本科毕业论文---plugin串联油电混合动力发动机试验研究

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY

学士学位论文

THESIS OF BACHELOR

论文题目：Plug-in串联油电混合动力

发动机试验研究

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Plug-in串联油电混合动力发动机试验研究

摘要

能源短缺与环境问题已成为当今世界各国所面临的两大重要难题。随着我国经济持续发展，汽车保有量的不断上升，这两大问题凸显的尤为严重。作为汽车消耗能源，产生污染的核心部件——内燃机，也面临着前所未有的挑战。如何减少能源消耗及环境污染，是内燃机研究领域的重大问题。改善内燃机的燃烧方式以及合理汽车的动力总成形式是解决上述问题的有效途径，均质压燃（HCCI）燃烧方式和增程式动力结构是可以利用的具体手段。

增程式汽车因其将内燃机来带动发电机，让发电机给电池充电，使用电能作为汽车动力，从而广受好评。它的出现克服了内燃机排放高的缺点，又以干净能源作为动力，更重要的是能使内燃机始终维持在最佳工况状态，从而达到了高效又节能的目的，因而使增程式汽车在面世时便受到了业内的欢迎。虽然它并不能代替电动汽车在未来的主导地位，但在如今尚未解决电池储存能量低、实用化及商业化难度大的情形下，增程式汽车是首当其冲的过渡车型。然而，增程式汽车在美国的发展已经相当成熟，却在中国迟迟未能得到很好的发展。

面对汽油机与柴油机各自的技术已日趋达到的极限，均质压燃（HCCI）燃烧技术以其低氮氧化物、低微粒排放和高热效率的优点而引起世界各国的广泛关注。然而，控制着火时刻和燃烧反应速率以及扩展运行工况范围等，始终是发动机实现HCCI燃烧的关键和难点。现在，上海交通大学、清华大学、天津大学、华中科技大学等国内著名大学正在积极地展开均质压燃HCCI燃烧技术的研究工作。

正当人们始终难以扩展均质压燃HCCI燃烧运行工况范围的时候，增程式汽车能使内燃机始终维持最佳工况的优点，让均质压燃HCCI燃烧在增程式汽车上实现成为了可能，也让均质压燃HCCI燃烧的工况范围窄的缺点得到了弥补。

基于这一思想，上海交通大学与上汽集团合作负责了这次的试验研究——Plug-in串联油电混合动力HCCI汽油机的试验研究。本次试验的目的是在增程式汽车上实现均质压燃HCCI燃烧技术。这次试验的成功，将会是两大新兴技术的融合与发展，帮助中国的汽车事业跃上一个新的台阶。

本文作者所参与的试验研究为前期台架搭建、发动机磨合测试、发动机外特性测试和万有特性测试、以及发动机的改装和均质压燃HCCI燃烧控制等。而本次试验的重点，是均质压燃HCCI燃烧控制策略的研究。因此，本文所涉及的大部分内容将是关于均质压燃HCCI 燃烧。

本文首先介绍了增程式汽车及均质压燃HCCI燃烧的概念及发展历程。其次，通过与传统点燃式（SI）发动机和传统压燃式（CI）发动机的对比，说明了HCCI燃烧的燃烧方式及特点。然后重点地突出说明了汽油机HCCI燃烧的实现与控制方式——进气加热、废气再循环（EGR）、增大压缩比和使用负阀重叠技术，以及HCCI燃烧技术如今所面临的一系列控制及排放问题——着火时刻难以控制、冷起动困难、HC和CO排放高、运行工况范围窄等。如此介绍，以求使本文能够清晰地表明当前世界均质压燃HCCI燃烧所使用的最新技术以及目前为止最新的成就。

本次试验所使用的发动机是上汽荣威350所搭载的NSE1.5升16双顶置凸轮轴（DOHC）发动机。该款发动机是上汽自主研发发动机的精心力作。试验所使用的HCCI发动机控制系统大部分是由湖南长沙湘仪动力测试仪器有限公司生产。试验前，首先进行了发动机的磨合、外特性试验以及万有特性的测试。通过分析以进行发动机的各特性测试。然后改装进气管道，加装进气电加热装置，改塑料进气管道为不锈钢，使用PID控制进气加热，以使发动机在不考虑功率等其它因素的情况下，初步实现HCCI燃烧。然后，改变活塞形状，令压缩比由10.5增至15.5，以求压燃稳定，提前着火时刻。最后，改变气门重叠角成为负值，得到负阀重叠，使发动机实现内部EGR。后两种方式，都可以弥补进气加热的降低发动机功率、减少进气充量、燃烧范围小等缺点，从而实现稳定的HCCI燃烧。

本次试验研究由于时间及其他不可抗力的原因限制，在完成发动机进气加热系统的安装后，未能再有时间进行进气加热的HCCI燃烧研究，所以本人仅参与了本次试验研究前期的准备工作，如实验台架的搭建，发动机的磨合，外特性及万有特性测试，但是依然获得了极大的收获，对发动机的测试方法及流程有了较为深入的了解和实践，同时获得发动机特性数据，从而可以对发动机进行特性分析。

本文的最后，通过分析了发动机外特性、万有特性等数据，以对该发动机进行燃烧特性等方面的了解。其中，尤以油耗量，缸内压力以及放热率为主要量。油耗量是决定发动机能量转换的效率；缸压表示了内燃机做功的大小；放热率则代表了发动机的燃烧特性。通过曲轴转角与缸压和放热率同时分析，以取得更多特性的了解。

本次测试试验，对于该发动机特性取得了如下结论：（这是汽油机固有的特性。建议删除）

（1）扭矩曲线呈现随转速提高而下降的趋势，只是在低速范围才有一段随转速下降而下降的情况；功率基本随转速的增大而增大，在极高转速下功率会有所下降；

油耗率曲线一般随转速的提高而上升，在最低速端略有上翘。

（2）发动机缸压、放热率随转速及扭矩的增加而增加，同时，最大压升率及最大爆发压力也随之变大。并且，缸压与放热率基本在同时达到最大。

（3）放热率曲线呈单韦伯曲线。发动机累积放热率基本不随转速与扭矩的变化而变化。放热率较为稳定，持续时间基本一致，说明燃烧稳定，燃烧特性好。

该发动机在最大转速范围内运转基本稳定，各特性也符合理论情况。因此，可以使用本台发动机实现HCCI燃烧。在以后的试验中，将使用以上所述的三种方式以实现HCCI燃烧。

关键词：增程式，HCCI，控制

Plug-in Hybrid Engine Test Series

ABSTRACT

Nowadays, the energy shortages and the environmental problems have been the two major challenges the word is facing. With the increasingly rapid economic development and the raising quantity of vehicles in the world, these two issues become particularly severe. As the core component of the energy consumption which also produces pollution, the internal-combustion engine also try hard to fight against utilization of natural energy and pollution. Hence, the new technologies such as Homogeneous Charge Compression Ignition emerge as the times require.

Distance-added vehicle widely acclaimed because it uses electric power as driving force，and also charge the battery by generator powered by engine. It not only conquers the highly-polluting of the internal-combustion engine, but also utilizes clean energy as driving force, and the most important point is keep the engine at a sustainable best situation which made the vehicle warmly popularized when it emerged.

As the fact that the gasoline engine and diesel engine technology has almost reached their ceiling, distance-added vehicle and homogeneous charge compression ignition (HCCI) with its low nitrogen oxide combustion technology, low particulate emissions and the high thermal efficiency raises widespread concerns around the world. However the control of ignition and combustion reaction rate and extending the rage of operating conditions to achieve HCCI is always the crucial point and difficulty as well. Nowadays, some famous universities such as Shanghai Jiao Tong University, Tsinghua University, Tianjin University, and Huazhong University of Science are actively engaged in the study of HCCI Combustion Technology.

While it is still difficult to expand the scope of HCCI combustion operating conditions when the car can increase engine program has the advantages of maintaining the best conditions for HCCI combustion in the car realized by the program as possible.

Based on this idea, this study test –Plug-in Hybrid Engine under the charge of Shanghai Jiaotong University and Shanghai Automotive Group is aiming at achieving the HCCI combustion technology in distance-added vehicle, which is an innovation, but also a pioneering work in the world. The success of this test will be a mark of integration and development of two emerging technologies.

The author is participating in research for the early bench structures, engine testing, engine performance testing and a characteristic test, as well as engine conversion and homogeneous charge compression ignition HCCI control, etc. The focus of this test is the controlling of a homogeneous charge compression ignition HCCI. Therefore, this article covers most of the contents of the will is about HCCI.

The first part of this thesis describes the concept and evolution of the distance-added vehicle and homogeneous charge compression ignition HCCI. Secondly, with the contrast between

traditional SI engine and traditional compression-ignition (CI), the way of combustion HCCI and its characteristics is described. Then emphatically underlined the gasoline engine HCCI implementation and control-air heating, exhaust gas recirculation (EGR), increased compression ratio and use negative valve overlap technology, as well as HCCI technology now faced a series of control and discharge of ignition is difficult to control, cold starting, high emissions of HC and CO, narrow operating range. The thesis is written in this way in order to be able to make this article clearly indicates the HCCI technology currently used in the world and its latest achievements.

This test is used by the engine is SAIC majestic 350 drove NSE1.5 + 16 double overhead camshaft (DOHC) engine. This engine is SAIC developed engine of meticulous masterpiece. Test the use of HCCI engine control system is in Changsha of Hunan province xiangyi dynamic test instrument co., Ltd. production. Test before, start with the engine running, performance test, and test everything. By analysing the various engine for performance measurement. And then modified air intake pipe, equipped with electric heating device inlet, intake pipes are stainless steel, the PID control air heating, so the engine does not consider other factors such as power, preliminary implementation of HCCI. Then, change the piston shape, compression ratio from 10.5 to 15.5, for ignition stable, ignition advance. Finally, change the valve overlap become negative, negative valve overlap, so that the engine for internal EGR. The latter two methods, you can compensate for the reduced engine intake air heating power, reduce the intake charge, burning range small shortcomings, enabling stable HCCI.

Because of time constraints, after the completion of refitting the intake tube, there has been no more time for inlet heating of HCCI control. I feel deeply sorry about that. However, I participated in this experimental study of the early external characteristics and universal character of the test, and have acquired a large number of engine performance data, so you can be characteristic of the engine.

In the end of the thesis, the characteristics of the combustion of engine are evoked by analysis of universal characters and so on. Among them, Consumption is to determine the efficiency of energy conversion engine; cylinder pressure indicates that the size of the internal combustion engine work; heat release rate represents the engine combustion characteristics. Through the crankshaft angle and cylinder pressure and heat release rate analysis, at the same time to get more features.

This test, for the engine performance made the following conclusions:

(1) Full throttle, namely, full load, the engine oil consumption and speed linear relationship.

(2) Engine speed and torque pressure increases, the maximum pressure rise rate and maximum burst pressure also increases.

(3) The heat release rate of single Engine follows Weber curves and the base does not vary with speed and torque. The heat release rate is relatively stable, duration are subject to essentially the same, the same quantity between basic instructions, combustion stability.

The engine at the maximum speed range running basic stability, all meet theory. Therefore, you can use this HCCI engine implementation. In later tests, three ways will be used to implement HCCI. Although I do not personally witness its success, but after the success of this test, the greater value of this kind of engine can sure be achieved in distance-added automobile!

Key words: Distance-added, HCCI, Control

目录

第一章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 新型动力汽车——增程式汽车 (1)

1.2.1 电动汽车 (1)

1.2.2 混合动力汽车 (2)

1.2.3 增程式汽车 (3)

1.3 新型燃烧技术——HCCI燃烧 (4)

1.4 本课题的研究意义及主要内容 (5)

第二章HCCI燃烧及其控制 (7)

2.1 HCCI燃烧 (7)

2.1.1 HCCI燃烧方式 (7)

2.1.2 HCCI燃烧特点 (9)

2.2 汽油机HCCI燃烧的控制 (10)

2.2.1 改变燃料特性 (11)

2.2.2 提高压缩比 (11)

2.2.3 调节进气温度 (11)

2.2.4 采用外部废气再循环（EGR） (12)

2.2.5采用内部废气再循环 (12)

2.3 HCCI燃烧控制所面临的问题 (13)

2.3.1 难以精确控制HCCI发动机着火时刻 (13)

2.3.2 HCCI发动机冷起动困难 (13)

2.3.3 HC和CO排放高 (13)

2.3.4 难以扩展运行工况范围 (14)

2.4 本章小结 (14)

第三章Plug-in串联油电混合动力HCCI汽油机试验研究平台及试验方法 (15)

3.1 Plug-in串联油电混合动力HCCI汽油机试验系统 (15)

3.1.1 发动机 (16)

3.1.2 进气系统 (17)

3.1.3 HCCI发动机控制系统 (18)

3.2 试验方法 (20)

3.2.1 磨合实验 (20)

3.2.2 外特性试验 (20)

3.2.3 万有特性试验 (21)

3.2.4 进气加热HCCI燃烧试验 (21)

第四章HCCI汽油机的试验研究与结论 (22)

4.1 外特性测试 (22)

4.2 万有特性测试 (23)

4.2.1 缸内压力测试 (23)

4.2.2 放热率测试 (26)

4.3 试验结论 (30)

第五章全文总结与展望 (32)

5.1 全文总结 (32)

5.2 研究展望 (32)

参考文献 (34)

致谢 (35)

第一章绪论

1.1 引言

能源是人类社会发展的重要基础资源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大[1]。。

近些年来，全球的能源与环境问题得到了广泛的重视。世界各国纷纷出台各自政策，来保护人类居住的环境，同时对环境保护的要求也愈发严格。而作为传统能源的石油资源，也日益紧缺，油价持续增长，能源安全形势逐渐恶化。国际能源机构的统计数据表明，2001年全球57%的石油消费在交通领域，预计到2020年交通用油占全球石油总消耗的62%以上。作为内燃机主要燃料的石油作为一种不可再生的化石燃料，面临着日益短缺的严重问题。据推测，按照目前的汽车保有量计算，地球上可供开采的石油仅仅能够维持40到50年。作为原油净进口国，我国的能源问题就更加严峻。据国务院发展研究中心估计，到2010年我国石油消耗的61%要依赖进口，而汽车的石油消耗将占国内石油总需求的43%[2]。

作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的1/10，仅次于美国，居世界第二位。自1993年期，中国由能源净出口国变成了净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾日益成为中国能源安全所面临的最大难题[3]。

作为石油资源的最大消耗者和大气的主要污染源，汽车发动机正面临着节能和环保的双重压力。当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病。统计表明在占80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%，在市区还会跌至25%，更为严重的是排放废气污染环境。随着汽车保有量的不断飙升，汽车内燃机给能源和环境带来的负面影响日益突出。传统的汽油机燃烧和柴油机燃烧在降低油耗和排放存在着难以逾越的极限。

在这样的背景下，为实现高效、清洁的汽车动力，开发新型动力，探索既清洁又高效的新型燃烧技术等一系列措施成为国际汽车和内燃机领域的重要课题。这对保证国民经济持续稳定的发展，建立和谐社会都有着重要的意义。

1.2 新型动力汽车——增程式汽车

1.2.1 电动汽车

正当全世界面临着能源问题与环境问题，世界各国对改善环保的呼声日益高涨之时，电动汽车（EV）的研究与开发引起了世界各国的关注。

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，然而当前技术尚不成熟。电动汽车是20世纪最伟大的20项工程技术成就中前两项技术的融合，即“电气化”和“汽车”的融合产物[4]。

电动汽车它本身不排放污染大气的有害气体，有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。

电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出了巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出2个数量级，电机可分散配置，通过线传电子控制技术直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向。由于网络技术、信息技术和线控技术的广泛应用，使智能交通系统（ITS）的实现也变得非常简单，还可以实现再生制动和能量回收，因此提高了电动汽车制动的安全性和可靠性[5]。

然而，电池是电动汽车发展的首要关键。汽车动力电池难在“低成本”、“高容量”以及“高安全”。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。同时，纯电动汽车的电池寿命不高，一旦电池耗尽，很可能会有电池丢弃的污染问题。而更主要的是，目前电池的储存能量还是非常有限的，其行驶里程只够平时的上下班。如果要进行长途行驶，则必须充电。但充电既要大量时间，更需要处处有电池充电站。因此，在仍未开发出新型先进又高效的电池之前，为了解决纯电动汽车的这些问题，混合动力（HEV）的概念由此而产生。

1.2.2 混合动力汽车

混合动力[6]，就是在纯电动汽

车上加装上内燃机，汽车使用汽油

驱动和电力驱动两种驱动方式（如

图1-1所示）。优点在于车辆启动停

止时，只靠发电机带动，不达到一

定速度，发动机就不工作，因此，

便能使发动机一直保持在最佳工

况状态，动力性好，排放量很低，

而且电能的来源都是发动机，只需

加油即可。其目的就在于提高纯电

动汽车的行驶里程。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

串联式动力：串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用

串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机

发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机

通过变速机构驱动汽车（如图1-2所示）。小负荷时由电

池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机

发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，

发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当

电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱

动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池

组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行

工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，

通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。

图1- 1 混合动力汽车图1- 2 串联式混合动力

使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

并联式动力：并联式装置的发动机和电动机共同驱

动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立

地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同

驱动又可以单独驱动（如图1-3所示）。当汽车加速爬

坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，

一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维

持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使

用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，

发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接

近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不

多，得到比较广泛的应

用。

混联式动力：混联式装置包含了串联式和并联式的特

点（如图1-4所示）。动力系统包括发动机、发电机和电动

机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主

两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电

机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助

动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺

点是结构比较复杂。

混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经

进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车

时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。1.2.3 增程式汽车

如之前所提到，纯电动汽车在一般情况下充电后就可以行驶，但行驶距离有限，可以适应人们上下班的路程。而若想要再长距离行驶，就必须经过中途充电，这就给人们带来了麻烦。所以，电动汽车的电池容量以及电池寿命等问题是目前为止难以克服的问题。

而同时，混合动力的产生，虽然有效地减少了燃油的消耗及很高的排放，但它系统复杂，造价昂贵，在高速或长距离行驶时，它在启动或怠速时所保持的最佳工况状态将被打破。并且，其内燃机及电池同时驱动的想法，毕竟是由燃油车到电动汽车的过渡。

于是，一个新的概念——增程式汽车由此诞生。

增程式汽车[7-8]，顾名思义，即为增加里程式。若在电动汽车上安装一个小油箱和小的发动机，发动机可带动发电机充电。当需要长距离行驶时，可以通过小发电机用小油箱充电继续行驶，等油用完以后，把油箱加满，再充电便又能继续行驶。增程式汽车的电池先由市电充电供行驶，也可由车上的小型内燃机在最佳工况下带动发电机发电，既可不断给电池充电，又可驱动电动机，长途行驶中更显其优势。这种车传到变速箱上的动力是完全由电动机提供，故可划入纯电驱动类汽车，是纯电动汽车的增程，也可看成是将部分充电工作在车上进行。但也有人认为它装有用油的发电机，应列入串联式类混合动力车，其实它的内燃机发电与电池供电是并联的关系，而且是由电动机驱动了整个汽车，所以与串联式混合动力车在运行模式上是有区别的。

增程式汽车的内燃机能够自始至终的保持在最佳的工况下运行。因为其发电的功率足够车辆在一定速度范围下稳定行驶，电池组提供足够的电功率帮助电动机驱使车辆起动、

加速

图1- 3 并联式混合动力

图1- 4 混联式混合动力

和爬坡，从而避免了常规汽车发动机“大马拉小车”的费油运行模式。此外，电池组的容量较大，能够有效地回收车辆刹车和下坡的能量。因此增程式汽车的节油率可达50%以上。

增程式汽车与插电式混合电动汽车的差别，在于后者的内燃机动力直接送到变速箱，而不经过发电-电动的转换环节。插电式混合电动汽车在市内行驶时是纯电动汽车，可行驶

40-50公里。但是，长距离行驶时全由内燃机提供动力，“大马拉小车”的运行模式耗油仍较高；而且两种动力耦合，系统复杂，加工要求高，故优势不大。

增程式汽车的内燃机功率只相当于常规轿车的小型内燃机，功率小并且是在基本恒功率下运行，能量转换效率大幅提高，油耗和排放自然大降。增程式电动汽车的电池容量只需纯电动车的40%左右，成本大幅度下降;它可在原有停车场的原有车位上利用电网夜间的谷电充电，既够白天全天使用，又有利于延长电池寿命。不需白天快速充电，也不必更换电池，不仅免去新辟充电站的占地和换电池设施的建设，而且不需新增白天特大负荷的供电设施，还帮助电网“分散调峰”。

由此可见，增程式电动汽车与其他过渡车种相比，在能源利用效率、价格、使用的方便性等方面均具有明显优势，并且，现有汽车发动机的生产设备和加油、维修等保障体系仍有用武之地。

1.3 新型燃烧技术——HCCI燃烧

现代内燃机中主流的燃烧方式包括点燃式燃烧和压燃式燃烧两种。

传统汽油机属预混合准均质燃烧，其燃烧过程借助火花塞点燃和火焰传播来完成。汽油机采用量调节，有节气门，部分负荷时的泵气损失使得机械效率降低，此外，由于汽油特性和爆燃等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比（一般为8-12，而柴油机的压缩比则可高达二十几），因此汽油机的整机效率比柴油机的要低得多，燃料利用率也比柴油机低40%左右，这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限。因此，汽油机面临的关键问题是如何提高汽油机能量利用率，降低油耗。

柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩燃料／空气混合气到接近上止点产生高温使混合气自燃着火。液态燃油被喷入燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸汽和空气组成的多相混合场，称之为喷雾场。对于柴油机而言，喷雾场在动力学和热力学上都是瞬变而又极不均匀的，且由于喷射油雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合严重不均匀，形成了高温火焰区（产生NOx）和高温过浓区（产生PM）。因此，柴油机面临的主要问题是如何降低NOx和微粒排放。

内燃机工作者们一直在努力研究各种技术方法来对汽油机进行改进优化，来提高内燃机的热效率和降低它的排放水平。柴油机的电控高压共轨喷射和预喷射、汽油机的分层稀薄燃烧和缸内直喷、增压中冷、多气门、废气再循环（EGR）、废气催化转化、提高喷油压力以及排放后处理技术等内燃机新技术由此诞生并发展。这些技术虽然在改进内燃机的某个或某些参数上有着明显的作用，但却往往恶化了其它的参数，使汽油机整体的性能提高不大。同时，全球汽车保有量不断增加，并且传统内燃机在其燃烧方式本身上有所限制，内燃机的污染与能耗问题仍是内燃机领域的主要问题。

大量的基础研究结果证明，传统火花点燃式内燃机和压燃式内燃机，分别在进一步提高燃料利用率和降低有害排放物生成方面己经达到了极限。因此，为突破传统内燃机排放和经济性的极限，开发一种新的燃烧技术来取代它们，成为世界各发达国家努力的方向。近几年来国际内燃机界广泛开展了内燃机新燃烧技术的研究，其中均质压燃式燃烧（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）技术以其在内燃机节能和降低排放方面的巨大潜力而引起全世界内燃机界的广泛关注，被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步。

早在20世纪30年代，人们就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧方式在汽油机上的存在，但它一直被认为是一种异常燃烧现象而被抑制。均质压燃燃烧概念出现在上世纪70年代，由于当时控制技术的限制，并没有引起足够的重视。进入上世纪90年代后期，发动机排放法规的日益严格和对发动机经济性的要求越来越高。随着发动机控制技术的发展，HCCI燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面的潜力引起了内燃机界的高度关注，与传统的火花点火发动机相比，HCCI方式采用均匀的空气与燃料混合气，用压燃代替火花塞点火；与传统的柴油机相比，HCCI方式采用压燃着火，但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式综合了火花塞点火模式和直喷模式的优点，具有较高热效率、较低NOx和PM排放等优点[9]。

1979年，Onishi和Nouchi发现在二冲程单缸汽油发动机上在低负荷工况下，当发动机在1000 r／min一6000 r／min的转速范围内，发动机不用点燃也能平稳运转，并且比传统的点燃式发动机工作稳定，燃油经济性和排放也都有显著的改进。Noguchi等人也在二冲程汽油机上，利用高速摄影光学分析，研究了由于化学反应中间产物导致的自燃着火过程。随后Yoichi、Gentili等研究了利用内部EGR（Exhaust Gas Recirculation）在二冲程发动机上实现HCCI的应用；Norimasa等人研究了代用燃料在二冲程发动机上的HCCI燃烧。1997年Honda 公司展示了采用HCCI的2冲程发动机，几乎同时，IPF公司也推出了应用HCCI概念的2冲程发动机。在这两款发动机中，HCCI燃烧模式都用来改进部分负荷工况的稳定性和燃油经济性，降低HC排放[9]。

1989年Thring等研究了HCCI燃烧在汽油机上应用的工作范围，并首次提出采用两种燃烧模式，即在大负荷使用火花点火方式，在部分负荷采用HCCI方式。1997年，Christensen 等人采用异辛烷（辛烷值100）、酒精（辛烷值107）和天然气（辛烷值120）等3种燃料进行了HCCI试验。后证明了几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩比的HCCI方式中。2002年，郑进才等在美国圣地亚国家重点实验室成功地在四冲程发动机上进行了HCCI试验，通过高EGR水平大大降低了未燃碳氢化合物和CO排放。这些工作对深入认识HCCI燃烧的机理，实现HCCI的燃烧稳定控制提供了依据。对于提高燃油热效率，降低排放，HCCI是内燃机燃烧技术的一个重大进步。具有很高的技术及现实意义[9]。

1.4 本课题的研究意义及主要内容

面对日趋严重的资源短缺与环境恶化问题，人们对汽车所带来的能源消耗、环境污染等诸多问题也越发重视。显然，电动汽车是替代当前燃油汽车的最佳解决方法，但是其无法在短时间内解决电动汽车所面临的实用化与商品化的现实问题；而混合动力汽车，虽能解决电动汽车电池的问题，却有许多缺点无法弥补。于是，一种兼具传统燃油汽车和纯电动汽车优点的增程式汽车应运而生。

同时，面对汽油机与柴油机各自的技术已日趋达到极限，开发新的燃烧技术——HCCI 燃烧技术，对于提高燃油热效率、降低排放等许多内燃机问题是一个重大的进步。

在第二章中将会提到，HCCI燃烧运行工况范围非常小，而增程式汽车所搭载的内燃机，只需在一个最佳工况状态下运行即可。如果将两者结合，正能解决HCCI的这一问题，又能使增程式汽车拥有HCCI燃烧技术。然而，如今尚未开发出一辆搭载着HCCI技术发动机的增程式汽车。如果能够研发成功，这对于现在的发动机研究领域，将是一次不小的创新和进步。

本文所涉及的试验研究部分是由上汽集团和上海交通大学内燃机研究所合作实行的Plug-in串联油电混合动力汽油机试验研究项目的一部分，该项目的研究构想正是基于这一思想。试验所用的发动机为荣威350的NSE1.5升16DOHC（Double Overhead Camshaft，双顶置凸轮轴）发动机。该款发动机是上汽自主研发发动机的精心力作。本文作者参与了前期实验台架的搭建、发动机的磨合、发动机外特性与万有特性测试、发动机改进以及HCCI燃烧控

制。该研究的目的是通过采用改变压缩比、进气加热、负气门叠开等控制技术方案，来控制着火燃烧时刻、燃烧速度，期望能使发动机实现稳定的HCCI燃烧。为在该款汽油机上实施HCCI燃烧的可行性提供了依据。

本文介绍了HCCI的燃烧特征，以及HCCI发动机实用化所面临的问题，以及HCCI燃烧的控制技术等。并在发动机试验台架上进行各种发动机测试，和开展Plug-in串联油电混合动力HCCI汽油机试验研究，采用改变压缩比、改变进气温度以及可变气门正时方案等方案进行试验，最后重点探讨了多缸HCCI发动机的缸间变动和循环变动，发动机热效率，并探讨了发动机全工况范围内的热效率最优化途径。

本文的主要研究内容如下：（主要内容是指你所做的主要工作部分）

第一章：介绍内燃机新型动力系统以及新型燃烧技术，以及该试验项目的内容和意义。

第二章：介绍HCCI燃烧方式以及特征，并着重说明了汽油机HCCI燃烧的控制方式，最后对汽油机HCCI燃烧所面临的问题进行讨论。

第三章：介绍该实验的研究平台，并对发动机和测试系统等进行逐一介绍。再说明了本次试验的方法。

第四章：通过特性测试的数据分析，从而得出结论。

第五章：总结试验研究，以及个人收获。并提出了以后的工作展望。

本课题主要内容是针对Plug-in串联油电混合动力所用的荣威350的NSE1.5升16DOHC （Double Overhead Camshaft，双顶置凸轮轴）发动机，设计了HCCI发动机进气加热系统；制定了发动机台架试验规范，参与了原型机性能摸底的全过程台架试验，如实验台架的搭建，发动机的磨合，外特性及万有特性测试等；通过测定发动机各工况下的缸内压力，进行了缸内燃烧放热规律的定量分析，为今后改制成HCCI发动机，实现优化设计提供大量原始详尽的数据。

第二章HCCI燃烧及其控制

HCCI燃烧是内燃机的一种新型燃烧方式。它既不同于传统汽油机的火花塞点火、火焰传播的燃烧方式，也不同于传统柴油机的燃油喷射、扩散燃烧方式。同时，它又兼有传统点燃式和传统压燃式发动机的优点。通过提高压缩比、进气加热和增压技术、废气再循环等手段来提高和控制缸内工质混合气的温度和压力，使缸内混合气到达自燃点，在缸内形成多点着火。HCCI燃烧减少了火焰传播距离和燃烧持续期，提高了热效率。与传统的点燃式汽油发动机相比，由于HCCI发动机取消了节气门，泵吸损失小，同时混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的高热效率，燃油经济性好；与传统柴油机相比，HCCI采用均质混合气，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，NOx 排放很低，几乎没有微粒捧放。且HCCI发动机对燃油喷射系统的要求不高，喷射压力较低的燃油喷射系统即可满足HCCI发动机的要求，降低了喷油系统的技术难度，节省成本[9]。

HCCI燃烧在理论上可以达到全部混合气的自燃，燃烧放热速率快，缸内循环的定容度高。因而具有相当高的热效率。但是，HCCI主要受到了化学反应动力学的控制，难以在全部转速和负荷下控制着火时间与相位，所以就现在的限制而言，HCCI发动机还不能实现完全的压燃稀燃模式进行，它只在中低转速的时候介入工作，提高效率，降低油耗[10]。

2.1 HCCI燃烧

2.1.1 HCCI燃烧方式

均质充量压缩燃烧（HCCI）指的是在进气过程中，将大量燃料和稀释物（空气、排放废气、水等）预先混合形成均质混合气，当活塞运行到压缩上止点附近时，均质被压缩而自燃着火、燃烧做功的一种发动机工作过程。如图2- 1所示为HCCI燃烧方式的工作过程。

图2- 2 HCCI燃烧方式示意图

HCCI燃烧方式与传统的发动机燃烧方式相比，有许多的不同。与传统的火花点火汽油机相比，HCCI采用均质混合气，用压燃代替火花塞点火；与传统的柴油机相比，HCCI采用压燃着火，但混合气是均质的，如图2-2所示。这种燃烧方式具有较高热效率、低NOx和PM 排放等优点。传统的火花点火燃烧，均质混合气被火花塞点燃，火焰前锋在均质混合气中传播，火焰前锋及其燃烧产物的局部温度远远高于其他未燃混合气，因此燃烧过程中的温度分布极不均匀，局部的高温易导致已燃区内NOx的生成。传统的柴油机采用扩散燃烧，化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率，燃烧快慢由混合扩散速率决定;在这种类型的燃烧中，混合气浓度和温度分布都极不均匀，扩散火焰外缘的高温区产生NOx，内部高温缺氧区产生PM。上述两种传统的燃烧方式存在着温度分布不均匀的问题，即局部高温和整体平均低温[11]。但是，HCCI的混合气燃烧有着自己的特点。HCCI的燃烧起始点和燃烧速率受缸内的温度和压力和工质组分控制。在着火以前可燃混合气已经均匀混合，在发生着火时，多点同时着火，没有明显的火焰传播，它的燃烧时刻和燃烧速率与缸内可燃混合气的化学反应动力学有关。

图2- 3 CI、SI和HCCI发动机燃烧形式的区别

柴油机、汽油机和HCCI发动机缸内燃烧形式的比较

HCCI燃烧方式的出现，有效地克服了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，是有别于传统的汽油机均质点燃预混合燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。与传统内燃机相比，HCCI发动机有如下的优点：[9,11] （1）低NOx和PM排放。这是HCCI燃烧方式的发动机的无可比拟的优势。HCCI以自燃和低温燃烧为特点，这样的燃烧方式可以同时降低NOx和碳烟的排放。HCCI燃烧的空燃比控制在l左右，且用EGR降低缸内温度，使其保持在1800K以下，极为有效的控制了NOx的生成，并几乎做到了无烟燃烧。

（2）高燃油经济性。HCCI燃烧方式可在保持较高的动力性的前提下保证非常好的燃油经济性。首先它取消了节气门，消除了节气门的节流损失，使泵气损失降低。进入气缸的混合气与汽油机一样，是经预混的均质混合气，避免了柴油机颗粒（PM）的排放，同时它压燃的工作方式，又像柴油机一样可以采用高压缩比和稀燃，并采用多点同时着火的燃烧方式使得能量释放率较高，接近于理想的等容燃烧，具有很高的热效率。与传统的汽油机相比较，HCCI发动机在稳态部分负荷条件下的燃油消耗要低30％以上，即使在车用的标准循环测试工况下，其经济性也能提高5～10％。

（3）易于简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。HCCI燃烧与缸内混合气的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响