（载运工具运用工程专业论文）汽油机非稳定加速工况燃烧模型的建立及其应用.pdf

摘要 本文从两个方面对汽油机加速工况其缸内燃烧情况进行了研究，一个是通过 实验测量汽油机加速时气缸内的压力等参数，研究了汽油机在加速工况下的缸内 工作情况，并对加速工况下缸内平均指示压力，最高燃烧压力等与稳态工况进行 了比较。另外作者从理论上建立了汽油机在加速工况时缸内燃烧模型。编写了计 算程序，其计算结果与实验结果吻合较好，然后在此基础上进行了变参数性能预 测，并预测了在加速工况下汽油机n o 。的排放情况。其中模型的建立是本文的主 要研究工作，具体内容如下： ( 1 ) 阐述了汽油机非稳定工况燃烧过程研究的意义及其现状，提出了本文的 研究内容与研究思路。 ( 2 ) 介绍了汽油机加速工况下瞬态示功图的测量。对系统标定、动态上止点 位置的确定、瞬态示功图的光顺方法等诸方面进行了较为详细的考虑，并对其实 验结果进行了分析。 ( 3 ) 建立了汽油机非稳定加速工况燃烧模型，该模型可以计算加速工况下发 动机气缸内压力、温度等数据。实验和计算结果的对比表明，该模型无论是对稳 定工况还是非稳态过程，均能较好的预测汽油机的性能。并在此基础上进行了影 响发动机加速性能因素的讨论。 ( 4 ) 利用节点积分法进行了燃烧室几何模型的计算，目的是为燃烧模型的顺 利计算提供已燃区和未燃区的体积及其传热面积等参数。 ( 5 ) 在汽油机非稳定加速工况燃烧模型的基础上对汽油机加速工况下的n o 。 生成情况进行模拟计算，并对其影响因素进行了讨论。 ( 6 ) 对本文所作工作进行了一个简单的概括总结并对将来的下一步工作提出 了展望。 关键词：汽油机；燃烧过程；模型：加速工况；模拟计算 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa na u t o m o b i l eg a s o l i n e e n g i n e so p e r a t i o nu n d e ra c c e l e r a t e dc o n d i t i o n sf r o mt w oa s p e c t s ，o n ei sm e a s u r e m e n t o ft h ei n c y l i n d e rp r e s s u r ei ne x p e r i m e n t ，s t u d i e dt h eg a s o l i n ee n g i n e su n d e rt h e a c c e l e r a t i o nc i r c u m s t a n c ew o r k a n o t h e ri sap r e d i c t i v em o d e lw a se s t a b l i s h e df o r c o m b u s t i o np r o c e s su n d e rt r a n s i e n tc o n d i t i o n sf r o mt h e o r e t i c a l l yb ya u t h o r a l l c a l c u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ec o n c l u s i o n si n s o m er e f e r e n c e sc o n c e r n e da sw e l l ，t h er e s u l t ss h o wt h en u m e r i c a ls o l u t i o nr e a s o n a b l e a n df o r e c a s tt h en o xo nt h i sb a s i s a m o n gt h e mt h ee s t a b l i s h i n go fm o d e li sa t e x t u a lm a i nr e s e a r c hw o r k t h er e s e a r c hi t e m sa r ef o l l o w s ： ( 1 ) t h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h e sa n ds o m er e s u l t so nc c vw e r eg e n e r a l i z e d a t t h es a m et i m e ，t h ec o n t e n t sa n dw a y so ft h i ss t u d yw e r ep r o p o s e d ( 2 ) t h et e s t so ft h ep r e s s u r ei n d i c a t o rd i a g r a m su n d e ra c c e l e r a t e dc o n d i t i o n sw e r e i n t r o d u c e d m a n yf a c t o r ss u c ha st h ec a l i b r a t i o nf o rp r e s s u r es e n s o r , t h ed e t e r m i n a t i o n o fs a m p l i n gf r e q u e n c ya n dt o pd e a dc e n t e r ，t h es m o o t hm e t h o da b o u te x p e r i m e n t a ld a t a w e r ed o n e a n da n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ( 3 ) t h ep r e d i c t i v em o d e lo fg a s o l i n ee n g i n e so p e r a t i o nu n d e ra c c e l e r a t e d c o n d i t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h i sm o d e lc a nc o m p u t et h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ei n c y l i n d e r ，e c t w i t ht h eh e l po ft h i sm o d e l ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，u n d e re i t h e r s t e a d y o rt r a n s i e n tr u n n i n gc o n d i t i o n ，c a nb ee s t i m a t e dw i t hh i g ha c c u r a c y t h e n d i s c u s s e dt h ef a c t o rt h a ti n f l u e n c e dt h eg a s o l i n ee n g i n e sc a p a b i l i t yo fa c c e l e r a t e ， ( 4 ) t h em a i nw o r ko fc h a p t e r4w a st oc a l c u l a t e dt h ef i r e b o xm o d e l ，i ti st oo f f e r t h ev o l u m ea n da r e ao ft h eq u a n t i t yo fh e a t i no r d e rt oc a l c u l a t e dt h em o d e l ( 5 ) t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h en o xs i m u l a t e dt h en o xu n d e ra c c e l e r a t i n g c i r c u m v e n t s ，a n di t si n f l u e n c eo ff a c t o rp r o c e e d sw a sd i s c u s s e d ( 6 ) t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra n ds o m ep r o s p e c t so ff u r t h e rs t u d i e s a r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；c o m b u s t i o np r o c e s s e s ；m o d e l ；t r a n s i e n tc o n d i t i o n s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： ；嫩孳 日期：加4 年4 月二1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 彦名爹 懿彬 日期：御坤年 日期：c p j 年 中月；1 日 中月吖日 第一章绪论 1 1 汽油机非稳定工况燃烧过程研究的意义 大气环境是人类赖以生存的基础，随着汽车饱有量的增加，汽车废气排放已成 为大气污染的主要来源之一，而且由于汽车排放是低空排放，对环境和人体健康危 害极大。长期以来，国内外的排放测试均是通过稳态工作过程获得排放数据进行分 析的，然而汽车在实际使用中经常具有停车、起动、加速、减速及均速等情况的 发生，同时发动机将也会伴随着具有起动、怠速、加速、减速和等速等工况，这 样发动机在相当长的时间内是处于加速、减速等瞬态工况下工作，因此稳态工况测 得的排放指标并不能真正代表发动机的实际排放污染水平。所以日益严峻的大气污 染问题迫使世界各国不再只单纯停留在稳态工况的排放测量上，如在欧洲已制定了 欧i 、欧瞬态循环排放法规，美国也有e p a 瞬态循环法规“3 ，以限制汽车废气排 放污染。而且，随着石油资源的枯竭，对汽车经济性的要求也越来越高。因此在电 控技术广泛应用于发动机的今天，怎样更好的提高发动机的动力性与经济性，降低 汽车有害排放物，更加精确的控制发动机实际运行工况的点火正时和空燃比等主要 参数，这些都对内燃机的工作过程提出了更加严格的要求。然丽由于非稳定工况下 发动机的循环在热力学上不满足循环终点等于循环始点的条件0 1 。这就给测量和 理论分析带来了很大困难，因此几十年来，国内外内燃机工作者对汽油机的大量 研究工作，主要集中在发动机的稳态工况或稳态过程燃烧上，而对瞬态方面的各 项研究工作相对较少。 实际上，汽车发动机在运营条件下，其工况总是处于经常而急促的变化之中， 即处于非稳定工况下工作，此时其转速和负荷经常发生改变，引起混合气的形成和 燃烧等发生变化，从而导致发动机的动力性、经济性和排放性及其它性能指标与通 常研究的稳态工况下的指标有很大的差异”“。而在稳态工况下，组成发动机气缸 的各零部件的热力过程处于平衡稳定状态，其缸内气体瞬时平均温度的变化特征在 后续循环中也会再现，混合气的形成与气缸充量，也能与发动机的当时所处工况相 匹配；但在瞬态时，发动机的稳定热力状态就会因工况变化时各组成零部件的热惯 性的滞后而被破坏，混合气的形成也会因液体燃料的惯性远大于空气，造成在加速 过程混合气变稀。加速响应性差。然而实验研究发现，即使在稳定工况下也还总 有偶然的不确定因素影响着发动机的工作过程，从而使各相继循环之间气缸内的 参数指标产生偏差一一即所谓的循环变动。因此，严格来说发动机始终是在非稳 定工况下工作着，将发动机的工况分为稳定工况和非稳定工况是相对的。通常， 若在所研究的时间区段内，发动机性能指标变动的平均偏差不超过2 ，5 ，则 我们认为该工况为稳定工况。 对于汽车发动机来说，其非稳定工况占了一个很重要的部分。世界各地的法 定行驶循环中4 0 7 5 为非稳定工况，其中2 5 4 0 是加速工况“1 。特别当 汽车行驶在市区时非稳定工况所占比例更大，即为：5 0 8 0 ，其中加速工况 为3 0 5 0 。由评价汽车尾气排放或燃油经济性的法定行驶循环中也可阻得出 同样的结论。1 ：汽车有害排放和燃油消耗的4 0 8 0 来自非稳定工况，其中加 速工况占3 0 7 0 。因此稳态工况测得的各项指标并不能真正代表汽油机韵实 际水平，所以针对汽油机瞬态工况，对其燃烧过程进行研究，并建立燃烧模型， 分析其与稳态工况的差别及其影响因素，对降低汽油机的有害排放，提高其动力 性与经济性具有十分重要的意义。 当然发动机的过渡工作过程( 或瞬态过程) 非常复杂，它涉及到流体的流动、 燃烧、控制系统的变化以及运动件的动态响应特性，稳态工况下很容易测量和分析 的参数，在瞬态工况下则很难测量，因此这就给本来就十分复杂的内燃机燃烧过程 的分析，带来更加大的困难。所以要精确的描述这一过程来说条件不具备，并且目 前所建立的所有稳态模型均都是在大量试验作为支撑的基础上，还在一定程度上作 了一些假设，所以本文提出的非稳态过程燃烧模型也更是在定假设基础之上的， 其计算结果与实际瞬态工况下测得的结果有一定的出入，但较相应的稳态模型来 说，更能说明发动机的实际运行工况状态。 1 2 发动机非稳定工况瞬态特眭研究的现状 从作者收集到的资料来看，当前，研究汽油机瞬态燃烧过程大体上有两条途 径，即试验研究和模拟计算”1 。虽然试验研究可宏观直接的展示发动机瞬态燃烧 特性的物理过程。但是，由于瞬态试验的设备和仪器要求很高，目前，国内还没 有性能完备的内燃机瞬态试验台，国外也只有少数水平较高的研究所或高校才具 有这种试验台。因此瞬态特性的试验研究，因投资过大而受到很大的限值，多数 只能作某些1 2 项的测试工作。这样，计算模型研究就成为瞬态燃烧过程研究 的一个重要补充和有效研究手段。 美国等西方国家在2 0 世纪7 0 年代就开始对发动机瞬态燃烧特性进行了研 究。w a t s o n ，n 和s c h o r n ，n 等人”3 对汽油机加速工况下燃烧过程进行试验，观 2 察到发动机同一缸内的燃烧情况( 从一个循环到另一个循环) 与相应稳态工况有 明显的差异，且在加速过程初期更为明显，并在此基础上对发动机稳态燃烧模型 进行了一定的修正以便模拟结果与瞬态燃烧过程相符。8 0 年代t a d a s h im u r a y a m a 等人通过大量的试验研究了柴油机在加速工况下各种燃烧特性参数如燃油喷射 率、着火延迟、燃烧放热率、气缸压力峰值等的变化情况，同时讨论了柴油机如 喷油定时、油束喷射夹角、气缸壁温度、冷却水温度等参数对柴油机加速性的影 响，若得出结论：喷油定时以及冷却水的温度是影响非增压柴油机加速性能的主 要因素。 最近j ，g a l i n d o ，v 等人”“1 在发动机瞬态试验台上对发动机沿速度特性 加速的情况进行了研究，研究结果表明瞬态空燃比随转速变化的曲线相对稳态时 有所上升，即空燃比增大；缸内最高燃烧压力随转速的增加一开始上升很快，后 来变化趋势逐渐平缓，且在对每循环缸内工质与缸壁传热量测试的基础上，建立 了瞬态一维传热模型。 在国内，汽油机瞬态工况研究目前仍处于初始阶段，清华大学、湖南大学、 江苏理工大学等高等院校己开始对内燃机瞬态工况的工作特性进行研究。清华 大学在其动态试验台上对发动机由低怠速到高怠速的加速过程进行了试验，建 立了流量阀式的节气门模型、v i b e 单区燃烧模型等”1 ，并利用a v l 公司提供的 专用发动机数值模拟b o o s t 软件进行模拟计算，其模拟结果与试验结果基本吻 合。湖南大学对柴油机的瞬变工况下燃烧过程和放热情况进行了初步研究，在 考虑瞬态缸内不完全燃烧情况建立了零维燃烧模型，并进行了试验验证。江苏 理工大学和中国科学院电工研究所也对电喷发动机动态特性进行了一些试验研 究。相对国内其它单位和研究所对瞬态燃烧过程的研究还没有起步，有的也只 是对发动机瞬时转速、瞬时缸壁温度等参数的测量系统的开发上面。 1 3 发动机瞬态燃烧分析系统发展的现状 由于发动机燃烧的复杂性，国内对发动机的瞬态特性研究还较少涉及到发动机 内部工作过程，这其中的一个主要困难是受到仪器和设备的限制。研究发动机非稳 定燃烧过程，要求具有现代化的测量装置和测试仪表，例如发动机过渡特性燃烧分 析系统等。由于发动机燃烧分析系统技术含量高，在国内尚未有性能很好的成型产 品，只有少数研究机构和学校进行了开发工作“”“”“，而且开发的产品大多数只能 对稳定工况下运行的发动机燃烧特性进行研究。而目前国际上比较有名的产品有奥 地利a v l 公司的a v l 系列，日本小野公司生产的c b 系列以及美国p e i 和d s p 等公 3 司生产的产品。a v l 系列和小野c b 系列的早期产品( 如a v l 6 4 6 ，c b 3 6 6 ，c b 4 6 7 ) 均 只能对发动机稳态过程进行数据采集和燃烧分析，上个世纪9 0 年代初期开发的新 型产品如a v l 6 5 6 和c b 5 6 6 等则能对发动机非稳态过程分析。而美国p e i 和d s p 公 司的产品则是利用现有微机开发的比较成功的产品。从整个开发过程来看，初期产 品只能给出稳态工况下单循环或多循环平均的燃烧分析结果。而最新一代的产品如 a v lc o m p a c ti n d i m a s t e r6 7 0 则有同步采样的功能，9 6 个模型采用通道，高达2 4 m h z 的a d 转换数据吞吐率使得角分辨率可达0 0 5 度，能对变工况连续循环下的燃烧 过程进行测试和分析。 1 4 本文研究思路和主要研究工作 本文思路是：首先建立汽油机瞬态工况下的燃烧模型，然后利用实验结果来验 证模型的正确性，当模型模拟结果与实验结果基本吻合后，利用模型来进行变参数 预测计算，寻找影响汽油机加速性能的影响因素，然后在此基础上对汽油机在加速 工况下的氮氧化合物进行了模拟计算和定性分析。 本文主要研究工作如下： ( 1 ) 在稳态燃烧模型的基础上建立一种汽油机非稳定加速工况燃烧模型，其中包 括火焰传播模型、燃烧室几何计算模型、缸内传热模型、物性参数计算模 型等。 ( 2 ) 根据汽油机的实际运行场合，取两种典型加速工况在发动机试验台上进行 试验，测得模型计算所需数据和对模型进行验证的示功图，通过对大量示 功图及模型变参数预测计算结果的分析研究，力求找到影响汽油机加速性 能的主要因素。 ( 3 ) 在通过实验验证后的燃烧模型的基础上，建立瞬态n o 。排放预测模型，通过 模型来预测加速工况下汽油机n 0 。的排放情况，并对预测结果进行定量分 析，寻找在加速工况下影响n o ，排放量的主要因素。 通过上述内容的研究，本文建立了一种汽油机非稳定加速工况双区燃烧模 型，并利用该模型进行了变参数预测计算，得出了一定的结论。为汽油机非稳定 加速工况燃烧过程的研究和降低汽油机排放提供了一定的理论依据。 4 第二章气缸压力的测录 实验是研究汽油机燃烧过程的重要手段之一。本章的主要实验工作是对第三 章燃烧模型计算所需参数和气缸压力信号进行测量，其目的是为了研究瞬态加速 工况下汽油机缸内燃烧状况、燃烧特征和气缸压力与稳态工况下的区别，并用测 得的瞬态示功图来检验第三章所建模型的正确性。 发动机台架实验中可以测量的有用数据有燃烧状态、燃油、进气、排气、控制 状态、机械输出等方面的信号。随着计算机和电测设备等自动化测量手段的飞速 发展，发动机的测量技术也有了很大的改进： l 、由只能对各个信号孤立的测量发展到可以对各个信号进行同时测量，保持 各个测量信号间的同步关系有利于分析它们之间的因果关系。 2 、由只能对稳态过程进行测量到也可以对非稳态过程测量，计算机巨大的记 录容量使得对整个非稳态过程的信号进行跟踪成为可能。 3 、由对信号在每个循环的平均进行测量变为循环内信号变动，这使得以前不 可能分析的一些方面成为可能。 本文涉及的发动机燃烧数据采集工作主要是对缸内燃烧压力、瞬时转速和空燃 比等数据的采集和分析。 2 1 实验台架的总体布置 本文的主要实验工作是在我院内燃机实验室的一台c s 4 9 2 q l a 型发动机台架 上进行的。实验台架的总体布置见图2 1 所示。传感器安在第四缸发动机上，汽 油机在工作时，缸内压力由压力传感器感受，经动态应变仅放大后，由虚拟仪器 采集并存入计算机。采集到的数据即是汽油机缸内压力变化历程，连接成曲线即 是示功图。汽油机输出轴通过连轴节和电涡流测功机联接在一起。连轴节后方有 转速传感器，与数字式转速表连接。电涡流测功机后端装有磁电式上止点信号传 感器，上止点信号也由虚拟仪器采集并存入计算机。试验时，汽油机瞬时转速由 数字式转速表指示，汽油机负荷由电涡流测功机表盘指示。通过电脑控制节气门 开度的变化和电涡流测功机激励电流，可以模拟汽油机在加速工况下的工作状态。 试验时，要注意观察各指示仪表，特别注意控制节气门的电脑和记录气缸压力的 电脑的同步工作，还有就是电涡流测功机的可靠冷却。 另外采用容积法手动记时测量燃油消耗量，用双纽线流量计及u 型管压差计 测量进气流量，从而相应稳定工况下的空燃比可由下式求出： 善：盟 ( 2 1 ) f q f 式中：q 为新鲜充量进气流量，由已校准的流量计计算式求得；q ，为燃料流量 q r = o 1yv a t ，k g s ；y 为汽油密度，v 为测量容积，a t 为耗油时间。 虚 进 锄i 传感器l 卜1 应变仪ic s 仪 。 电 4 9 2 q 机 t d c 信号 l a 丁 汽 广d i l 测功机 一 l 1 卜 油 i ，t ：自二 女i 1 ，t i 裂子武将理订衣i 机 算 一团。 机 冈 l 图2 1 测试系统的总体布置框 图2 2 是b r p 一3 1 0 0 型压力传感器装在c s 4 9 2 q - i a 型汽油机上的情况。图2 3 为步进电机控制节气门的情况。图2 4 是动态电阻应变仪、虚拟仪器、节气门控 制器和计算机组成的放大、采集子系统。 图2 2b r p 一3 1 0 0 型压力传感器装在c s 4 9 2 q 一1 a 型汽油机上 图2 3 节气门控制器的安装图2 4 采集系统组合图 2 2 试验设备与仪器的介绍 实验用发动机为长沙汽车发动机厂生产的c s 4 9 2 q 1 a 型汽油机，其主要技术 性能参数如下【1 6 】：缸径d ：9 2 m m 、压缩比7 2 、最大功率6 2 5 k w 、最高转速 4 0 0 0 r m i n 、进气门间隙0 2 0 m m 、排气门间隙o 2 5 r a m 。试验前对发动机进行了保 养，调整了气门间隙，更换了润滑油和机油，使之达到良好的技术状态。 测功机为浙江遂昌动力测试设备厂生产的g w l l 0 型电涡流测功机。该机最大 吸收功率为1 l o k w ，主轴转速范围为0 5 0 0 0 r m i n ，激励电压8 0 v ，最大激励电 流为3 8 a ，水冷却。该机的控制方式分为恒电流控制、恒转速控制和综合控制。 恒电流控制时，测功机的吸收功率随转速的增加而增加，某一激励电流和某一转 速下，只对应一种吸收功率。恒转速控制时，根据负荷的变化自动调节励磁电流， 使转速基本保持恒定，但误差稍大。综合控制时，增加激励电流，测功机的吸收 功率和转矩均会增加【】。根据试验方案的要求，本实验采用恒电流和恒转速控制 来达到模拟加速工况的情况。g w l l 0 电涡流测功机的吸收功率满足下列关系式： 他= 淼( 肌) ( 2 2 ) 式中，n 为测功机转速，亦即发动机的转速，单位为r m i n 。f 为测功机测力计上 的实际读数，单位为k g f 。 限于实验室条件，压力传感器选用成都科学仪器厂生产的b r p - 3 1 0 0 型电阻 丝式压力传感器。这种传感器采用垂链型应变筒结构，具有较高的强度及抗冲击 振动稳定性，良好的动态性能，固有频率达3 0 k h z 以上，加上强制水冷却，能够 满足发动机缸内压力测量的基本要求【i8 1 。 数据采样用重庆大学测试中心开发生产的q l v 型多功能虚拟式信号分析仪器 库，该仪器库包括波形显示数据记录议，单通道f f t 频谱分析仪，双通道f f t 分 析仪和小波变换信号分析仪。本实验主要利用q l v p r 3 波形显示数据记录仪，记 录议具有1 至1 6 线波形动态显示、记录、回放、存盘数据文件的回放，任意两通 道的x y 显示等功能。单通道最高采样频率为8 0 k h z ，单通道最长可记录5 0 0 0 k b 数据量【l 引。实验主要测量设备列于表2 1 表2 1 试验用主要设备与仪器 设备、仪器名称 用途型号生产厂家 汽油机 研究对象 c s 4 9 2 q 1 a 长沙汽车发动机厂 压力传感器 缸内压力信号b r p 3 l o o 成都科学仪器厂 虚拟仪器数据采集 q l v 重庆大学测试中心 动态电阻应变议信号放大 y d 1 5华中电子仪器厂 功率油耗议汽油机转速测量g y w z湘议动力测试仪器厂 计算机a控制节气门的开度兼容机 计算机b数据存储、处理兼容机 电涡流测功机汽油机负荷的测量 g w l l 0 遂昌动力测试设备厂 压力表校验器传感器的标定 y j 一6 0 0 a 上海自动化仪表四厂 2 3 测试系统的标定 压力传感器和动态电阻应变仪线性程度的好坏是测录示功图的关键，因此， 在测量前必须标定。限于试验条件，只进行了静态标定。标定时仪器的连接如图 2 5 所示。传感器装在压力表校验器上，它和标准压力表由高压油管连接。标定时， 压力从0 开始，向上加压到6 0 1 0 j p a 以2 1 0 。p a 为间隔，记录对应的输出电压。 再从6 0 1 0 j p a 向下减压到0 ，同样以2 x1 0 5 p a 为间隔，记录对应的输出电压。如 此反复三次。作出实测的电压值与压力的关系图，如图2 6 所示。从图中可见， 传感器的线性度较好，可以迸一步作线性回归。 图2 6 实测的电压值 与压力的关系图 设一元线性回归模型为1 2 0 v 图2 7 标定后的测薰系统输出值 与汽油机缸内压力值的关系 f p = a + b v + 占， k n ( o ，盯2 ) 式中p ，v 分别为压力、电压值，占为随机误差。 p = a + b y , + ，i = 1 , 2 ，- 且 ( 2 3 ) 取样本( v ，p ，) ，显然有： ，打( 2 4 ) 髓n ( a + b y i ，盯2 l f = 1 ，2 ，豫 用最小二乘法求a ，b 的最大似然估计，得到： ( 2 5 ) a = 芦一务， ：坠! 堑二型 ( 2 6 ) 。 ( v ，一矿) 2 式中，万= 三t ，可= i 1 q 。式( 2 6 ) 是日，6 的最小二乘估舟。于是得到经 验回归方程： 多= a + b v( 2 7 ) 把实测样本值代入式( 2 6 ) ，可求出a ，6 。于是式( 2 7 ) 成为： p = 1 8 4 1 + 9 3 3 8 0 9 v( 2 8 ) 式( 2 8 ) 即是标定后的测量系统输出值与汽油机缸内压力值的关系，如图2 7 所 示。 为了减少试验时动态电阻应变仪的漂移对测量结果的影响，在标定测量系统 输出值与汽油机缸内压力值的关系后，立即对动态电阻应变仪进行了标定，得到 动态电阻应变仪输出电压与微应变的关系为： v = 一0 0 0 9 3 + o 0 0 0 8 6 8 7 9 占 ( 2 9 ) 把式( 2 9 ) 代入式( 2 8 ) ，可以求出压力传感器所承受的压力与它产生的微应变 之间的关系： 声= o 9 7 2 5 2 + 0 0 8 1 1 2 f e ( 2 1 0 ) 以后每次试验前后均对动态电阻应变仪进行标定，得到动态电阻应变仪输出 电压与微应变的关系( 与式( 2 9 ) 完全类似，只是数值上有微小差别) ，把这些 关系代入式( 2 ，1 0 ) ，就可以得到各工况下测量系统输出电压值与汽油机缸内压力 值的关系( 与式( 2 8 ) 完全类似，只是数值上有微小差别) 。这些线性关系是以 后数据处理时将记录的数字量转变为缸内压力值的依据。 2 4 气缸内燃烧数据简介 在现代内燃机燃烧的研究之中经常使用的三种气缸内燃烧的无干扰信号采集 装置是压力传感器、离子电流传感器和光学纤维。其中的压力信号和离子电流 的信号我们都可以通过转换为电信号或者直接以电信号的测量得到。而气缸内的 光信号主要是对其光谱进行研究，其测量显得更为复杂，在文献 2 2 】中详细说明了 气缸内燃烧光信号的测量。本文主要是气缸内压力信号的采集与处理，对其它两 种不予讨论。 对气缸内燃烧压力的研究起步很早，燃烧压力一曲轴转角图也称为示功图，示 功图是研究和评价发动机工作状态和性能的重要的不可缺少的资料。从示功图中 可以获得4 0 多种信息2 引，其中主要的几种信息有： 1 平均指示压力p i 和平均指示功率p i 2 最高燃烧压力p 。和其所在的曲轴角为9 。：前者是计算和评价内燃机零部件 强度的主要依据，后者则是评判燃烧放热的及时性和离位( 离上止点) 程度的 科学依据。 3 压力升高率孚和随曲轴转角变化的粤一妒图；其中前者是衡量燃烧放热及时 d pd 伊 性的另一个重要依据，而后者给出了着火时刻和示功图最高值的位置。 4 压力升高加速度随曲轴转角的变化规律霉；一妒图；它是佐证是否出现燃烧压 力振荡及计算强度的主要依据，也是评判燃烧过程激烈程度的主要依据。 5 根据示功图可以给出p - - v 图，由状态方程进而可以给出t v 图；从后者中可 以得到最高燃烧温度t 。和其所在的曲轴转角卿 6 根据示功图可以得出放热规律挈一妒图、放热加速霉导一伊图和放热百分率 a q , d 口 x p 图；以及这些性能指标的最大值和最大值所在的曲轴转角。 2 5 示功图测录中若干问题的探讨 上一节提到了示功图的重要性，有一系列的燃烧特征可以从示功图中获得，那 么，示功图本身的正确性就必须保证尤为重要。但在实际内燃机实验和示功图的 测录过程中，往往存在一系列因素影响着示功图本身的正确性【2 4 】 2 5 】 2 。5 1 动态上止点位置的确定 对上止点测量的最直接的方法是将气缸盖卸去，盘动曲轴向正反两个方向转 动，测出活塞最高点位置时飞轮和曲轴自由端上止点记号对准固定在机体上的指 针。就得到了上止点的静态位置 2 6 】 但是这样做有两个毛病。首先，这种方法对每一台机器都要首先进行拆卸测量。 在台架上对机器进行拆卸不但麻烦而且对已经组装好的整机进行拆卸会影响到整 机的性能。然后内燃机工作的时候，轴承与主轴承，连杆轴承与连杆轴颈，活塞 销与连杆大头及活塞销孔之间均有阊隙，同时这个方向的个别零件有热膨胀和变 形，还有整机与这些零部件的振动等，使得内燃机工作时与静态上止点有差别。 在实际中起作用的是动态上止点。并且当上止点误差为i 。c a 时，平均指示压 力p j 的误差为( 7 - 8 ) 。即当上止点向正确的上止点后偏过1 。c a ，p i 会减少( 7 8 ) 左右：反之，向正确的上止点前偏过1 0 c a ，p 。会增加( 7 8 ) 左右。并 且它还会引起平均扭矩约为5 的误差。若要保证平均指示压力的误差小于1 ， 则上止点相位的误差不能超过0 2 。c a ，这给测试者提出了很高的要求2 7 1 1 2 8 1 。 因此，需要对动态上止点进行校正。常用的方法有两种，即压缩锋线法和多变 指数法，下面对这两种方法作一个简单的介绍。 1 、压缩锋线法 内燃机不工作时的压缩线，其锋值角位并不在上止点，而在上止点前的i o c a 之 内，确切的是在( o 6 o 8 ) 。c a 。由于一些数据采集系统的分辨率是隔l 。c w 采样和 分析数据。所以，峰值角位就一1o c a 在表征出来。这个角位差值就称为热力损失 角位。它是由于内燃机在工作过程存在漏气和散热等能量的损失造成的。由于内 燃机的缸径、转速、工况、密封和外界条件的不同，热力损失角的大小也有所差 别。在资料 2 9 】中给出了拖动示功图和压缩对称线之间的对比的例子，由此可以看 出，拖动示功图在上止点左右有明显的对称。因此，对压缩压力线的采集应该采 取以下的方法： 1 ) 对于单缸机，可以用外源加热润滑油和冷却水至工作状态时，用电力测 功机拖动内燃机而取得。 2 ) 对于多缸发动机，可以用停止一缸的供油的方法测取该缸的完整压缩线 和膨胀线。 2 、多变指数法 气缸内气体热力状态方程： p v ”= c ( 2 1 1 ) 式中： i r 一多变指数： c 一一常数。 气缸容积： v = 屹+ 圪 ( 2 1 2 ) 式中： 矿一一压缩室容积； 圪一一活塞位移容积。 对式( 2 1 1 ) 取对数，则变为： l o g c n l o g v = l o g p ( 2 1 3 ) 解式( 2 13 ) ，得( 3 0 】： 行= 一1 y j l o 丙g p z 嘎l o g 硒z - 面n y , 前l o g p 研y 1 f o g z ( 2 1 4 ) 多变指数n 具有以下特点： 1 ) 多变指数n 的变化取决于工质与外界的热交换。在压缩过程前期工质从 气缸和燃烧室壁面吸热，使多变指数下降。后期，工质向气缸和燃烧室 壁面散热，使多变指数上升。 2 ) 在整个压缩过程中，多变指n 变化缓慢。当取压缩线上微量段时，可认 为此微量段中的多变指数n 值不变。 3 ) 多变指数n 对上止点的角位误差非常敏感。当上止点角位有误差时，多 变指数r l 值将会突变。其变化趋势约呈双曲线如图2 8 所示。 图2 8 多变指数随上止点误差的变化图 因此我们可以利用它最后一个特点，根据多变指数n 在上止点附近是否有突变 以及突变程度如何来判断上止点是否正确以及其精确得程度。 如果只考虑上止点和前后两个相邻的点的差值，差值最小的就为正确的上止 点。 3 、程序设计 确切的讲，实验发动机上光栅盘给出的上止点只是在光栅盘的3 6 0 度圆周上随 意选取的一点。它会在曲轴每转动一周时给出一个脉冲信号标明曲轴已经离上一 个转动了一周。而且即使给出的上止点正好在上止点，由于每个循环内燃机的曲 轴会转动两周，所以每一个循环会出现两个上止点信号，其中一个是真正的上止 点信号而另一个则是表明内燃机到了排气定点( 虽然也是在上止点的位置) 。因此 需要用压力曲线来识别哪一个信号是真正的上止点信号。 作者根据本实验的实际情况对上止点位置进行确定时，先是使用压缩锋线法来 对上止点信号进行校正，然后利用多变指数法对其校正的信号再向两边试探，直 到多变指数的变化为最小的角位时停止，这个角位就是真正我们需要的动态上止 点的位置，其程序框图见图2 9 。 2 5 2 压力基线的校正 由于压力传感器的温度特性、电荷放大器的动态特性以及由于内燃机的振动和 噪声引起的测量系统信噪比的降低等原因，会引起所测示功图压力基线的漂移。 这种漂移可引起所测压力基线误差( o 0 3 o i o ) m p v a 。这样的误差对示功图最高 压力区的影响已不能忽视，对低压区的相对影响更大，特别是对进、排气压力线 13 的影响更为严重。在文献 3 1 1 1 3 2 1 【1 u 论述了压力基线漂移对放热分析的影响。 在文献 3 1 1 3 2 】中还提到了可以选择某一已知压力( 例如进气终了时的缸内压 力) 作为示功图的参考压力。由此，本文采取了最小压力平均的方法。 2 5 3 示功图的光滑处理 2 ，5 3 。1 稳态过程示功图的光滑处理 汽油机在燃烧过程中常常伴随着激烈的压力振荡，同时由于传感器的安装位置 问题等因素的影响，常常使得p 一妒曲线及其导数不连续，这就对放热规律的计算 精度有重大影响，对稳态过程来说，可以取多个循环( 比如汽油机2 0 0 个循环， 柴油机5 0 个循环) 的平均示功图来消除由各种随机因素造成的测试误差，文献 3 3 1 给出了解放牌汽油机的循环波动率一随循环采样数的变化：当2 5 0 循环时，循环 波动率已降为0 5 ，1 5 0 循环时，覆为1 ，1 0 0 循环时为2 ，5 0 循环时，, s = o 3 5 。可以看到在稳态下，利用多循环的平均化示功图对误差消除效果非常好， 但均化方法并不能光顺由燃烧压力振荡所造成的p 一舻曲线及其导数的不连续1 8 1 。 对于瞬态过程而言，则更不能用均化处理的方法来得到光顺示功图。因此研究示 功图的光顺方法将具有非常重要意义。 目前应用较多的示功图数据处理方法为光滑法，比如局部光滑法，五点平均法 以及样条函数法等1 3 4 1 。 局部光滑法：在有限的相邻数据点内，使用二次或三次多项式，根据最小二乘 原理，即构造出局部光顺公式，对气缸压力而言，用得较多的是五点二次，七点 二次公式，五点三次和七点三次。 五点三次平滑公式如下： y ，= ( 3 y 2 + 1 2 y + 1 7 y ，+ 1 2 y 一3 y 。+ 2 ) 3 5 ( 2 1 5 ) y o = ( 6 9 y o + 4 y l 一6 y 2 + 4 y 3 一y 4 ) 7 0 ( 2 1 6 ) y 1 = ( 2 y o + 2 7 y 1 + 1 2 y 2 8 y 3 + 2 y 4 ) 3 5 ( 2 1 7 ) y ，一】= ( 2 y 。一4 8 y ，一3 + 1 2 y 。一2 + 2 7 y 。一1 + 2 y 。) 3 5 ( 2 1 8 ) y 。= ( - l y 。一4 + 4 y 。一3 6 ，。一2 + 4 y 。一i + 6 9 y 。) 7 0 ( 2 1 9 ) 由图2 1 0 看出上式公式的平滑效果，在实验曲线光滑部分，拟合效果好，拟 合误差小。但在曲线波动的部分，曲线的拟合光滑度不够，波动较大。这样的光 滑效果不能满足将来计算的需要。 五点平均平滑：五点平均平滑就是在每个数据点的前后各取两个相邻的点进行 简单的算术平均，其平均公式是： 歹。= ( 儿：一只咄一儿：) ( 2 _ 2 0 ) 在公式形式上，五点平均平滑同五点三次光滑是一致的，只是各点的权系数 不同，光滑的效果的差异也不大，图2 1 1 为单循环示功图经过五点平均公式平滑 后的效果，从图中可知，虽然在实验曲线波动部分较五点三次光滑后要小，但压 力的一阶导数仍然不连续，且在实验曲线光滑的部分拟合误差较大。因此它仍不 能满足要求。 图2 9 上止点校正程序框图 b 样条函数：根据b 样条函数的性质，三次b 样条曲线段的i 点，p j 落在a b 。6 声。 的中线6 6 j 上离b i 的l 3 处。在这点的切向量平行于a b , 一，6 6 + 。的底边b ，_ l b 。，其 长度为底边的一半。在这点的二阶导向量p j 等于中线向量6 ，6 7 的二倍( 如图2 1 2 ) ， 于是可以得到： 尸= ；c 半，+ 半 z - ， jzj0 又有： p ，= ( 6 。一臣一。) ( 2 2 2 ) p = ( b 一b ，) + ( b i - i b 。) ( 2 2 3 ) 采用等步长计算时，则光滑公式变得相当简单，其公式如下： 1 y ，= ( y ，1 + 4 y + m + 1 ) ( 2 2 4 ) u 图2 1 3 为利用上式对实测示功图进行光滑的结果，从公式形式上看，样条函 数采用三点进行加权平均，光滑效果与前面介绍的类似。即效果不理想。 纵观前面介绍的几种方法的光滑效果，均存在着燃烧振荡激烈区域光顺效果 差的缺点。虽然可以通过多次光滑的方法使曲线光滑，但无疑会增加计算工作量， 并且当光顺次数较大时将会使光滑后的数据失真。 图2 10 单循环示功图经过 五点三次平滑后的效果 b i i 一，一一一一一一一计b i + l b i l p ， p i 盛 l 睢 图2 1 2b 样条函数矢量图 i 一一撇力l i 五点平均平滑l 局部放大 脸 j j j 。 图2 1 1 单循环示功图经过 五点平均平滑后的效果 图2 13 单循环示功图经过b 样条 函数平滑后的效果 ， +p 咀f i- t p 2 5 3 2 非稳态过程示功图曲线的光滑 对于非稳态下的示功图不能采取多循环平均的方法来处理，因为每一个循环 的条件都是在变化着的。对于菲稳态下的示功图常采用的是信号处理的方法。如 在文献【3 5 】提出了应用正交多项式为拟合函数，采用搭接输入、对光顺的部分二次 光顺处理的方法。 本文在对汽油机加速工况示功图分析计算对，采用一种新的压力信号滤波方 法。该方法是在对实测示功图进行频谱分析的基础上，结合数字滤波理论而提出 的。数字滤波