（载运工具运用工程专业论文）汽油机瞬态工况燃烧特性的实验研究.pdf

摘要 与通常的稳态工况相比，汽油机在非稳定的瞬态工况下工作时，其 排放量和燃油消耗量较大，在一定程度上制约了汽油机动力性和经济性 的提高。本课题的研究是针对汽油机瞬态工况所面临的某些问题，通过 对汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种工况下燃烧过程的研究，力 争在前人研究的基础上，寻求汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种 瞬态工况下的燃烧规律，优化汽油机瞬态过程。 根据试验目的、内容和方法，首先建立了以汽油机为主要研究对象 的试验台架，包括压力传感器、曲轴转角传感器、燃烧分析仪、电荷放 大器、发动机水恒温控制仪、电涡流测功机以及发动机测试控制仪等较 为全面的试验系统，然后进行了相关的汽油机瞬态试验以及相对应的稳 态试验，最后利用燃烧分析仪软件和内燃机燃烧后处理软件进行了燃烧 数据的处理和分析，总结出汽油机瞬态工况的燃烧规律。 全文共分六章： 第一章阐述了汽油机瞬态工况燃烧特性研究的意义及国内外研究的 现状，提出了本文将要进行的主要研究工作和研究的基本思路： 第二章的主要内容是对汽油机的瞬态工况进行理论分析，提出了瞬 态工况的定义，特点以及瞬态工况的分析方法。 第三章介绍了实验的台架布置以及主要的实验设备。 第四章主要工作是对实验数据进行采集。介绍了实验工况的控制， 详细地描述了实验的过程。对系统标定、上止点位置的确定等诸方面进 行了较为详细的考虑，并对其实验结果进行了记录。 第五章主要工作是对实验数据进行处理，并对汽油机恒转矩增转速 和恒转速增转矩两种工况下示功图进行分析。总结出汽油机瞬态运行工 况下的一些燃烧规律。 最后一章给出了本文的结论与展望。 关键词：汽油机：实验研究：示功图：燃烧特性；瞬态工况 i a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h eu s u a l l ys t e a d yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ee x h a u s t e m i s s i o n sa n df u e l c o n s u m p t i o n o f g a s o l i n ee n g i n e u n d e rt r a n s i e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r em u c hm o r e ，w h i c hl i m i t sa u t o m o b i l ed y n a m i c a l c h a r a c t e r is t i ca n df u e le c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i co nac e r t a i nd e g r e e t h i s p a p e rs t u d y t h ec o m b u s t i o np r o c e s so fg a s o l i n e e n g i n e u n d e r c o n s t a n tt o r q u ei n c r e a s i n gs p e e do p e r a t i n gc o n d i t i o na n dc o n s t a n ts p e e d i n c r e a s i n gt o r q u eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，s e e kt h ec o m b u s t i o nr e g u l a t i o n s ， d i s c l o s et h er e a s o nw h yt h ee x h a u s te m i s s i o n sa n df u e lc o n s u m p t i o no f g a s o l i n ee n g i n eu n d e rt r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r em o r et h a nu n d e r s t e a d yc o n d i t i o n ，o p t i m i z et h ew o r kp r o c e s so fg a s o l i n ee n g i n eu n d e r t r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a la i m ，c o n t e n ta n dm e t h o d ，t h et e s t b e do f g a s o l i n ee n g i n ei n c l u d i n gp r e s s u r es e n s o r ，c r a n ka n g l es e n s o r ，c o m b u s t i o n a n a l y z e r ，c h a r g ea m p l i f i e r ，w a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r ，e l e c t r i ce d d y c u r r e n td y n a m o m e t e r ，e n g i n ec o n t r o ls y s t e ma n ds oo na r ee s t a b l i s h e d t h i s c a nb eu s e dt od ot h ee x p e r i m e n t su n d e rs t e a d yo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n d t r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n a l y s e dt h ee x p e r i m e n td a t aa n dg e ts o m e c o m b u s t i o n r e g u l a t i o n s o f g a s o l i n ee n g i n e u n d e rt r a n s i e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h ep a p e rc o n t a i n sf o l l o w i n gs i xc o n t e n t s t h es i g n i f i c a n c ea n dp r e s e n tc o n d i t i o no fi n v e s t i g a t i o no ng a s o l i n e e n g i n ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r e e x p o u n d e d ，t h em a i nw o r k st h a tt h i sp a p e rw i l lm a k ea n dr e s e a r c ht h i n k i n g a r ep r e s e n t e di nc h a p t e r l s o m et h e o r i e sa b o u tt r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o ni n g a s o l i n ee n g i n e ， t h ed e f i n i t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y z em e t h o da b o u tt r a n s i e n to p e r a t i n g c o n d i t i o na r ep r o p o s e di nc h a p t e r 2 t h et e s t b e da n dm a i ne x p e r i m e n td e v i c e sa r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r 3 t h ed a t ao fe x p e r i m e n ti sc o l l e c t e da n dr e c o r d e d ，h o wt oc o n t r o lt h e w o r kc o n d i t i o n si si n t r o d u c e da n de x p e r i m e n tp r o c e s si sd e s c r i b e d t h e e f f e c t so fs y s t e m i cc a l i b r a t i o n ，t d ca n ds oo na r ea l s oc o n s i d e r e di n c h a p t e r 4 d e a lw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n a l y s i st h ei n d i c a t o rd i a g r a m so f i i g a s o l i n ee n g i n eu n d e rc o n s t a n tt o r q u ei n c r e a s i n gs p e e do p e r a t i n gc o n d i t i o n a n dc o n s t a n ts p e e di n c r e a s i n gt o r q u eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni nc h a p t e r 5 t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t so ft h ep a p e ra r ep r e s e n t e da t j a s t k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h ；i n d i c a t o rd i a g r a m ； e o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ：t r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n i i i 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：猿毛永日期：加7 年r 月j j 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 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：加7 年 月侈日 日期：。k 7 年岁月f 6 日 第一章绪论弟一早三= 百t 匕 1 1 汽油机瞬态工况下燃烧特- 陛实验研究的意义 近几年来，随着我国汽车产业的迅猛发展，汽车在国民经济建设和 人民日常生活中得到越来越广泛的应用。但是汽车排放所造成的污染对 人类及环境的危害越来越大。因此，作为汽车最常用动力的汽油机，其 性能的优劣对社会的发展有极大的影响，其燃烧过程的研究也必然成为 内燃机工作者的研究重点”1 1 。系统深入的研究汽油机的燃烧过程，可以 从根本上提高发动机的效率，降低排放水平。 回顾汽油机的研究历史，以往每项改良措施的效果评价大都是针对 某一特定稳态工况性能的改善，然而汽车在实际运行中( 尤其在城市市 区) 多处于起动、加速、减速等瞬态工况，其转速和转矩随时间发生变 化，引起混合气形成和燃烧等不断的发生变化，导致发动机动力性、经 济性和排放性以及其他性能指标与通常研究的稳态工况下的指标有很 大的差异”。1 。经验指出：一台按稳态工况指标设计良好的汽油机，在实 际运行中往往得不到所希望的指标，原因是在设计中只注重稳态性能， 忽略了瞬态性能”，。同时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研究上，如在欧洲己制定了欧i 、欧瞬态循环排 放法规，美国也有e p a 瞬态循环法规”w ，以限制汽车废气排放污染。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。因此，对汽油机瞬态性能的研究具有重要的现实意义。 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 成在瞬态过程混合气不均匀，瞬态响应性差。实验研究发现，即使在稳 态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，严格说来发动机始终是在瞬态工况下工作着，将发动机的工况分为 稳态工况和瞬态工况是相对的。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态 工况。对于汽车发动机来说，其瞬态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 一7 5 为瞬态工况。特别当汽车行驶在市 区时瞬态工况所占比例更大，即为：5 0 一8 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以碍出同样的结论：汽车有害排放 和燃油消耗的4 0 一8 0 来自瞬态工况n ，。因此稳态工况测得的各项指 标并不能真正代表汽油机的实际水平，所以针对汽油机瞬态工况，对其 燃烧过程进行研究，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。 发动机实验是发动机生产和科学研究工作中不可缺少的一个环节。 对发动机工作过程的研究；节约燃料、扩大燃料的品种、新型结构的研 究；以及设计和研制合乎要求的产品和对原有产品的分析改进，以满足 各种用途等等工作都需要使用实验的撮终结果来评价任务完成的质量 和确认是否达到预期目的。尤其在发动机燃烧特性的研究中，实验研究 更不可缺少，通过测量发动机各项运行参数和燃烧参数，找出其燃烧规 律，提出其优化燃烧的方法，对提高发动机动力性、经济性和排放性都 有很重要的实际意义。然而由于发动机瞬态过程非常复杂，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，瞬态工况 下测量工作具有很大的困难。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，主要集中在汽油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，尤其是对瞬态燃烧特性的 研究才刚刚起步。 1 2 发动机瞬态工况燃烧特性研究的现状 1 ) 国外研究现状 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 l l ，n 和s c h o r n ，n 等人f ro - i l l 对汽油机加速工况下燃烧过 程进行试验，观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m ，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，并得出结论：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 0 ，v 等人n ，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。h e n e i n 等人 对一台6 缸汽油机前1 2 0 循环冷起动和暖机过程的燃烧分析和瞬态过程 的h c 排放进行了研究。该研究将空燃比、点火提前角、喷油时刻和失 火特性对冷起动h c 排放的影响进行了分析”。 ( 2 ) 国内研究现状 综合国内对汽油机瞬态工况燃烧过程的研究报道，有代表性的研究 及成果有： 河北工业大学的黎苏提出了发动机非稳定工况与过渡过程的概念， 按3 种情况划分了加速过程。建立了适用于过渡过程的发动机缸内参数 动态数据采集分析系统，利用该系统测取了4 9 2 0 汽油机加速过程的气 缸内瞬时压力、空燃比等参数，并对加速过程进行了示功图分析。结果 表明，与相应稳定工况比较，加速过程使混合气变稀、点火滞后、燃烧 稳定性变差、循环动力性下降。作者还依据4 9 2 q 汽油机加速过程的试 验结果，修正了汽油机燃烧放热率计算的热力学模型，使之适用于非稳 定工况。最后，通过实测示功图分析了4 9 2 q 汽油机沿外特性加速过程 的放热特性和指示效率“7 。清华大学在其动态试验台上对电喷汽油机 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，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 软件对发动机的加速过程进行模拟，其模拟结果与试验结果基 本吻合；该研究所建立的电喷汽油机瞬态加速工作过程模型具有较高的 模拟精度，可以用来研究发动机的瞬态特性，为发动机的瞬态匹配研究 奠定了基础”“。吉林大学从两个方面对汽油机在加速工况条件下缸内 燃烧情况进行研究。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，从理 论上建立了汽油机在加速工况时缸内燃烧模型，并编写模拟计算程序； 其计算结果与实验结果吻合较好；然后，预测了变参数的发动机性能， 并预测了在加速工况下汽油机n o x 的排放情况。主要研究工作是建立非 稳定工况发动机燃烧数学模型，主要研究内容如下：( 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，提出了研究内容与技术路 线。( 2 ) 介绍了汽油机加速工况下瞬态示功图的测量方法。对系统的 标定、动态上止点位置的确定、瞬态示功图的平滑方法等诸方面进行了 较为详细的探讨，并分析了实验结果。( 3 ) 建立了汽油机非稳定加速 工况燃烧模型”“。上海交通大学采用燃烧分析仪测录了高负荷燃用化 学计量比混和气式缸内直喷式汽油机在典型工况( 2 2 0 0 r m i n ，p m e = 0 7 0 m p a 和1 8 0 0 r m i l q ，p m e = 0 4 6 m p a ) 下的示功图，并对发动机的燃 烧特性进行了分析。研究表明，发动机具有良好的燃烧特性”“。李理 光、王振锁等学者通过对冷起动循环的示功图和瞬时转速的实时测量和 分析，研究了汽油机起动循环燃油喷射脉宽及喷射次数对冷起动着火特 性和h c 排放的影响，特别对如何实现可控循环着火进行了基于首次着 火循环特性分析的单循环和多循环燃烧研究。试验在一台四行程、水冷 1 2 5 m l 单缸电控喷射点燃式发动机上迸行。通过基于可控循环着火的起 动喷射脉宽与起动喷射次数对单循环及多循环燃烧的研究，得到以下一 些结论：( 1 ) 起动喷射脉宽的长短和次数对汽油机冷起动着火特性的影 响很大；汽油机首次着火循环所需的混合气浓度约是稳定怠速燃烧时的 4 7 倍。( 2 ) 合理控制首次喷射脉宽和喷射时刻，可实现理想的“即喷 即着”的可控循环着火，从而有效控制h c 和c 0 排放。( 3 ) 单次较长的 起动脉宽喷射与多次短的起动脉宽喷射相比，起动时h c 排放低且火可 靠性好”2 “。长沙理工大学的李岳林教授建立了瞬态加速工况下的准维 燃烧模型，并用实验进行了验证n 吴义虎等教授提出了基于信息融合 方法的汽油机过渡工况空燃比控制方法n “。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迸行了一些试验研究m 一，。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。研究发动机瞬态燃烧过程，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 校进行了开发工作心”，而且开发的产品大多数只能对稳态工况下运行 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 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 等则能对发动机瞬态过程分 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 r 6 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。随着动态测量技术的日益成熟，高精度的传感器与 瞬态参数测量技术也有较大发展。日本丰田公司研制的一种燃烧压力传 感器( c p s ) ，可根据实时测量的压力信号计算出每循环燃烧产生的扭矩 ”。国内一些单位如江西传感器厂，上海内燃机研究所，扬州无线电二 厂，北京测振仪器厂等生产的石英压力传感器的性能己与国外同类产品 相接近。“。随着计算机应用技术的普及和高速数据采集技术的发展，新 的瞬态数据采集设备和分析系统会逐渐出现在发动机测试和性能研究领 域。 1 4 本文的主要研究工作和研究的基本思路 本文研究的主要目的是寻求汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩 两种瞬态工况下的燃烧规律。以试验研究为基础丰富汽油机瞬态过程的 燃烧理论，为提高汽油机的动力性、燃油经济性和降低排放寻找有效的 解决手段，并为将来对瞬态工况下汽油机燃烧过程和排放特性的进一步 研究提供有益的参考。 研究的具体内容如下： ( 1 ) 建立汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种瞬态工况测控 平台系统。 ( 2 ) 根据实验方案，在发动机试验台上进行试验，测取气缸压力 和曲轴转角等参数。 ( 3 ) 对瞬态工况进行示功图分析并对试验数据进行处理与分析， 寻找瞬态工况下汽油机各燃烧过程参数的变化规律。 ( 4 ) 对相应稳态工况进行示功图分析并对试验数据进行处理与分 析，比较瞬态和稳态两种工况下各燃烧参数的差异。 ( 5 ) 总结汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种瞬态工况下的 燃烧规律。 本文大体上的思路是这样的：首先通过在恒转矩增转速和恒转速增 转矩两种瞬态工况下对汽油机进行试验，处理并分析试验所测得的各个 运行参数和燃烧参数的数据，研究瞬态工况下汽油机各燃烧过程参数的 变化规律。然后通过与相应稳态工况对比，找出瞬态工况与稳态工况燃 烧过程的差异。最后得出汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种瞬态 工况下的燃烧规律。 第二章汽油机瞬态工况研究的理论基础 2 1 瞬态工况的概念 发动机的运行情况简称工况，决定于其输出的转矩( 或功率) 和曲轴 的转速。当发动机曲轴的转速n 、输出转矩疋及其内部的热平衡q 基本不 随时间t 变化时的工况称为稳态工况。在稳态工况下，发动机各工作过程 参数之间存在着一定的函数关系。由于汽车发动机实际运行工况大都随 路面阻力的情况而不断变化，因此发动机曲轴的转速甩、输出转矩及其 内部的热平衡q 等参数中的一个或几个参数会随时间，的变化而变化，则 发动机处于瞬态工况。 实验研究发现，即使在稳态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，严格说来发动机始终是在非稳定的瞬 态工况下工作着，将发动机的工况分为稳定工况和瞬态工况是相对的。 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。有关瞬态工况，国内外学者 依据发动机供油控制机构的变化、曲轴转速的变化以及发动机的热力状 态提出了各种不同的分类方法。吉林大学的刘忠长教授提出了四种典型 的瞬态工况模式：转矩和转速都随时间发生变化；恒转速增转矩工况； 恒转矩增转速工况；冷起动工况( 发动机处于反拖转态) m ，。本文采用 了上述的恒转矩增转速和恒转速增转矩两种典型的发动机运行工况。 2 2 瞬态工况下汽车发动机工作过程的特点 在瞬态工况下，汽车发动机的动力性、经济性、生态性及其他指标 与稳态工况下的相应指标相比存在差异。要分析瞬态工况与相应稳态工 况下发动机工作过程差异的特点，就必须对发动机各系统的物理现象进 行分析。在瞬态工况下造成这些差异的主要原因有： ( 1 ) 发动机运动质量惯性矩的影响。它只出现在发动机转速发生改 变的瞬态过程，由于它的存在就排除了在增转速过程中获得超过相应稳 态工况动力性、经济性指标的可能性。 ( 2 ) 发动机内部热平衡被破坏。由于发动机各零部件热力状态不同， 特别是气缸- 活塞组零部件在不同工况下具有的大热容量，将导致这些零 部件的热力状态远比发动机工况改变的时间要长。其显著特点是与发动 机其他系统的瞬态过程相比，传热系统的瞬态过程延续时间要长。当发 动机由一个工况向另一个工况过渡时机体内的热平衡由于零部件平均 温度的变化而受到破坏。工况改变后，新的热平衡不能瞬时到来，而是 需要一定的时间来改变零部件的热力状态，以达到与发动机新工况相适 应的热力状态。因此，发动机在瞬态过程中总是存在着热力状态的滞后。 这种热力状态滞后直接影响到发动机的混合气形成与燃烧，进而对其动 力性、经济性和排放特性也产生影响。 ( 3 ) 混合气形成与气缸充量的变化。与稳态工况相比，瞬态工况下 发动机工作过程参数的变化是由进入气缸的混合气量变化和混合气形成 失调而引起的。当发动机转速或转矩改变时，导致进入气缸内的新鲜充 量随时间发生改变，同时也导致充气效率发生变化。关于瞬态工况充气 效率的变化特性，至今有着不同的研究结果。有一种见解认为气缸中充 气量的差异与两种因素有关：一是与瞬态过程产生的附加空气动力损失 有关。二是与增速时零部件的热力状态变化滞后于工况的变化有关。所 谓混合气形成失调或破坏，主要是指混合气成分、各缸混合气的数量和 质量上分配的均匀性( 即不均匀度) 偏离了相应稳态工况所要求的最佳 值。各缸混合气分配的不均匀性，使瞬态工作过程恶化、发动机功率下 降、经济性变坏、燃烧产物的有害排放增加。 ( 4 ) 点火失调。即使点火提前装置按稳定工况的理想点火特性工作 时，也很难保证在瞬态工况下的点火提前角处于最佳值。这是因为在瞬 态工况下，气缸内的可燃混合气成分较稳态工况时发生了变化，如加速 时混合气不可避免要稀化，且加速越侠混合气往往就越稀，而传统点火 提前调节装置的工作与混合气成分的改变无关。 ( 5 ) 燃烧过程恶化。瞬态工况燃烧过程恶化是由上述一系列现象所 引起的。瞬态工况下燃烧和放热过程进彳亍的好坏最终取决于充气效率、 过量空气系数、点火提前角和气缸活塞组热力状态的综合影响。而影响 瞬态工况燃烧过程的最重要的原因便是混合气形成的失调。综合有关瞬 态工况下燃烧和放热过程的试验研究资料表明，诸如燃烧持续角、明显 燃烧期、最高燃烧压力、压力增长率和有效放热系数等，这些燃烧过程 的参数与瞬态过程实现的方法、节气门开度及其变化情况、起始转速和 瞬态过程经历的时间等因素有着极大的关系。但由于影响因素很多，实 践还不够深入，故目前尚不能阐明导致燃烧过程特性的具体原因。 除上述以外，可能还有其他因素影响着瞬态工况下发动机的性能， 但以上因素是最基本的，可以作为深入研究的基础。 2 3 汽油机瞬态工况的分析方法 在运营条件下，车用汽油机工况在相当大范围内是处于经常而急促 地变化的，这对气缸内的工作过程产生显著的、通常是负面的影响。结 果使汽油机的各项指标恶化。这种偏差的程度是由瞬态过程进行的条件 和汽油机的适应程度所适应的。因此对各种瞬态工况，要有一个统一 的对汽油机工作过程指标的分析方法。由于已经获得了汽油机在稳态工 况下的大量研究成果，因此在对瞬态工况进行研究时，人们总是希望将 瞬态工况与稳态工况从定性到定量地加以比较，这正是本文研究瞬态工 况的基本的分析方法。 如果同一汽油机的稳态工况a 与瞬态工况b 具有相同的曲轴转速和 输出转矩，则称稳态工况a 是瞬态工况b 的相应稳态工况。 当分析瞬态过程进行的质量时，通常采用相对指标，即用瞬态工况 下的工作指标与相应稳态工况工作指标的比值，或者采用这些指标的相 对偏差。 如以平均指示压力为例，对汽油机某一工作循环内的工作指标，有 印，= 石p i f 或c p ，= 、p i f - - p i w cz ， 此处脚标f ，w 代表瞬态工况和相应稳态工况。 ，毒删出 一p , f 现2 = = 三两磊2 瓦( 2 2 ) 石_ 写了磊五百= 万了。髫“甩或朋或朋 上式中( n 或m ) 表示在相应的稳态工况下，如果转速n 不变，则以汽油 机输出转矩m 作积分变量来求平均。t ，为瞬态过程持续的时间，此值从 工况变化时刻起直至新工况建立时刻为止。 2 4 发动机瞬态转速的测定 根据采样频率及两相邻上止点间的采样点数，可测得该相邻两上止点 间所经历的时间，即曲轴转一圈的时间，从而得出每转一圈的转速，用 该方法计算的转速，经用低频信号发生器确定两相邻上止点问的时间而 求得的发动机转速检验后，得出无论是在稳态还是在瞬态均能较好的吻 合。 设转角脉冲信号的周期为l ，上止点脉冲信号的周期为，即有： 瞬时转速： 肛a r a ) ( 2 3 ) 循环平均转速： 铲6 0 ) = 6 0 z 墨l ( 2 4 ) 式中：k 一转角信号盘的齿数或光栅格数； z 一循环圈数，二冲程z = l ，四冲程z = 2 。 信号发生器还向微机输送周期为a t , 和疋的时间脉冲信号，a t , 为 0 1 o 2 5 u s ，用以计量l 、。在微机的程序控制下，可采集到任意 两个相继转角信号间的周期l ，和任意两个相继上止点信号间周期a 。 即 巩= k m 五 ( 2 5 ) = k d a t , ( 2 6 ) 式中：k 。一两相继转角信号间微机计数器记录下的正脉冲数； k 。一两相继上止点信号间微机计数器所记录的正脉冲数。 上止点脉冲信号还用作测量瞬时转速1 1 的定点信号，以保证多循环测 量中转角信号的同位。兀时间脉冲信号用于变速工况测量瞬时转速n ， 可表示出n 随时间的变化关系，l 可取为o 0 2 0 0 5 s 。 2 5 发动机瞬时转矩的测定 由汽车发动机原理的知识可知 发动机的有效功率 t 疗 n p2 上9 5 5 0 ( k 矿)p 、 ( 2 7 ) 而平均有效压力p 。是指单位气缸工作容积在一个循环内由曲轴所做的 功。它与有效功率的关系如下： e ：p e l v 2 h u n i ( k ) e 1 2 u 式中：v h 一发动机的单缸排量 i 一发动机的缸数。 因此，由上述两式可得， r = 9 5 5 0 二_ p l v 丝i r e 1 2 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 可见，对于结构一定的发动机，其输出转矩与平均有效压力成正比。 可以通过上式利用实验所测得的平均有效压力的数据计算出各个循环的 平均转矩作为每循环的瞬时转矩，来解决本实验设备不能测量瞬时转矩 的难题。 2 6 汽油机燃烧特性参数的评价指标简介 从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段( 压缩、燃烧、膨 胀) 以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知 识，将它们与所积累的实验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或 工作过程的不同阶段的进展的完善程度做出正确的判断。根据示功图， 可以确定不同曲轴转角时作用于发动机各零部件上的力，以便于进行动 力计算和强度计算。因此，示功图是研究内燃机工作过程的重要实验数 据，示功图的获取离不开气缸压力数据的采集。从示功图中可以获得4 0 多种信息】，其中主要的几种信息有： ( 1 ) 平均指示压力p ，和指示功形。这两个数据是表征发动机实际循 环动力性的重要指标。指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有 用功，其大小可由p v 图中封闭曲线面积求得。它除了和热功转换的有 效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。所谓平均指示压力指单位气 缸容积一个循环所做的指示功。平均指示压力是从实际循环角度评价发 动机气缸工作容积利用率高低的一个参数，p 越高，同样大小的气缸容 积可以发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。平均指示压 力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。 ( 2 ) 最高燃烧压力和其所在的曲轴角为伊一。最高燃烧压力是计 算和评价发动机零部件强度的主要依据，妒。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。当点火能量大，点火及时，有组 织良好的缸内空气运动，油气混合浓度适当，则燃烧速度快，最高燃烧 压力较大，相应的燃烧温度较高。为了保证汽油机工作柔和、动力性能 良好，一般应使最高燃烧压力对应的曲轴转角位于上止点后( 1 2 。一 2 0 。) c a ，这时发动机功率最大，燃油消耗率最低。当混合气过浓或过 稀、点火提前角过大、滞燃期较长和紊流较弱时，都会使急燃期拖长， 导致。过大。 ( 3 ) 压力升高率孕和随曲轴转角变化的孚一伊图。发动机的振动和 d 伊d 妒 噪声水平、火焰传播速率与压力升高率密切相关。最高压力升高率粤是 d 西 衡量发动机工作粗暴程度的主要标志之一，最高压力升高率所在曲轴转 角是衡量燃烧放热及时性的另一重要依据。 ( 4 ) 根据示功图可以得出放热规律q 一矿图和累积放热率i h 一妒图， 以及这些性能指标的最大值和最大值所在的曲轴转角。由实测的缸内压 力数据( 示功图) 根据能量守恒方程和经验传热公式，推算燃油燃烧的 放热过程，用以分析发动机的燃烧。真实的放热规律对燃烧过程不仅能 做出定性的说明，而且能提供定量的估计，是诊断燃烧的一种有效手段。 同时，根据燃烧放热率也可分析一些设计参数对燃烧过程的影响。综合 考虑放热率、最高燃烧压力和压力升高率，提出理想的放热率曲线，使 实际放热过程与其逼近，用以改进和组织燃烧。 ( 5 ) 燃烧过程的分析。通过对燃烧过程的分析，可以确定燃烧始点、 燃烧终点、燃烧持续期以及放热率的重心位置。现有文献中燃烧始点、 燃烧终点的计算方法不尽相同。本文中采用燃烧总放热量的5 对应的曲 轴转角为燃烧始点，用符号曰表示：燃烧总放热量的9 0 对应的曲轴转 角为燃烧终点，用符号矿表示；燃烧持续期是从燃烧始点到燃烧终点所 对应的曲轴转角，即( 只口，) 。放热率重心位置可以根据5 0 的放热率点 确定。 本文主要是利用上述信息中的平均指示压力、最高燃烧压力及其对 应的曲轴转角、放热过程、累积放热过程、放热率重心位置、燃烧始点、 燃烧终点和燃烧持续期等指标来研究恒转矩增转速和恒转速增转矩两种 瞬态过程。 第三章实验台架的布置与设备简介 发动机的燃烧特性试验是发动机研究、设计和生产过程中的重要组 成部分。它能通过直接测定的发动机各项燃烧数据，找出燃烧特性的本 质和规律性，是研究发动机燃烧过程的重要手段。本章的主要实验工作 是在恒转矩增转速和恒转速增转矩两种瞬态工况下对曲轴转角和气缸压 力信号进行测量，其目的是把测得的曲轴转角信号和气缸压力信号输入 燃烧分析仪计算所需的各项实验数据，来寻找汽油机瞬态燃烧特性的规 律。 3 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上海桑塔纳2 0 0 0 轿车a j r 型发动机台架上进行的。实验台架的总体布置见图3 1 所示。 在发动机的第一缸上安装火花式压力传感器。在曲轴前端安装高精度曲 轴转角传感器。汽油机在工作时，缸内压力由压力传感器感应，经电荷 放大器放大后，通过多路数据采集系统采集并输入燃烧分析仪。曲轴转 角由曲轴转角传感器感应，直接通过多路数据采集系统采集并输入燃烧 分析仪，由燃烧分析仪计算瞬时转速。汽油机输出轴通过联轴节和电涡 流测功机联接在一起，并与发动机测试控制仪连接。试验时，汽油机负 荷、油门位置、机油温度、水温、转速等，通过发动机测试控制仪测量 并由q c 3 0 0 3 测试控制系统软件记录。通过调整发动机节气门开度和电涡 流测功机激励电流，可以实现汽油机恒转矩增转速和恒转速增转矩两种 工作状态。试验时，要注意观察发动机测试控制仪窗口数据的显示，特 别注意发动机各个工况的记录和各燃烧参数的同步测量，还有机油温度 和水温的变化。 测试系统总体布置框图见图3 1 。 3 2 实验设备与仪器的介绍 本论文实验数据采集，主要是通过6 1 1 7 b f d l 7 型压力传感器和 c a a n g l e s e n s o r 一0 2 型曲轴转角传感器，感应气缸压力和曲轴转角 信号，利用d e w e 7 0 0 c a l c 型燃烧分析仪测量、分析和记录数据；利 用s h 2 0 0 3 发动机测试控制仪来设置发动机各种工况。实验主要测量设备 列于表3 1 。 一1 1 1 电荷 燃烧 机油温控器l - “”4 7 1 4 川l 。l 传感器广+放大器 - 分析仪 ii j r ji 型 曲轴转角传感器 汽 油 机 电涡流 测 测功机 试 水恒温控制仪 控 - 制 仪 图3 1 测试系统总体布置框图 表3 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a j r上海桑塔纳 压力传感器缸内压力信号采集6 1 17 b f d l 7奇石乐公司 曲轴转角瞬时转速的测量c a ，a n g l e s e n s o r 奥地利 传感器 0 2 燃烧分析仪数据采集、分析d e w e 7 0 0 - c a ，l c奥地利 电荷放大器压力信号放大 5 0 1 1 b 奇石乐公司 发动机水恒温江苏启测测功 调节水温 s w 2 0 0 控制仪器有限公司 江苏启测测功 电涡流测功机 汽油机负荷的测量 d w l2 5 器有限公司 发动机测试江苏启测测功 各种工况控制 s h 2 0 0 3 控制仪 器有限公司 1 4 3 2 1 发动机 实验采用的发动机为上海桑塔纳2 0 0 0 轿车a j r 型汽油机。它是一种 直列式4 冲程4 缸、每缸2 气门、横流扫气的电喷汽油发动机。该发动 机具有以下特点： 一、取消中间轴。机油泵由曲轴通过传动链直接驱动，减少零件简化制 造工艺。 二、进、排气管在气缸盖两侧分置，从而降低了进气温度，提高充气效 率。 三，无分电器，点火线圈产生的高压电直接送到火花塞，点火正时由电 喷燃油系统电控单元的( e c u ) 直接控制。 四、改变了凸轮的型线，使气门升程增大，配气相位改变，使进气量增 加，提高了发动机功率和扭矩。 五、采用了德国博世( b o s c h ) 公司先进的m 3 s 2 电子控制顺序多点燃 油喷射系统。 六、采用两个点火线圈，即双火花点火系统。 其主要技术性能参数见表3 2 ： 表3 。2s a n t a n a2 0 0 0m r 型发动机主要技术参数 排量 i7 8 1 毫升 缸径行程8 1 0 毫米8 6 4 毫米 连杆长度14 4 毫米 压缩比 9 5 ：l 最大功率7 4 千瓦5 2 0 0 转分 最大扭矩 15 5 牛顿米3 8 0 0 转，分 怠速转速( 8 0 0 + 3 0 ) 转分 点火次序1 3 4 2 最低燃油消耗率 = 2 7 8 5 克( 千瓦，小时) 润滑油消耗率0 5 克( 千瓦小时) 冷却形式水冷 冷却水温度 1 0 5 摄氏度 试验前对发动机进行了保养，更换了燃油和润滑油，使之达到良好 的技术状态。实验发动机如图3 2 。 图3 2a j r 型汽油机图3 3d w l2 5 型电涡流测功机 3 2 2 测功机 测功机为江苏启测测功器有限公司生产的d w l 2 5 型电涡流测功机。 其主要技术参数见表3 3 。 表3 3d w l 2 5 型电涡流测功机主要技术参数 额定吸收功率 1