怠速起停是一种有效的节能和减排技术手段^{[1, 2, 3]}。Matsuura等^[3]研究表明, 当车辆停机时间超过7 s, 采用怠速起停就能有效降低燃油消耗。其他一些研究^{[4, 5, 6]}也表明采用Start-stop系统可使车辆综合油耗显著降低。然而, 由于目前起停技术大多借助高性能起动机来实现, 这会使车辆生产成本增加。同时, 发动机频繁重起也将会使起动系统的磨损和潜在维修成本增大。缸内直喷汽油机由于能够高柔性地对缸内的喷油机点火参数进行控制, 甚至在发动机静止状态下依然可向缸内喷射燃油, 并点燃放热, 推动曲轴转动起来, 进而使发动机无需借助起动电机的帮助即可直接起动起来^[7], 有效解决了发动机频繁起动所带来的问题。

目前, 无起动机辅助直接起动模式主要有两种:一种是正转直接起动模式, 即在起动时直接使处于膨胀行程的气缸(膨胀缸)喷油及点火, 利用释放的燃烧能推动该缸活塞下行, 曲轴正向转动起来, 随后各缸逐次喷油点火实现起动; 另一种方式是反转直接起动模式, 即首先使处于压缩行程的气缸(压缩缸)喷油及点火, 推动该缸活塞下行及曲轴发生反转, 进而带动膨胀缸内的活塞上行, 然后适时再使膨胀缸喷油点火, 并使其正转, 转过已燃压缩缸后, 再使各循环逐次喷油点火实现起动过程。直接起动模式由于没有起动电机的辅助, 发动机的起动能均来自于缸内的燃烧能, 同时, 通常来说对于直接起动模式, 初始两个工作气缸内活塞初始位置和燃烧室有效容积大多存在此消彼长的内在联系, 所以想要满足直接起动模式实现的条件要求其实是非常困难的, 需要对活塞初位置进行准确的调节和控制。对于正转直接起动模式其初始两个工作缸着火后, 缸内的活塞均需转过其膨胀下止点。反转起动模式能否成功, 取决于两点:①第一工作缸着火后, 对处于膨胀行程的第二工作缸要尽可能地反向压缩, 但要保证第一工作缸的活塞不能转过其下止点; ②在第二工作缸喷油点火后, 不但保证第二工作缸内的活塞转过其膨胀下止点, 并且由于当第二工作缸内的活塞转过其膨胀下止点时, 第一工作缸会进入膨胀行程, 该缸已经发生过燃烧, 废气不能排除, 进而还需要推动第一工作缸内的活塞继续转过其膨胀下止点, 以使具有新鲜工质的气缸能进入膨胀行程, 后续起动过程继续进行。当初始两个工作缸着火后能满足上述条件时, 由于后续工作气缸的工作过程较为完整, 且发动机已具有一定的转速, 直接起动基本均可实现。

对于直接起动模式的详细研究, 在国内外均鲜见报道。本文在一台四缸直喷汽油机上, 针对活塞初始位置对直接起动模式的实现及转动特性的影响进行了研究, 同时, 由于发动机再次起动时冷却液温度和油轨内残存燃油压力等条件也具有极大的变化性, 所以本文又进一步考察了冷却液温度和油压对直接起动模式成功实现的活塞初始位置范围的影响, 期望通过本文研究, 推动直接起动模式的广泛应用。

图2为活塞初始位置对首循环燃烧压力的影响。试验中, 冷却液温度和燃油压力分别保持为80 ℃和0.8 MPa。由图可见, 当首循环活塞初始位置增加及远离上止点时, 由于燃烧室内有效容积及可燃混合气增加, 使得首循环活塞下行过程中燃烧室内拥有更高的燃烧压力, 有助于克服其下行阻力。同时, 当活塞初始位置小于80 ° CA时, 其缸压曲线均会出现一个明显的“ 谷值” , 随后压力又会有所升高, 出现一个压力相对较小的峰值。这主要是因为燃烧室内释放的燃烧能较少, 不足以使首循环活塞克服其下行阻力、转过其下至点, 并出现反转现象所致。当首循环活塞在燃烧能作用下向下移动过程中也会使次循环活塞上移, 次循环缸内气态充量将被压缩, 在次循环强大的压缩压力作用下使得发动机发生了反转现象。

图2

Fig.2

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	图2 膨胀缸活塞初始位置对首循环缸压的影响Fig.2 Effects of initial piston position on first cycle combustion pressure

从图2还可以看到, 活塞初始位置越小缸压“ 谷值” 出现的位置也越靠前, 也就是说曲轴发生反转的位置越提前。当活塞初始位置为40 ° CA时, “ 谷值” 大约出现在100 ° CA; 当活塞初始位置为60 ° CA时, “ 谷值” 大约出现在142 ° CA; 当活塞初始位置为80 ° CA时, 虽然其谷值出现位置已经极为靠近下止点, 但仍然没有转过其压缩下止点。当活塞初始位置为100、120、140 ° CA时, 缸压谷值基本均出现在下止点附近, 且其后也未出现缸压升高及产生峰值的现象, 活塞均转过了其下止点。通过上述分析可见, 对于正转直接起动模式, 当首循环活塞初始位置较小时, 由于活塞难于转过其下止点, 后续起动无法继续进行, 故而活塞初始位置需要较大时(大于80 ° CA)才有可能成功。对于反转直接起动模式, 由于其实现条件与正转直接起动模式存在明显的差异, 在活塞初始位置小于或大于80 ° CA情况下均有可能成功, 但是也要注意到当活塞初始位置较小时, 首循环活塞发生反转的位置更为提前, 意味着对次循环的有效压缩较小, 这在一定程度上将不利于次循环燃烧能向发动机运动能的转化。

图3为活塞初始位置对首循环转动速度的影响。从图中也可以看出, 当首循环初始活塞位置小于80 ° CA时, 其转速在180 ° CA之前出现了明显的谷值, 并接近0, 活塞没有转过它的下止点。然而, 当活塞初始位置大于及等于85 ℃A时, 首循环内的活塞能转过其膨胀下止点。同时, 随着活塞初始位置的下移, 转动速度先增加后减小, 当活塞初始位置为80 ℃A时, 发动机获得了最大的转动能, 曲轴的峰值转速最高, 可达到212 r/min。原因是发动机获得的有效转动能一方面与首循环的燃烧能释放量相关, 另一方面也与活塞的有效下行行程密切联系。当活塞初始位置较小时, 首循环的可燃混合气及燃烧释放出的能量较少, 所以发动机最终获得的运动能也将较低; 当活塞初始位置较大时, 虽然首循环可燃混合气及燃烧释放出的能量较多, 但由于活塞的下行行程较短, 使得燃烧能向发动机运动能的转化效率降低, 发动机最终获得的有效运动能也将会降低。

图3

Fig.3

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	图3 膨胀缸活塞初始位置对首循环转动速度的影响Fig.3 Effects of initial piston position on first cycle rotational speed

图4显示了不同膨胀缸活塞初始位置对次循环燃烧压力的影响。由于活塞初始位置小于85 ℃A时, 活塞无法转过其下止点, 所以研究中为了便于对比分析选择了90、100、110、120 ℃A四个活塞初始位置针对次循环燃烧压力进行了研究。由图可见, 当首循环初始活塞位置较小时, 次循环的压缩压力反而升高, 当活塞初始位置由90 ℃A下移到120 ℃A时, 峰值压缩压力由0.8 MPa下降到了0.4 MPa。这主要是因为, 对于四缸发动机, 首循环和次循环的有效容积存在着极为密切的此消彼长变化关系。当首循环的有效容积较小时, 则次循环的有效容积相对较大。次循环的压缩压力越大, 使得首循环活塞在下行过程中会遇到更大的下行阻力, 这也是当活塞初始位置较小时首循环活塞不能转过其膨胀下止点, 正转直接起动模式不能实现的一个主要原因。同时, 从图4中还可以看到, 随着首循环活塞初始位置的增加, 由于次循环的有效容积和可燃混合气减少, 所以其燃烧压力峰值也显著降低, 这在一定程度上也将会使次循环获得的有效膨胀功显著减小。所以, 无论对于正转还是反转直接起动模式, 活塞初始位置过大或过小时均不利于其实现, 需精确控制膨胀缸活塞初始位置及首循环和次循环之间的能量分配。

图4

Fig.4

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	图4 活塞初始位置对第二着火循环缸内压力的影响Fig.4 Effect of initial piston positions on the second cycle combustion pressure

图5为正转直接起动模式初始两循环着火后活塞初始位置对转动速度的影响。当活塞初始位置小于85 ℃A时, 由于首循环的有效容积较小, 其释放的燃烧能不足以推动该缸活塞转过其膨胀下止点, 使得后续起动过程无法进行。当活塞初始位置大于85 ℃A后, 由于首循环的有效容积增加, 首循环着火后才能使该缸活塞转过其膨胀下止点。然而, 从图5中还可以看到, 当活塞初始位置过于下移到115、120 ℃A时, 虽然首循环着火后仍可使该缸活塞转过膨胀下止点, 但次循环着火后却不能使次循环的活塞进一步转过其膨胀下止点。这主要是因为, 随着初始位置的下移, 次循环的有效容积显著减小, 次循环缸内混合气燃烧后释放的能量较少, 不足以推动该缸内活塞转过其膨胀行程的下止点。

图5

Fig.5

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	图5 初始两循环着火后活塞初始位置对正转直接起动模式转动速度的影响Fig.5 Effects of initial piston position the rotational speed for forward direct start when the initial two cycle are fired

当活塞初始位置在85~110 ℃A时, 首循环和次循环相继着火后, 即可使首循环缸内的活塞转过其膨胀下止点, 又可使次循环缸内活塞转过其膨胀下止点, 后续起动过程能够继续进行, 正转直接起动模式能够实现。并且, 从图5中还可以看到, 当活塞初始位置在85~90 ℃A时首循环和次循环相继工作后, 发动机能获得更高的转动速度。在保证首循环着火后能推动该缸活塞转过其膨胀下止点的前提下, 适当减小活塞初始位置更有利于提高正转直接起动模式的起动响应性, 使发动机能更快速地到达怠速转速。

图6为反转直接起动模式初始两循环着火后活塞初始位置对转动速度的影响。当膨胀缸初始位置在95~130 ℃A时, 即首循环活塞在其压缩上止点前85~50 ℃A时, 前两个循环相继着火后, 次循环既能正向转过其膨胀下止点, 且还可使其再转过180 ℃A, 后续起动过程能够继续进行, 反转直接起动模式能够实现。然而, 当次循环活塞初始位置距离上止点小于95 ℃A时(首循环活塞初始位置距其上止点大于85 ℃A), 虽然首循环着火后能使其缸内活塞反向转过很大的位移, 甚至靠近其下至点, 即次循环活塞能够反向上行至其上止点附近, 使得次循环活塞正转下行时具有极大的运动位移, 有利于次循环的燃烧能更充分地转化为曲轴的运动能。

图6

Fig.6

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	图6 初始两循环着火后活塞初始位置对反转直接起动模式转动速度的影响Fig.6 Effects of initial piston position the rotational speed for reverse direct-start mode when the initial two cycle are fired

然而由于次循环缸内的可燃混合气及释放的燃烧能较少, 致使曲轴最终获得的运动能降低。次循环着火后, 该缸活塞仅能转过其下止点, 不能再进一步转过其上止点, 反转直接起动模式不能实现。同时, 当膨胀缸活塞初始位置大于130 ℃A时(压缩缸活塞初始位置距离其上止点小于50 ℃A), 虽然次循环燃烧时能有较大的有效容积和混合气量, 释放较多的燃烧能, 但是由于首循环的有效容积和混合气量较少, 使得首循环的反向下行位移降低, 即次循环的反向上行位移量较小, 使得次循环下行过程中有效行程较短, 不利于次循环缸内燃烧能向发动机运动能的转化, 转化率下降, 进而使得反转直接起动模式亦不能实现。

图7为冷却液温度为80 ℃、燃油压力为0.8 MPa下直接起动模式实现的活塞初始位置范围。对比两种起动模式, 其膨胀缸活塞初始位置范围既存在一定的重合, 又存在一定的差异。当膨胀缸活塞初始位置范围在95~110 ℃A时, 正转和反转直接起动模式均可实现。然而, 当膨胀缸活塞初始位置较小, 在85~95 ℃A时, 仅有正转直接起动模式能够实现; 当膨胀缸活塞初始位置较大, 在110~130 ℃A时, 仅有反转直接起动模式能够实现。正转及反转两种直接起动模式联合应用可使发动机在85~130 ℃A范围内实现GDI发动机的直接起动, 较单一模式范围明显拓宽。

图7

Fig.7

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	图7 直接起动模式实现的活塞初始位置范围Fig.7 Initial piston position ranges for realization of the direct-start mode

图8为冷却液温度对直接起动模式实现的活塞初始位置范围的影响。试验中, 燃油压力始终保持为0.8 MPa且均基于其成功实现的目标, 对不同冷却液下的喷油和点火控制参数分别进行了优化控制。由图可见, 对于正转直接起动模式, 随着冷却液温度的增加, 其实现的活塞初始位置范围减小。

图8

Fig.8

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	图8 不同冷却液温度下的直接起动模式实现的活塞初始位置范围Fig.8 Range of initial piston position for realizing direct start method under different coolant temperature

对于反转直接起动模式, 当冷却水温度升高时, 其实现的活塞初始位置范围也有所降低。同时, 当冷却液温度过于降低时, 直接起动模式可实现的活塞初始位置范围也有所降。整体来看, 当冷却液温度在60~100 ℃时, 随着冷却液温度的降低, 直接起动模式可实现的活塞初始位置范围呈现先增加后减小的变化趋势。当冷却温度为70 ℃时, 活塞初始位置范围最大, 约为80~135 ℃A; 当冷却液温度为60 ℃, 可实现的活塞初始位置范围略降低为80~130 ℃A; 然而, 当冷却液温度提高至100 ℃, 可实现的活塞初始位置范围显著降低为90~125 ℃A。这主要是由于随着冷却液温度的增加, 一方面会使燃油的雾化和混合改善, 缸内的燃烧速度和燃烧完全性提高; 另一方面, 当冷却液温度提高后缸内的空气密度下降, 而受活塞环漏气的影响, 缸内压力基本与环境压力相当, 致使缸内有效新鲜空气量降低, 造成气缸内释放的燃烧能降低。故而, 就直接起动模式的实现而言, 当冷却液温度过高或过低都有一定的消极影响, 其控制在70 ℃附近时可使直接起动模式实现的活塞初始位置范围达到最大。

图9为燃油压力对直接起动模式实现的活塞初始位置范围的影响。研究中同样基于其成功实现这一目标, 对不同燃油压力情况下的喷油和点火控制等参数分别进行了优化控制。

图9

Fig.9

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	图9 不同喷射压力下直接起动模式实现的活塞初始位置范围Fig.9 Range of initial piston position for the realization of direct start method under different fuel pressure

由图可见, 当燃油压力增加后, 整体上直接起动模式能够实现的活塞初始位置范围略有增加。对于0.5 MPa燃油压力, 当活塞初始位置在85~130 ℃A时, 直接起动模式能够实现; 当燃油压力提高到1.7 MPa时, 直接起动模式实现的活塞初始位置范围可增大到80~135 ℃A。同时, 结合图8可知, 冷却液温度及燃油压力的变化均会对直接起动模式实现的活塞初始位置范围产生一定的影响, 为应对样机再次起动过程时可能面临的起动条件差异, 将膨胀缸活塞控制在90~125 ℃A是一个较佳的选择, 在该范围内其对冷却液温度及燃油压力均具有很好的适应性, 使直接起动模式可靠实现。

(1)对于正转或反转直接起动模式, 活塞初始位置均需控制在适当的范围才能实现。当膨胀缸活塞初始位置过大时, 不利于正转直接起动模式次循环的燃烧能释放量及反转直接起动模式次循环的能-功转化。然而, 当膨胀缸活塞初始位置过小时, 将会导致正转直接起动模式首循环及反转直接起动模式次循环燃烧能的显著降低。

(2)正转和反转直接起动模式实现的活塞初始位置范围既有一定的重和, 又存在一定的差异。两种模式联合应用可显著扩大直接起动模式实现的活塞初始位置范围。

(3)冷却液温度过高或过低时, 直接起动模式实现的活塞初始位置范围均有一定程度的减小。70 ℃冷却液温度时, 范围达到最大。提高燃油压力有利于扩大直接起动模式实现的活塞初始位置范围, 但影响程度有限。

(4)为应对再次起动时发动机可能面临的起动条件差异, 将膨胀缸活塞控制在90~125 ℃A是较佳选择。