基于离子电流的直喷汽油机燃烧循环闭环控制与优化研究

Gasoline Direct Injection engine combined with HCCI combustion mode has become a research focus for internal combustion engine all around the world. To effectively extend the comprehensive advantages of direct injection technology and HCCI, it is necessary to implement a precise combustion closed loop control on the engine. This project focus on the closed loop technologies in combustion cycle based on ion current, investigate the ion current characteristics under different typical working conditions at both spark-ignition and compression-ignition combustion modes, as well as its influencing factors. Ion current formation mechanism and its laws will be revealed with the chemical reaction path simulation method, and the relationship between the ion current characteristics and in cylinder combustion information will be explored. An ion current signal real-time detection and feedback control system based on DSP will be designed and optimized. Aim at combustion and emission characteristics optimization, researches will be carried out on cold start and warm up conditions in SI mode, transient operating conditions in HCCI combustion mode, and the SI/HCCI mode transfer process on GDI engine. the in-combustion-cycle closed loop control strategies based on the ion current. Furthermore, reliably apply these strategies to the detection and control of misfire combustion cycle, the control of strategy of re-spark ignition w/o re-injection within current misfire combustion cycle, the control and optimization of cycle by cycle combustion and emission characteristics, as well as the control strategy of SI/HCCI mode transfer process.

汽油机缸内直喷(GDI)结合均质压燃(HCCI)燃烧的复合燃烧模式，已成为国际内燃机界的研究热点。为充分发挥直喷技术和均质压燃的综合优势，需要对发动机实施精确的燃烧闭环控制。本项目围绕基于离子电流的发动机燃烧循环内闭环控制展开，深入研究GDI发动机在火花点火和压燃燃烧模式下不同典型工况的离子电流特性及其影响因素，结合化学反应路径模拟分析离子电流生成机理及规律，揭示离子电流特征与缸内燃烧信息的内在联系及影响规律，基于DSP设计并优化离子电流信号实时检测及反馈控制系统。以燃烧和排放特性优化为目标，针对GDI发动机冷起动、暖机工况、HCCI燃烧模式瞬态工况以及SI/HCCI模式切换过程开展研究，实现基于离子电流的燃烧循环内闭环控制，可靠应用于失火循环检测与控制、当前失火循环内的补火或补油补火控制、循环间的燃烧与排放控制策略及优化，以及SI/HCCI模式切换过程闭环控制。

均质压燃（HCCI）技术由于其高效、低排放以及对不同燃料良好的适应性等特点在发动机研究领域内得到了广泛关注。研究表明其与汽油缸内直喷（GDI）技术相结合，能够有效实现节能减排的效果。同时，由于离子电流作为一种能够反映缸内燃烧状态、且可用于实现基于循环的快速闭环反馈控制的实时信号，项目开展了在SI与HCCI模式下不同边界条件对该信号的影响规律及其生成机理的研究。. 离子电流信号幅值循环变动系数普遍较高，通常不低于0.2，稀薄燃烧工况甚至可能超过1，而其相位参数循环变动系数则保持在较低水平，通常在0.1以内。SI模式下通过调节喷油正时与两次喷油配比，实现预混度较高或者分层明显的缸内混合气条件，均可提高离子电流信号质量；而HCCI模式下，提前进气配气相位与排气配气相位可有效增强离子电流信号强度。此外，SI模式稳态工况下，不同转速的离子电流信号峰值平均值与缸内平均指示压力表现出了良好的一致性。随着空燃比升高，离子电流信号质量下降明显。为了拓展稀燃条件下可检测到离子电流信号的空燃比边界，通过自行设计开发的微型离子电流探针，设计发明了双通道离子电流检测系统。根据该系统的采样结果发现，微型探针位置的离子电流信号强度明显强于火花塞位置离子电流信号强度。根据这一现象，有效改善了稀燃条件下缸内离子电流信号质量，成功将SI模式下的离子电流检测空燃比边界由19拓展至23.2，HCCI模式下的该边界由18拓展至22。. 项目在Dual UniValve系统的直喷汽油机上，基于离子电流信号研究了缸内燃烧循环的闭环控制与优化，同时采用离子电流数字信号和缸压模拟信号实现了基于燃烧循环的失火与爆震诊断的对比研究，并根据诊断结果设计了闭环反馈控制策略。试验结果表明，采用离子电流数字信号作为失火诊断信号时，诊断精度能够达到100%；采用离子电流数字信号作为爆震诊断信号时，诊断精度能够达到85%（爆震率为20/100，20%）。此外，通过离子电流信号成功检测到有早燃趋势的循环，这对于降低早燃发生概率提供了有效途径和方法。成功实现了缸内燃烧的实时诊断和反馈控制，对内燃机实现智能化具有十分重要的实践意义。