本发明涉及动力装置技术领域，尤其涉及一种均质预混合燃烧发动机及其控制方法。
背景技术：
均质预混合燃烧被普遍认为是可以提高发动机热效率、降低颗粒物排放、改善做功能力的有效技术方法。与点燃式内燃机及缸内直喷内燃机相比，均质预混合燃烧发动机的混合气形成主要通过喷油器将燃料喷入进气道，并使其与空气在进气道及缸内混合，所形成的混合气在缸内依靠缸内热力学氛围及燃料自身化学反应动力学特性控制着火，在着火时缸内各处混合气均达到自燃温度而瞬时同步完成着火与燃烧过程，因而其燃烧过程较点燃式发动机的预混火焰传播及压燃式发动机的扩散着火与传播均更快，进而使其更加接近理想的定容加热循环而获得更高的热效率。同时，由于缸内不存在燃料喷射过程，因而其颗粒物排放明显低于传统压燃式发动机。
均质预混合燃烧发动机的着火与燃烧过程与缸内温度密切相关，如缸内温度控制不当，则其容易出现爆燃、爆震及失火等问题。因而，对均质预混合发动机而言，控制缸内温度是解决其低负荷失火，高负荷爆燃及爆震的关键。
混合气着火可以通过改变压缩比及配气相位调整压缩过程中的缸内温度实现。通常，提高压缩比可以增加缸内温度，降低压缩比则可以降低混合气在压缩过程中的缸内温度。目前，现有技术多采用通过多连杆系统控制活塞下止点位置的办法来控制活塞的位移变化，调整缸内总容积与余隙容积的比值，达到改变压缩比的目的，但在该条件下，发动机的压缩比受限于其机械结构特点而无法实现连续调整，只能在少数几个固定的压缩比下工作。因此，现有的可变压缩比结构在应用于均质预混合燃烧发动机时难以根据工况、进气温度、进气量、喷油量及燃料特性而实时改变缸内压缩过程温度，容易导致均质预混合燃烧发动机出现启动困难，低负荷燃烧效率下降甚至失火，高负荷工作粗暴乃至爆震等异常燃烧问题。
技术实现要素：
本发明提供一种均质预混合燃烧发动机及其控制方法，用以解决现有技术中机构复杂且不利于实现多工况下压缩比的连续调整的问题。
本发明提供一种均质预混合燃烧发动机，包括缸体和活塞，所述缸体内形成燃烧室，所述活塞滑动连接在所述缸体内，所述缸体上设置有连通至所述燃烧室的进气道和排气道，所述进气道连通有燃油喷嘴，所述均质预混合燃烧发动机还包括：
调节顶盖，所述调节顶盖滑动连接在所述缸体内，用于滑动调节所述燃烧室的大小；
缸压传感器，用于采集所述燃烧室内的压力信息；
预热塞，用于给所述燃烧室升温；
进气门，用于控制所述进气道与所述燃烧室之间通路的开闭；
排气门，用于控制所述排气道与所述燃烧室之间通路的开闭；
控制装置，用于控制所述预热塞的预热时间、所述燃油喷嘴的喷射时间、所述进气门和所述排气门的运行，以及根据所述压力信息和所述活塞的曲轴转角控制所述调节顶盖的位置。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述控制装置包括电子控制单元、滑动控制阀、进气控制阀和排气控制阀，所述电子控制单元分别与所述缸压传感器、预热塞、滑动控制阀、进气控制阀和排气控制阀电连接，所述滑动控制阀与所述调节顶盖连接，所述进气控制阀与所述进气门连接，所述排气控制阀与所述排气门连接。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述调节顶盖固定连接有燃烧室推杆，所述燃烧室推杆滑动连接于所述缸体，所述燃烧室推杆与所述滑动控制阀连接。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述调节顶盖上设置有连通所述进气道与燃烧室的第一通气孔以及连通所述排气道与燃烧室的第二通气孔；
所述进气门包括进气门导杆和进气门端板，所述进气门导杆连接所述进气控制阀，所述进气门端板与所述进气门导杆一端固定连接；
所述排气门包括排气门导杆和排气门端板，所述排气门导杆连接所述排气控制阀，所述排气门端板与所述排气门导杆一端固定连接。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述燃烧室推杆固定连接有配气机构座，所述配气机构座位于所述缸体外，所述进气控制阀和所述排气控制阀设置在所述配气机构座上。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述调节顶盖上固定设置有进气门导向件，所述进气门导向件一端连接至所述第一通气孔，另一端与所述进气道滑动连接，和/或所述调节顶盖上固定设置有排气门导向件，所述排气门导向件一端连接至所述第二通气孔，另一端与所述排气道滑动连接。
根据本发明提供的一种均质预混合燃烧发动机，所述进气道内靠近出口的位置设置有与所述进气门导向件滑动密封连接的密封滑轨，和/或所述排气道内靠近入口的位置设置有与所述排气门导向件滑动密封连接的密封滑轨。
本发明还提供一种适用于以上任一项所述的均质预混合燃烧发动机的控制方法，包括以下步骤：
进行预热，并将压缩比调至最大值，喷射燃料并使活塞往复移动，完成发动机启动过程；
获得缸内压力、最大压力对应的曲轴位置以及循环压力升高率最大值；
根据所述缸内压力、最大压力对应的曲轴位置及循环压力升高率最大值调整压缩比。
根据本发明提供的一种控制方法，所述根据所述缸内压力、最大压力对应的曲轴位置及循环压力升高率最大值调整压缩比包括：
在所述缸内压力小于或等于机体额定压力，所述循环压力升高率最大值小于或等于第一阈值，且与最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第一位置时，使所述调节顶盖以每个循环步进一次的形式移动以增大压缩比，直至与最大压力对应的曲轴位置未达到上止点后的第二位置，或循环压力升高率最大值介于第一阈值和第二阈值之间，同时缸内压力仍小于或等于机体额定压力；
在所述缸内压力大于机体额定压力，或所述循环压力升高率最大值大于第一阈值，或最大压力对应的曲轴位置早于上止点后的第三位置时，使所述调节顶盖以每个循环步进一次的形式移动以减小压缩比，直至循环压力升高率最大值小于第一阈值，且最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第三位置，且缸内压力不大于额定压力。
根据本发明提供的一种控制方法，所述控制方法还包括：
监测所述调节顶盖的位移量，并获得所述位移量与目标位移的相对误差，在所述相对误差大于第三阈值时，使所述调节顶盖移动至燃烧室的容积最大的位置。
本发明提供的均质预混合燃烧发动机及其控制方法，通过采用可连续移动的调节顶盖使发动机压缩比可以根据燃料均质预混合压燃时的放热规律实时调整。该发明通过预热塞为发动机在启动时预热，保证了起动首循环的燃烧稳定性，同时通过对缸压信号的检测与分析，通过调节顶盖控制压缩比实现在线燃烧与放热过程的调整，能够保证发动机在获得快速、高效燃烧过程的同时保证发动机本体不会由于过载而破坏。本发明提供的均质预混合燃烧发动机通过简单、直接的结构控制缸压，避免机构复杂，增加运行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明均质预混合燃烧发动机及其控制方法提供的均质预混合燃烧发动机结构示意图。
附图标记：
1：缸体；2：进气道；3：进气控制阀；
4：滑动控制阀；5：排气控制阀；6：排气道；
7：密封环；8：电子控制单元；9：升降滑轨；
10：活塞；11：密封滑轨；12：进气门端板；
13：进气门导杆；14：缸压传感器15：调节顶盖；
16：排气门端板；17：排气门导杆；18：燃烧室推杆；
19：配气机构座；20：通气孔；21：进气门导向件；
22：排气门导向件；23：预热塞；24：燃油喷嘴；
a-d：控制信号；e、f：反馈信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明实施例的均质预混合燃烧发动机，均质预混合燃烧发动机包括：缸体1、活塞10、调节顶盖15、缸压传感器14、预热塞23、进气门、排气门和控制装置。
缸体1内形成有燃烧室，活塞10滑动连接在缸体1内，能够沿缸体1的轴向往复移动。缸体1上设置有连通至燃烧室的进气道2和排气道6，进气道2连通有燃油喷嘴24，燃油喷嘴24能够向进气道2内喷射燃料，由进气道2进入燃烧室的混合气燃烧后产生的尾气可从排气道6排出。
调节顶盖15滑动连接在缸体1内，调节顶盖15上设置有密封环7，以实现调节顶盖15与缸体1之间的滑动密封。在安装调节顶盖15后，缸体1内的燃烧室容积实际为调节顶盖15靠近活塞10一侧与缸体1内壁所共同围成的空腔。调节顶盖15沿缸体1的轴线方向滑动时能够改变燃烧室的容积，进而改变活塞10移动时的压缩比。缸体1上设置有通气孔20，调节顶盖15滑动时，空气可由通气孔20位置出入使缸体1能够顺利滑动。
缸压传感器14与调节顶盖15固定连接，其检测端朝向活塞10一侧，缸压传感器14能够实时采集燃烧室内的气压。
预热塞23能够对调节顶盖15、缸内的混合气及活塞等进行加热升温。
进气门能够用于控制进气道2与燃烧室通路的开闭，从而用于控制混合气的通量。
排气门能够用于控制排气道6与燃烧室通路的开闭，从而用于控制尾气的排量。
控制装置设置在缸体1外，包括电子控制单元8、滑动控制阀4、进气控制阀3和排气控制阀5。控制装置用于控制预热塞23预热时间、燃油喷嘴24的喷射时间、进气门和排气门的运行，以及根据压力信息和活塞10的曲轴转角控制调节顶盖15的位置。
电子控制单元8与缸压传感器14和预热塞23之间通过导线连接，缸压传感器14、预热塞23的导线可设置在通气孔20内，电子控制单元8能够接收缸压传感器14采集的缸内压力的反馈信号f，并且能够向预热塞23发送预热的控制信号c。
在本发明一个实施例中，调节顶盖15固定连接有燃烧室推杆18，燃烧室推杆18通过升降滑轨9滑动连接于缸体1，燃烧室推杆18的滑动方向与调节顶盖15的滑动方向相同。燃烧室推杆18一端位于缸体1内，并与调节顶盖15背离活塞10一侧固定连接，燃烧室推杆18另一端位于缸体1外。燃烧室推杆18位于缸体1外的部分连接滑动控制阀4，滑动控制阀4能够控制燃烧室推杆18滑动，进而带动调节顶盖15移动，达到调节压缩比的目的。
电子控制单元8通过导线与滑动控制阀4电连接，电子控制单元8向滑动控制阀4发出使燃烧室推杆18位移的控制信号b控制燃烧室推杆18的位移，同时能够接收滑动控制阀4发出的燃烧室推杆18位置的反馈信号e，对燃烧室推杆18的实际位置进行判断，以完成对燃烧室推杆18位置的闭环控制。
在本发明一个实施例中，调节顶盖15上设置有连通进气道2与燃烧室的第一通气孔以及连通排气道6与燃烧室的第二通气孔，第一通气孔和第二通气孔分别贯穿调节顶盖15。
进气门包括进气门导杆13和进气门端板12，进气门导杆13一端与进气门端板12固定连接，另一端依次穿过第一通气孔、进气道2和缸体1外壁。进气门导杆13与缸体1之间为滑动连接，进气门导杆13连接进气控制阀3。进气控制阀3能够控制进气门导杆13的移动，从而控制第一通气孔的开闭。具体的，进气控制阀3控制进气门导杆13向上移动使进气门端板12盖合在第一通气孔靠近活塞10一侧的端口上时，能够封堵进气道2至燃烧室的通路，当进气控制阀3控制进气门导杆13向下移动使进气门盖板脱离第一通气孔靠近活塞10一侧的端口时，能够打开进气道2至燃烧室的通路。
排气门包括排气门导杆17和排气门端板16，排气门导杆17一端与排气门端板16固定连接，另一端依次穿过第二通气孔、排气道6和缸体1外壁，排气门导杆17与缸体1之间为滑动连接，排气门导杆17连接排气控制阀5。排气控制阀5能够控制排气门导杆17的移动，从而控制第二通气孔的开闭，具体的，排气控制阀5控制排气门导杆17向上移动使排气门端板16盖合在第二通气孔靠近活塞10一侧的端口上时，能够封堵排气道6至燃烧室的通路，当排气控制阀5控制排气门导杆17向下移动使排气门端板16脱离第二通气孔靠近活塞10一侧的端口时，能够打开排气道6至燃烧室的通路。
电子控制单元8通过导线分别与进气控制阀3和排气控制阀5连接，电子控制单元8通过发出控制信号a控制进气控制阀3的运行，从而控制进气道2至燃烧室的通路的开闭。电子控制单元8通过发出控制信号d控制排气控制阀5的运行，从而控制排气道6至燃烧室的通路的开闭。
优选的，排气门端板16和/或进气门端板12设置为由靠近活塞10端至背离活塞10端直径逐渐减小的锥面结构，从而能达到良好的密封效果。
进一步的，燃烧室推杆18固定连接有配气机构座19，配气机构座19位于缸体1外，且通过升降滑轨9与缸体1滑动连接。进气控制阀3和排气控制阀5设置在配气机构座19上，当燃烧室推杆18带动调节顶盖15移动时，能够带动进气控制阀3和排气控制阀5同步移动，保证开闭第一通气孔和第二通气孔时，进气门导杆13和排气门导杆17的移动距离不变，不需要根据调节顶盖15的位置进行调整。
在本发明一个实施例中，调节顶盖15上固定设置有进气门导向件21，进气门导向件21一端连接至第一通气孔，另一端与进气道2滑动连接，和/或调节顶盖15上固定设置有排气门导向件22，排气门导向件22一端连接至第二通气孔，另一端与排气道6滑动连接。进气门导向件21和排气门导向件22采用圆筒结构，进气门导向件21和排气门导向件22能够起到对调节顶盖15进行导向的作用，并且，能够保证进气道2内的混合气顺利到达第一通气孔，第二通气孔的尾气顺利到达排气道6。
进一步的，进气道2内靠近出口位置设置有与进气门导向件21滑动密封连接的密封滑轨11，和/或排气道6内靠近入口位置设置有与排气门导向件22滑动密封连接的密封滑轨11，密封滑轨11可以采用筒状滑轨，能够增加滑动稳定性。
本发明的均质预混合燃烧发动机，通过缸压传感器14实时获得燃烧室内的缸压来决定可移动调节顶盖15的运动规律，使均质预混合燃烧发动机燃烧室内的实际压缩比能够实时满足混合气高效燃烧的需求；并且在缸内压力或压力升高率过高时通过改变压缩比控制燃烧速率，降低均质预混合燃烧发动机所承受的机械负荷与热负荷，在提高均质预混合燃烧发动机做功能力及热效率的前提下，也达到了保护均质预混合燃烧发动机本体结构的目的。调节顶盖15的移动过程中是对压缩比的连续调整过程，能够满足不同工况的需求。
在本发明一个实施例中，还提供了一种均质预混合燃烧发动机的控制方法，该控制方法能够适用于上述任一实施例中的均质预混合燃烧发动机。均质预混合燃烧发动机的控制方法包括以下步骤：
s100、进行预热，并将压缩比调至最大值，喷射燃料并使活塞往复移动，完成发动机启动过程。
电子单元8在接收到发动机启动指令时，首先通过发出预热塞23的控制信号c使预热塞23开始加热，加热时间theat不少于60s且随发动机单缸排量的增加而增加，以使调节顶盖15、缸内混合气及活塞10等燃烧室内零件与空气快速升温；
在进行预热的同时，电子控制单元8向滑动控制阀4发送控制信号b，使滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起同步向下移动至下止点位置，使燃烧室压缩比增加至最大值；
电子控制单元8在theat时间时，通过停止发出预热塞23的控制信号c使预热塞23停止加热，此时，此时电子控制单元8通过发出燃料喷射的控制信号g使燃油喷嘴24开始喷射燃料，并接通起动马达使活塞10上下移动，从燃油喷嘴24喷出的燃料在活塞10下行过程中与空气共同进入气缸形成均质混合气，在活塞10上行的过程中，燃烧室内温度逐渐提高，在达到混合气着火温度后瞬时完成压燃放热过程推动活塞10在放热做功行程中下行，从而完成发动机起动过程。
电子控制单元8在喷油器24开始喷射10s后退出起动过程控制方法所规定的控制策略，进入运行过程控制方法所规定的控制策略；
在进入运行过程控制方法后，电子控制单元8根据原机所设定的喷油规律根据发动机功率需求按原机策略继续控制燃油喷嘴24的喷油脉宽与时刻。s200、获得缸内压力值、最大压力对应的曲轴位置以及循环压力升高率最大值。
在发动机运行过程中，电子控制单元8检测来自缸压传感器14所发出的缸压信号f从而获得缸内压力p，最大压力对应的曲轴位置c，并根据缸内压力进一步计算循环压力升高率最大值(dp/dca)max。s300、根据所述缸内压力值、最大压力对应的曲轴位置及循环压力升高率最大值调整压缩比。
步骤s300具体包括：
s301、在缸内压力小于或等于机体额定压力，循环压力升高率最大值小于或等于第一阈值，且与最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第一位置时，使调节顶盖以每个循环步进一次的形式移动以增大压缩比，直至与最大压力对应的曲轴位置未达到上止点后的第二位置，且循环压力升高率最大值介于第一阈值和第二阈值之间，同时缸内压力仍小于或等于机体额定压力。
具体的，第一阈值可以为0.1mpa/°，第二阈值为0.05mpa/°，第一位置为上止点后16°曲轴转角位置，第二位置为上止点后5°曲轴转角位置。
当缸内压力p小于或等于机体额定承受最大压力，且循环压力升高率最大值(dp/dca)max小于或等于0.1mpa/°，且最大压力对应的曲轴位置c晚于上止点后16°曲轴转角时，电子控制单元8判定发动机需要增加压缩比运行，此时电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b控制滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起同步向下移动，使每循环调节顶盖15较上一循环向下移动0.1mm。直至循环压力升高率最大值(dp/dca)max小于或等于第一阈值且大于或等于0.05mpa/°，或者最大压力对应的曲轴位置c早于上止点后5°曲轴转角，同时应当保证缸内压力p仍小于或等于机体额定承受最大压力。此时电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b使滑动控制阀4所控制的燃烧室推杆18位置保持不变。此步骤为压缩比增加模式下的控制过程。
s302、在缸内压力大于机体额定压力，或循环压力升高率最大值大于第一阈值，或最大压力对应的曲轴位置早于上止点后的第三位置时，使调节顶盖15以每个循环步进一次的形式移动以降低压缩比，直至循环压力升高率最大值小于第一阈值，且最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第三位置，且缸内压力小于额定压力。
具体的，第一阈值可以为0.1mpa/°，第二位置为上止点后3°曲轴转角位置。当缸内压力p大于机体额定承受最大压力，或者循环压力升高率最大值(dp/dca)max大于0.1mpa/°，或者最大压力对应的曲轴位置c早于上止点后3°曲轴转角时，电子控制单元8判定发动机需要降低压缩比运行，此时电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b控制滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起在当前循环较上一循环同步向上移动0.1mm，使发动机压缩比降低，直至缸内压力p小于机体额定承受最大压力，且循环压力升高率最大值(dp/dca)max小于0.1mpa/°，且最大压力对应的曲轴位置c晚于上止点后3°曲轴转角，在满足上述条件的情况下，电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b使滑动控制阀4所控制的燃烧室推杆18位置保持不变，此时发动机压缩比较燃烧室推杆18移动前减小。此步骤为压缩比减小模式下的控制过程。
在本发明一个实施例中，控制方法还包括：
s400、监测调节顶盖15的位移量，并获得位移量与目标位移的相对误差，在相对误差大于第三阈值时，使调节顶盖15移动至燃烧室的容积最大的位置。
具体的，第三阈值为10％，在电子控制单元8发出控制信号b使滑动控制阀4控制燃烧室推杆18移动的过程中，接收来自滑动控制阀4的关于燃烧室推杆18位置的反馈信号e，并通过反馈信号e获得位移量与目标位移的相对误差，当相对误差大于10％时，电子控制单元8判定系统故障，立即发出控制信号b，使滑动控制阀4控制燃烧室推杆18移动至最上方位置，从而使调节顶盖15移动至燃烧室的容积最大的位置，以保证均质预混合燃烧发动机运行安全。
需要说明的是，步骤s400能够同时适用于步骤s301和步骤s302两种执行方式，达到保证均质预混合燃烧发动机运行安全的目的。
在本发明一个实施例中，对不同工况进行了如下实验：
实验发动机为图1所示的均质预混合燃烧发动机(以下简称发动机)，实验时，将发动机曲轴与测功机相连接，通过测功机将发动机转速稳定在1700r/min，通过实验台架所安装的油耗仪测量发动机油耗并进一步计算其热效率，通过电子控制单元8的通讯标定软件读取缸压和压力升高率数据。实验所用发动机为某排量为1.6l自然吸气式发动机，燃烧室最大设计承载压力为10mpa，可移动燃烧室顶盖15在最上方时产生的最小压缩比为10.1。在该测试系统上进行了如下实验：
(1)起动实验
接通电子控制单元8电源启动发动机，电子控制单元8首先通过发出预热塞23的控制信号c使预热塞23开始加热60s。并同时发出燃烧室推杆18的位置控制信号b控制滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起同步向下移动至下止点位置(在所改造的实验发动机中下止点位置距离初始上止点位置7.2mm)，发动机压缩比增加至20.0。60s后接通电子控制单元8开始通过发出控制信号g使燃油喷嘴24按原机喷油规律进行喷油(喷油角为上止点后273°，喷油脉宽5.3ms)，喷出的燃料与空气在进气道2内混合后随活塞10下行所产生的真空进入燃烧室，在活塞10上行至上止点后1.5°曲轴转角时，缸内温度达到混合气着火温度开始快速放热，着火后产生的最大缸内压力为2.06mpa，最大缸压对应的曲轴位置为上指点后6.3°曲轴转角，最大压力升高率为0.51mpa/°，首个着火循环转速1107rpm，发动机启动成功，10s后电子控制单元8自动退出启动控制模式转入运行控制模式。
(2)压缩比调增实验：
发动机在1700r/min，有效转矩43nm条件下运行，电子控制单元8通过接收来自缸压传感器14的反馈信号f获得缸内压力最大值为6.08mpa(发动机设计最大承受压力18mpa)，最大压力所对应的曲轴位置为上指点后17.5°曲轴转角，最大压力升高率为0.39mpa/°曲轴转角。根据上述信号，电子控制单元8发出燃烧室推杆18位置的控制信号b控制滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起同步向下移动。当压缩比增加至17.2时，电子控制单元8检测到缸内压力升高率达到0.51mpa/°曲轴转角，此时电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b使滑动控制阀4所控制的燃烧室推杆18位置保持不变，发动机保持以压缩比17.2运行。测试结果表明，压缩比改变前发动机有效热效率为33.8％，将压缩比通过本发明所提供的装置与策略提高到17.2时，发动机有效热效率增加到41.2％。
(2)压缩比调减实验：
发动机在1700r/min，有效转矩43nm条件下运行，通过增加燃料浓度快速提高燃烧强度，此时电子控制单元8通过接收来自缸压传感器14的反馈信号f获得缸内压力最大值为7.96mpa，最大压力升高率为0.72mpa/°曲轴转角，最大缸压对应的曲轴位置为上指点后1.3°曲轴转角。根据上述信号，电子控制单元8判定此时应降低压缩比以推迟燃烧重心(即最大缸压对应的曲轴位置)以减少负功产生。电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b控制滑动控制阀4驱动燃烧室推杆18带动配气机构座19与调节顶盖15一起同步向上移动，使发动机压缩比由实验开始时的17.2开始降低。当压缩比降低至16.3时，电子控制单元8检测到最大缸压对应的曲轴位置为上指点后4.3°曲轴转角。此时电子控制单元8通过发出燃烧室推杆18位置的控制信号b使滑动控制阀4所控制的燃烧室推杆18位置保持不变，发动机负功减少，且热效率由压缩比降低前的36.7％提高至40.9％。
上述的实验结果表明，采用本发明提供的均质预混合燃烧发动机能够使发动机以均质预混合压燃方式启动，并且在运行过程中可以根据放热规律连续改变压缩比，控制燃烧放热速率、压升率及缸压，进而有利于发动机的高效、稳定运行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种均质预混合燃烧发动机，包括缸体和活塞，所述缸体内形成燃烧室，所述活塞滑动连接在所述缸体内，所述缸体上设置有连通至所述燃烧室的进气道和排气道，所述进气道连通有燃油喷嘴，其特征在于，所述均质预混合燃烧发动机还包括：
调节顶盖，所述调节顶盖滑动连接在所述缸体内，用于滑动调节所述燃烧室的大小；
缸压传感器，用于采集所述燃烧室内的压力信息；
预热塞，用于给所述燃烧室升温；
进气门，用于控制所述进气道与所述燃烧室之间通路的开闭；
排气门，用于控制所述排气道与所述燃烧室之间通路的开闭；
控制装置，用于控制所述预热塞的预热时间、所述燃油喷嘴的喷射时间、所述进气门和所述排气门的运行，以及根据所述压力信息和所述活塞的曲轴转角控制所述调节顶盖的位置。
2.根据权利要求1所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述控制装置包括电子控制单元、滑动控制阀、进气控制阀和排气控制阀，所述电子控制单元分别与所述缸压传感器、预热塞、滑动控制阀、进气控制阀和排气控制阀电连接，所述滑动控制阀与所述调节顶盖连接，所述进气控制阀与所述进气门连接，所述排气控制阀与所述排气门连接。
3.根据权利要求2所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述调节顶盖固定连接有燃烧室推杆，所述燃烧室推杆滑动连接于所述缸体，所述燃烧室推杆与所述滑动控制阀连接。
4.根据权利要求3所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述调节顶盖上设置有连通所述进气道与燃烧室的第一通气孔以及连通所述排气道与燃烧室的第二通气孔；
所述进气门包括进气门导杆和进气门端板，所述进气门导杆连接所述进气控制阀，所述进气门端板与所述进气门导杆一端固定连接；
所述排气门包括排气门导杆和排气门端板，所述排气门导杆连接所述排气控制阀，所述排气门端板与所述排气门导杆一端固定连接。
5.根据权利要求4所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述燃烧室推杆固定连接有配气机构座，所述配气机构座位于所述缸体外，所述进气控制阀和所述排气控制阀设置在所述配气机构座上。
6.根据权利要求4所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述调节顶盖上固定设置有进气门导向件，所述进气门导向件一端连接至所述第一通气孔，另一端与所述进气道滑动连接，和/或所述调节顶盖上固定设置有排气门导向件，所述排气门导向件一端连接至所述第二通气孔，另一端与所述排气道滑动连接。
7.根据权利要求6所述的均质预混合燃烧发动机，其特征在于，所述进气道内靠近出口的位置设置有与所述进气门导向件滑动密封连接的密封滑轨，和/或所述排气道内靠近入口的位置设置有与所述排气门导向件滑动密封连接的密封滑轨。
8.一种适用于如权利要求1-7任一项所述的均质预混合燃烧发动机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
进行预热，并将压缩比调至最大值，喷射燃料并使活塞往复移动，完成发动机启动过程；
获得缸内压力、最大压力对应的曲轴位置以及循环压力升高率最大值；
根据所述缸内压力、最大压力对应的曲轴位置及循环压力升高率最大值调整压缩比。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述缸内压力、最大压力对应的曲轴位置及循环压力升高率最大值调整压缩比包括：
在所述缸内压力小于或等于机体额定压力，所述循环压力升高率最大值小于或等于第一阈值，且与最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第一位置时，使所述调节顶盖以每个循环步进一次的形式移动以增大压缩比，直至与最大压力对应的曲轴位置未达到上止点后的第二位置，或循环压力升高率最大值介于第一阈值和第二阈值之间，同时缸内压力仍小于或等于机体额定压力；
在所述缸内压力大于机体额定压力，或所述循环压力升高率最大值大于第一阈值，或最大压力对应的曲轴位置早于上止点后的第三位置时，使所述调节顶盖以每个循环步进一次的形式移动以减小压缩比，直至循环压力升高率最大值小于第一阈值，且最大压力对应的曲轴位置晚于上止点后的第三位置，且缸内压力不大于额定压力。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
监测所述调节顶盖的位移量，并获得所述位移量与目标位移的相对误差，在所述相对误差大于第三阈值时，使所述调节顶盖移动至燃烧室的容积最大的位置。
技术总结