推迟，CA50恢复至稳定CI燃烧水平。因此，在CI-HCCI燃烧模式切换过程中，EGR提前切换是必要的。
EGR过早切换同样对切换过程CA50的平顺性带来不利影响。当等于8时，EGR切换过早，导致EGR提前作用于部分CI燃烧循环，这部分CI燃烧循环燃烧相位推迟，CA50偏离稳态CI燃烧水平，引起切换过程CA50的大幅波动。因此，恰当的EGR切换策略对改善CI-HCCI燃烧模式切换过程CA50的平顺性是非常重要的。
图6为不同EGR切换策略下，CI-HCCI燃烧模式切换过程CA50的映射图，反映切换过程CA50较平均值的集中程度。数据集中表示CA50趋于平均值，波动率较小，切换过程平顺性较好，反之则平顺性较差。图中CA50（i+1）为第i+1循环CA50。由图6可知，等于-4.8时，数据点离散度非常高，CA50平顺性差；随着增加，数据点逐渐趋于集中，CA50平顺性得到改善，为4.8时，数据点的集中度最高，此时为最优切换方案；继续增加，数据点的离散度反而增加，CA50平顺性变差。
为了定量评价切换过程CA50平顺性并确定最优的EGR切换策略，这里引入CA50循环变动率（COVCA50），通过CA50循环变动率综合评价对切换过程循环CA50波动的影响。图7为不同EGR切换策略下，CI-HCCI切换过程CA50的循环变动率。由图7可知，当等于-4.8时，COVCA50达到33.6%，CA50波动非常严重，推迟EGR切换是不可行的；随着的增加，CA50循环变动率先减小，最小值出现在为4.8左右，COVCA50仅为16.4%，较同时切换时减小了28%；继续增加，EGR过度提前，导致EGR提前作用于切换前的部分CI循环，燃烧相位被推迟，切换过程CA50波动加剧，COVCA50反而增加，当达到8时，COVCA50增加至22.9%，较最低值增加了约39.6%。
从循环变动率的角度来看，适当提前EGR切换对减小CI-HCCI燃烧模式切换过程CA50波动有明显效果，最优的EGR切换策略为等于4.8方案。
3.3 HCCI-CI燃烧模式切换
针对优化EGR切换时刻来改善HCCI-CI燃烧模式等CA50切换过程CA50平顺性的目的，设计了5种试验方案，见表3。无量纲循环数的定义与3.2节相同。
方案1：EGR阀推迟3个循环切换。
方案2：EGR阀同时切换。
方案3：EGR阀提前3个循环切换。
方案4：EGR阀提前6个循环切换。
方案5：EGR阀提前10个循环切换。
图8为不同EGR切换策略下，HCCI-CI燃烧模式切换过程CA50的循环变动图。由图8可知，EGR作用下切换前HCCI燃烧相位推迟，使其维持在与稳定CI燃烧一致的水平，实现了燃烧模式切换时的等CA50切换。
HCCI-CI烧模式切换过程中同样存在CA50的波动，当等于0时，即：燃烧模式和EGR同时切换，切换后部分CI燃烧循环CA50大幅推迟，需要经历约8个循环才能恢复至稳定CI燃烧的水平。EGR切换滞后于模式切换是主要原因，这样导致切换后EGR仍然作用于部分CI燃烧循环，使其燃烧相位推迟，并且由于EGR关闭响应较开启慢许多，导致燃烧模式切换后需要经历更多循环才能使CA50恢复至稳定CI燃烧的水平。因此，在HCCI-CI燃烧模式切换过程中，EGR提前切换仍然是必要的。
EGR过早切换同样对切换过程CA50的平顺性带来不利影响。当等于1时，尽管切换后CI燃烧模式下CA50波动减小，但是由于EGR切换过早，导致燃烧模式切换前的HCCI燃烧循环提前失去EGR的作用，燃烧相位大幅提前，从图中可以看到大约有5～6个循环受到影响，这造成了燃烧模式切换过程CA50的大幅波动，对切换过程CA50的平顺性不利。因此，恰当的EGR切换策略对改善HCCI-CI燃烧模式切换过程CA50的平顺性是非常重要的。
图9为不同EGR切换策略下，HCCI-CI燃烧模式切换过程CA50的映射图。由图9可知，等于-0.3时，数据点离散度最高，CA50平顺性最差；随着增加，数据点逐渐趋于集中，CA50平顺性得到改善，为0.6时，数据点的集中度最高，此时为最优切换方案；继续增加，数据点的离散度反而增加，CA50平顺性变差。
这里仍然通过CA50循环变动率（COVCA50）定量评价切换过程CA50平顺性并确定最优的EGR切换策略。图10为不同EGR切换策略下，HCCI-CI燃烧模式切换过程CA50的循环变动率。由图10可知，等于0为同时切换，COVCA50为19.8%，如果减小至-0.3，COVCA50约为20.5%，COVCA50较同时切换时反而有所增加，CA50波动加剧，推迟EGR切换是不可行的。EGR提前切换是必要的，随着增加，CA50循环变动率先减小，最小值出现在为0.6左右，COVCA50仅为13.8%，较同时切换时减小了约30.3%；继续增大，EGR切换过度提前，导致切换前的部分HCCI循环过早失去EGR作用，燃烧相位提前，切换过程CA50波动加剧，COVCA50反而增加，当达到1时，COVCA50增加至18.5%，较最低值增加了约34%。
从循环变动率的角度来看，适当提前EGR切换对减小HCCI-CI燃烧模式切换过程CA50波动同样有明显效果，最优的EGR切换策略为等于0.6方案。
4 结论
（1）在HCCI燃烧中引入EGR不会造成IMEP明显波动，EGR策略和喷油策略可以解耦进行。通过喷油控制实现了燃烧模式等IMEP运行，在此基础上通过引入EGR，实现了燃烧模式等IMEP运行基础上的等CA50切换，并重点研究了EGR切换策略对燃烧模式切换过程CA50平顺性的影响。从试验结果来看，恰当的EGR切换策略对改善CA50平顺性是必要的。
（2）CI-HCCI燃烧模式切换过程，随着无量纲循环数的增加，CA50循环变动率（COVCA50）先减小后增加，最小值出现在为4.8左右，COVCA50仅为16.4%，较同时切换时减小了28%，最优的EGR切换策略为等于4.8方案。
（3）HCCI-CI燃烧模式切换过程，随着无量纲循环数的增加，CA50循环变动率（COVCA50）先减小后增加，最小值出现在为0.6左右，COVCA50仅为13.8%，较同时切换时减小了30.3%，最优的EGR切换策略为等于0.6方案。
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作者介绍
责任作者：孙祐成（1982-），男，上海人。博士研究生，主要研究方向为内燃机燃烧及排放控制。
E-mail：sunnyyoucheng@sina.com
通讯作者：邓康耀（1961-），男，江西人。博士，教授，主要研究方向为内燃机性能与增压。
E-mail：kydeng@sjtu.edu.cn
