（车辆工程专业论文）小型高速汽油机燃烧测试平台的研究和应用.pdf

中文摘要 摘要 燃烧过程的测试和控制是摩托车发动机研发过程的核心，是发动机各项性能 指标测评和控制的纽带，是开展排放、油耗和噪声控制等研究的基础。因此，有 必要开发小型高速汽油机燃烧测试平台，为产品开发提供一个基础工具。 本测试平台针对摩托车发动机结构紧凑、单缸风冷和转速高的特点，为了保 证燃烧过程测试的精度和可靠性，对燃烧分析仪器的选型、安装、调试进行了研 究，设计了缸内压力传感器的安装孔和安装压套，进排气压力传感器安装座套和 冷却水循环器，以及曲轴转角传感器安装联轴器和减震措施。 以燃烧测试平台为基础，测量了瞬态缸内压力、进排气压力和发动机曲轴转 角等基础数据。通过这些数据，分析了示功图、平均指示压力、燃烧压力循环间 波动，最大燃烧压力及其曲轴转角位置、最高压力升高率及其曲轴转角位置、进 排气压力波动、燃烧爆震强度、燃烧放热速率、累积放热率等燃烧特性参数对发 动机燃烧( 特别是急燃期和后燃期) 规律的影响 对缸内燃烧压力进行高频和低频滤波，采用动态的爆震强度计算方法，分析 了不同转速和负荷下燃烧爆震的变化和分布规律。同时，研究了不同工况下发动 机的放热规律，拟合出与实测结果较为吻合的燃烧品质参数l t l l 值，并推导出燃烧 品质参数l l t l 值的变化规律，为放热分析的计算仿真模型提供了有效准确的基础参 数。 试验结果证明，该燃烧测试平台动态响应快、精度高、可靠性好，可广泛应 用于摩托车发动机燃烧工作过程的测试研究。 关键词：小型高速汽油机，燃烧特性，示功图，循环变动，爆震，燃烧放热 英文摘要 a b s t r a c t t h et e s ta n de o n t r o lo fc o m b u s t i o np r o c e s sa r ec o r e sf o rt h ep r o c e s so ft h e m o t o r c y c l ee n g i n er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t ， a n di sl i n kf o rt h ee n g i n ee a c h p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dc o n t r o l ，a n da l ef o u n d a t i o n st oc a r r yo u tr e s e a r c ho n e m i s s i o n s ，o i lc o n s u m p t i o na n dn o i s ec o n t r o la n ds oo n t h e r e f o r e , i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pm e a s u r i n gp l a t f o r mo fc o m b u s t i o nw o r kp r o c e s sf o rt h es m a l lh i 曲s p e e d g a s o l i n ee n g i n e , w h i c hw i l lp r o v i d eab a s i ct o o lf o rt h ee n t e r p r i s en e x tp r o d u c t d e v e l o p m e n t i nv i e wo fc o m p a c tc h a r a c t e r i s t i cf o rm o t o r c y c l ee n g i n es 仃u e t u r e ，o n e - c y l i n d e r w i n dc o o l i n ga n dh i g hs p e e d i no r d e rt og u a r a n t e et h ec o m b u s t i o np r o c e s st e s t p r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t y , l e c t o t y p e ，i n s t a l l a t i o n , 删u s t i n go f t h ec o m b u s t i o na n a l y s i s s y s t e mi n s t r u m e n t sw e r er e s e a r c h e d , d e s i g n e di n s t a l l i n gh o l ea n dt h ea d a p t o ro ft h e c y l i n d e ri n t e r n a lp r e s s u r es e n s o r ，i n s t a l l i n gt h es e n tc o v e ro ft h ei n l e ta n dt h ee x h a u s t p r e s s u r es e n s o ra n dt h ec o o l i n gw a t e rc y c l es y s t e m ，a sw e l la st h ei n s t a l l i n gc o n n e c t o r o f t h ec r a n ka n g l es e n s o ra n dt h em e a s u r eo f s h o c ka b s o r p t i o n b a s e do nt h ec o m b u s t i o nt e s t i n gp l a t f o r m , s o m eb a s i cd a t aw e r em e a s u r e d , s u c ha s t h ei n s t a n t a n e o u sc y l i n d e ri n t e m a lp r e s s u r e , t h ei n l e tp r e s s u r ea n dt h ee x h a u s tp r e s s u r e , a n dt h ee n g i n ec r a n ka n g l es p e e da n ds oo n t h r o u g ht h e s et e s t i n gd a t a , s o m ei m p o r t a n t c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ss u c ha sd i a g r a mo fw o r k , i n d i c a t em e a ne f f e c t i v e p r e s s u r e , c y c l i cv a r i a t i o no f c o m b u s t i o np r e s s u r e ，t h em a x i m u mo f c o m b u s t i o np r e s s u r e a n dc r a n ka n g l ep o s i t i o n , t h em a x i m u mr a t eo fc o m b u s t i o np r e s s u r er i s ea n dc r a n k a n g l ep o s i t i o n , t h em a x i m u mf l u c t u a t i o nf o rr a t eo fp r e s s u r er i s e , f l u c t u a t i o no f i n l e t a n de x h a u s tp r e s s u r e ，c o m b u s t i o nk n o c ki n t e n s i t y , r a t eo fc o m b u s t i o nh e a tr e l e a s e ，t h e a c c u m u l a t i v eo fc o m b u s t i o nh e a tr e l e a s ea n ds oo n , w e r ea n a l y z e dt oh o wt oi n f l u e n c e t h ee n g i n ec o m b u s t i o nl a wi nt h es t r o n gc o m b u s t i o np e r i o da n dt h ep o s tc o m b u s t i o n p e r i o d t h ec y l i n d e ri n t e m a lc o m b u s t i o np r e s s u r ew a sf i l t e r e do nh i 曲f r e q u e n c ya n dt h e l o wf r e q u e n c y , t h ed y n a m i ce n g i n ek n o c ki n t e n s i t yc a l c u l a t i o nm e t h o dw a se m p l o y e dt o a n a l y z ec h a n g ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o m b u s t i o nk n o c ka tt h ed i f f e r e n tr o t a t i o n a l s p e e da n dt h el o a d a tt h es a m et i m e , t h ee n g i n eh e a tr e l e a s er u l ea tt h ed i f f e r e n t o p e r a t i n gm o d ew a ss t u d i e d , f i t t e dt h ec o m b u s t i o nq u a l i t yp a r a m e t e rmv a l u ew h i c h m a t c h e s1 析mt h ea c t u a lr e s u l t , a n di n f e r r e dt h ec h a n g em l co ft h ec o m b u s t i o nq u a l i t y i l l 重庆硕士学位论文 p a r a m e t e rmv a l u e , w h i c hp r o v i d e dt h ee f f e c t i v ea c c u r a t ef o u n d a t i o np a r a m e t e rf o rt h e e x o t h e r m i ca n a l y s i sc o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l a st h et e s t i n gr e - s u l tw a sp r o v e d ，t h i sc o m b u s t i o nt e s t sp l a t f o r mi sas e te n g i n e c o m b u s t i o na n a l y s i ss y s t e mo fd y n a m i cr e s p o n s eq u i c k l y , a c c u r a t eh i g h l y , e x c e l l e n t r e l i a b i l i t y , i tc a n w i d e l y b e a p p l i e d i n t h e t e s t o f e n g i n e w o r k p r o c e s s k e y w o r c b ：s m a l lh i g hg a s o l i n ee n g i n e , c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c , d i a g r a mo f w o r k , c y c l ev a r i a t i o n , c o m b u s t i o nk n o c k , c o m b u s t i o no f h e a tr e l e a s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：( 蝴弋签字日期：如7 年j 月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 弋杉杉研 签字日期：如7 年j 月2 y 日 导师签名： 长力 签字日期：知7 年，月27 日 | f 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 内燃机是目前燃烧效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域 和国防部门，它所发出的总功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 2 0 , 2 “。从上 世纪8 0 年代开始到本世纪初，我国共生产各种型号的摩托车达到数千万辆( 2 0 0 0 年为7 8 0 0 万辆) ，整个摩托车行业每年生产和销售整车均超过千万辆( 2 0 0 1 年生产 整车1 2 3 7 万辆，销售整车1 2 1 3 万辆) ，至2 0 0 2 年，全国摩托车的总保有量已达到 6 8 5 4 万辆，年产量已占全球摩托车产量的一半以上。 自上世纪7 0 年代以来，石油资源的紧张和大气污染的日趋严重，使燃烧科学 与技术获得了很大的发展。燃烧科学与技术的主要研究方向逐步由航空和宇航为 重点，转向民用工业燃烧设备和发动机的节能技术和降低排气污染物的研究。针 对火花点火发动机的燃烧进行了大量的基础研究工作，内容涉及燃烧室内气体流 动、燃烧过程的传热传质、化学反应动力学、缸内压力监测及燃烧诊断、火焰传 播与火焰结构、循环变动、爆震机理与控制、有害排放物的生成机理与控制、燃 烧过程的数值模拟、稀薄混合气与分层燃烧的实现等各个方面2 2 0 3 , 2 4 , 2 5 西, 2 7 , 2 s 。 现在，发动机正朝着更加轻和小型化的方向发展。然而发动机在整机尺寸减 小的情况下还必须保证足够大的功率，就必须提高升功率、加大压缩比。但是提 高升功率、加大压缩比的同时会使发动机的振动加大( 汽缸内的爆发压力过大) ，降 低发动机的可靠性。要提高发动机的可靠性就必须从根本上解决发动机自身振动 冲击过大的问题，也就必须从燃烧的分析着手并最终通过分析得到一个可行的有 效的燃烧组织方案。 内燃机的燃烧过程是内燃机热循环工作过程的核心内容，内燃机燃烧系统的 优劣，对内燃机性能水平具有举足轻重的作用。内燃机的燃烧系统不仅与内燃机 的经济性和动力性密切相关，而且对空气污染和噪声污染具有重大的影响。特别 是近年来，由于石油资源消耗的日益增长及二氧化碳及各种温室气体的过量排放， 导致了内燃机的开发必须向着更好地利用燃料组织燃烧，更好地有效减少有害排 放物的方向发展。因此，研究并改进内燃机的燃烧过程，无论是从内燃机本身的 发展，还是从节约能源、降低污染等更广泛的角度来看，其意义都是非常明显的。 目前，欧盟和美国的一些主要汽车厂家如：戴姆勒克莱斯勒、福特和通用等 和发动机设计公司英国里卡多公司，奥地利a v l 公司、瑞士奇石乐仪器公司等， 已经开始研究以燃烧压力为基础的发动机管理系统，设计出新的计算方法，以控 制和优化整个发动机燃烧工作过程，使发动机性能达到了一个新台阶嘧1 。 重庆大学硕士学位论文 现有火花点火发动机燃烧技术的研究，无论是国内还是国外重点还是集中在 针对汽车用的火花点火发动机，具体结合摩托车发动机结构特征和运行特征的相 关研究还是相当少见的。由于发动机燃烧过程是间歇的不连续的，而且燃烧时间 很短，又在相当狭小的空间内进行，相对而言，它比其它燃烧设备和燃烧发动机 的燃烧过程更为复杂，测试也更困难阎。这种情况对于额定转速高、体积小的摩 托车发动机而言则更为突出，从而也使得对摩托车发动机燃烧过程的研究增加了 难度。 因此，作为摩托车动力的火花点火预混燃烧发动机，其燃烧过程必然应成为 目前研究重点，只有在宏观和微观上系统深入地研究了解燃烧过程，才可能提高 摩托车发动机性能，降低排放水平，从而满足日趋严格的动力性、燃烧经济性和 排放法规的要求。从实验测试和理论研究的角度出发，针对摩托车发动机结构特 性专门研究其运行特征的燃烧测试平台是本文的重要特色。 1 2 发动机燃烧测试技术简介 燃烧是内燃机发展中的永恒课题。当代的汽车发动机，无论是以汽油机为代 表的点燃式内燃机，还是以柴油机为代表的压燃式内燃机，其基本工作原理都是 将燃料的化学能转化为热能，再利用热力循环将热能转化为机械能，最后通过机 械系统进行动力的有效输出。因此，发动机燃烧过程成了直接影响发动机动力输 出好坏的决定性因烈”。 内燃机燃烧过程是实际发动机工作循环最为重要、最复杂的过程，它受化学 反应动力学、流体力学、传热学、传质学和热力学等定律的支配，而且燃烧是在 燃烧室及缸内以高速、高温、高压、高机械负荷和非稳态条件的综合过程方式进 行的。为得到燃烧过程瞬变的动态参数，对测试设备和技术都提出了相当高的要 求。该过程的测定与数据处理是内燃机测试技术的一个难点，应用计算机数据采 集对发动机燃烧过程的动态参数进行实时测量及数值分析和处理，将为内燃机的 研究与新产品的开发提供良好的硬件和软件条件，从而提高现有的内燃机研究技 术水平。内燃机动态测试系统利用计算机做实时的数据处理，从处理结果中找出 各参数之间的相互关系，并修正或仰制动态测试误差。目前这种试验手段已广泛 应用，且成为测试技术发展的必然趋向【2 ，3 】。 上个世纪5 0 年代以前，作为参数测量的感受元件多属于机械式传感器，如弹 簧压力表、膨胀式温度计等，内燃机的测试技术也基于这些测试仪表。进入6 0 年 代后，开始应用非电量电测技术和相应的二次仪表，使内燃机测试技术上了一个 新台阶。7 0 年代，由于测试技术和计算机应用范围的限制，对内燃机的研究很大 程度上依赖于数学模型与数值计算。8 0 年代开始应用计算计和智能化仪表，以实 现对动态参数的实时检测和处理。 2 i 绪论 9 0 年代以来，随着计算机的广泛应用以及光电测试技术的迅速发展，测试技 术开始了一个新的发展阶段，发动机的研究水平提高到了一个崭新的平台。许多 新型传感技术的相续出现，诸如激光全息摄影技术、光纤传感技术、红外c t 技术、 超声波测试技术等高新技术，均已逐步深入到内燃机领域，用于对燃烧过程、流 动过程、燃烧产物的浓度和粒度场、传热传质过程等的高速瞬变动态参数的测量， 从而使得对内燃机的研究，从宏观过程、稳态过程的研究深入到微观、瞬变过程 的研究。现代传感技术，加上智能化的二次仪表和计算机的应用，对内燃机各种 过程的内在规律进行深入研究，对一些传统的观念做出了新的解释，并有新的发 现，为促进内然机学科的发展起到了及其重要的作用。这些新方法、新技术、新 理论在内燃机测试方面的大量使用使内燃机测试和分析技术得到了质的变化 【4 j ，6 7 】。 当前内燃机测试学的目的就是要利用现代测试技术，对发动机的工作过程进 行深入研究，获得重要参数，为改善发动机性能提供重要依据。发动机燃烧动态 测量的参数主要有：各种压力、位移、转速、扭矩、温度、应变、加速度、噪声、 烟度等。选择合适的测量仪器与这些动态参数的动态特性相匹配，并使测量的动 态误差达到试验允许的范围，成为动态测试技术中的关键性问题 8 】。目前燃烧分析 手段，是通过对气缸内燃烧压力的实时测量，由实测的燃烧压力去求放热规律， 由此来解析着火延迟、预混合燃烧气和扩散燃烧气等燃烧特性，进一步结合燃烧 可视化技术、燃气采样分析技术和数值计算方法等，来了解放热规律与燃烧火焰 形态、火焰形态与生成物的关系 9 1 0 l 。 1 3 发动机燃烧测试技术国内外的发展和现状 9 0 年代，国外内燃机行业在市场竞争和环境保护的双重压力下，其产品的综 合技术水平有了很大提高。一方面是内燃机的研制开发对其测试技术提出了新的 更高的要求；反过来，测试水平的提高又为研制开发高水平的内燃机提供了可靠 的保证。为此，国外各发动机科研机构和生产商都十分重视发展和完善各种测试 技术，一批新的先进测试技术已逐步进入实用阶段。国外厂商已经开发出整套功 能完备的测试分析系统，如日本的小野测试器公司，奥地利的a v l 公司，他们在 内燃机的动态测试和分析开展了大量的研究工作。小野测试器公司研制出了 c b 3 6 6 到c b 5 6 6 燃烧分析仪系统，a v l 研究制出了a v l 6 2 0 燃烧分析仪等系列 产品。 内燃机动态测量技术近年来已为国外内燃机行业广泛采用，试验手段也日趋 完善，国外内燃机研究机构和生产厂家基本上都有先进的整机动态试验系统。a v l 新开发的p u m a 系列发动机试验系统可进行动态试验、车辆底盘试验和道路模拟 重庆大学硕士学位论文 试验，既省时又省钱，已为世界各地广泛采用；a v la d a l 0 0 系列交流测功机采 用新的变换技术，扩大了测功范围和快速响应能力；a v l 3 4 6 角度编码器在 6 0 0 0 r ，r a i n 时曲轴转角的分辨率可达到0 0 2 0 c a ，非常适用于动态测量和起动研究。 美国福特公司开发的激光加热试验台，利用了激光能量集中、加热速度快和光束 可控可调的特点，作为热模拟试验的热源具有无可比拟的优点。a v l 开发的q h t 石英，用于g m l l d 无冷却微型压力传感器，使传感器尺寸大为减小，满足了高水 平燃烧和热力学分析所要求的高精度埘。 8 0 年代以来，国内大量引进了先进的测试技术，并不断地自行研制开发，使 我国的内燃机测试技术在9 0 年代进入了个较快的发展阶段，自行研制开发出一 批符合国情的实用测试仪器，许多方面取得了重大进展和填补了国内空白。有很 多研究机构在这方面作了大量的研究和开发工作，如上海内燃机研究所研制开发 了e a s 系列测试分析系统，大连海运学院研制开发的d m c l 0 5 型测试分析系统， 上海铁道学院研制开发的r s o - - 4 型测试分析系统，湘西科学仪器研究所研制开 发的d f y - l 型测试分析系统等。但是燃烧工程测试分析系统的研究工作在国内仍 处于个别参数的单项或多项的工作，缺乏一套系统的综合实时处理与分析系统的 方法和技术。 同时，国内高等院校和科研机构对于应用激光技术研究缸内现象的测试技术 研究发展很快，测试方面也日趋成熟。华中理工大学应用高速摄影和激光全息技 术研究柴油喷雾场，并检验l d v 测量中t i 0 2 散射粒子的跟随性；江苏工学院应 用l d v 对柴油机涡流室内流场进行实测，用计算机和高速数据采集系统采集和处 理试验数据；浙江大学在燃烧定容弹中用高速纹影和同轴远场巨脉冲激光全息技 术测定乳化油油束微观结构的动态变化过程；大连理工大学利用激光干涉层析法 测量非对称喷雾场三维浓度与温度分布，并建立了能满足图像处理要求的计算机 图像处理器；还有天津大学国家燃烧重点试验室也做了不少工作。近几年国内外 相续出现了多种智能化内燃机燃烧分析仪 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 1 8 , 19 】。 1 4 本课题研究的目的和主要内容 1 4 1 本课题研究的目的 从发动机总体设计的相似性原理出发，摩托车用火花点火发动机其工作过程 和原理同汽车用火花点火发动机是相同的，但是，由于结构和功能要求上的差异 域，很难保证几何相似、机械相似( 模型转速、惯性力因子，运动件比速度、单位 体积重量、比容积、扭矩特性等因素) 和热力相似( 流动、传热、燃烧、热负荷、热 应力等因素) 的完全成立。因此，国内外关于火花点火发动机燃烧研究成果，如在 空气动力学、混合气形成、火焰传播、爆震燃烧、新型点火方式、有害排放物和 4 1 绪论 燃烧沉积物的生成机理和控制方法等方面总的来说在一定程度上定性适用于摩托 车发动机，但在定量上更具体地指导摩托车发动机的研究和开发则显得不够充分。 因此，本文的研究目的在于：针对摩托车发动机结构紧凑、单缸风冷和转速 高的特点，研制出适合摩托车发动机的燃烧测试平台，并以该燃烧测试平台为基 础，深入研究摩托车发动机的燃烧特性、放热特性，探索其热力循环工作过程的 规律，为发动机的结构参数的优化和新产品的开发提供必要的、可靠的、较为定 量的基础数据和理论指导。 1 4 2 本课题研究的主要内容 研究内容主要包括以下几个方面： 摩托车发动机燃烧测试平台的构建 摩托车用发动机要求结构简单紧凑、多为单缸风冷、排量小且额定转速较高、 制造成本低、难以达到汽车用发动机燃油供给的精确水平，使得摩托车发动机的 燃烧特性及其相应燃烧测试方法在一定程度上有别于汽车用火花点火发动机。 本测试平台针对摩托车发动机的以上特点，为了保证燃烧过程测试精度和可 靠性，对燃烧分析系统仪器的安装方法进行了研究，设计了缸内压力传感器的安 装孔和安装压套，进排气压力传感器安装座套和冷却水循环器，以及曲轴转角传 感器安装连轴器和减震措施。 发动机燃烧过程特性参数的测试和分析 以燃烧测试平台为基础，测试发动机着火延迟期、速燃期、补燃期燃烧过程 的特性参数：( 平均指示压力、最大燃烧压力及其曲轴转角位置、最大压力升高率 及其曲轴转角位置、进排气压力等) ，研究转速、负荷、点火时刻、空燃比等因素 对燃烧过程特性参数的影响。 发动机燃烧循环间波动现象的测试和分析 燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征。它的定义是，在发动机 以某一工况稳定运行时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具 体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。 为了改善点燃式发动机的性能，必须十分重视燃烧的循环变动。这是因为： 1 ) 发动机的最佳点火提前角、空燃比是根据平均循环的要求确定的，对于有 循环变动的绝大多数循环将不一定是最佳角，发动机的压缩比和燃料辛烷值是根 据最倾向于敲缸的要求确定的等等，因此只有减少燃烧循环变动，才有可能获得 最佳的性能。 2 ) 导致较高的排气污染。 3 ) 燃烧循环变动导致平均指示压力以及输出转矩的变动，使车辆的驱动性能 恶化。 重庆大学硕士学位论文 表征燃烧循环变动的参数大体可以分为三类： 1 ) 与气缸压力有关参数，如最高气缸压力p m a x 、最高气缸压力对应曲轴转 角a p m a x 、压力升高率r m a x 、最大压力升高率对应曲轴转角a r m a x 、发动 机输出功率的变化可用平均指示压力i m e p 的变化表示。 2 ) 与燃烧速率有关的参数，如最大燃烧速率、火焰发展角九、快速燃烧角 九。 3 ) 与火焰前锋面位置相应的参数，如火焰半径，火焰前锋面积，已燃和未燃 的容积随时间变化的曲线、火焰到达某一指定位置所需要的时间。 由于压力参数比较容易测量，因此常用它来表征燃烧的循环变动。从压力参 数出发，可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数，即平均指示压力变动 c d k ( c o e f f i c i e n to f v a r i a t i o n ) ： c o y l m = o p i m e p x l 0 0 式中：o i m e p 一平均指示压力的标准偏差 i m e p 一平均指示压力平均值 c d ，是燃烧稳定性和评价车辆驱动性能的主要参数，一般认为此值不应超 过1 0 为剖3 1 捌。 发动机不正常燃烧的测试与评价 本文以燃烧测试分析实验为基础，对发动机爆振燃烧及其影响因素进行研究， 通过对缸内燃烧过程的测试，分析了负荷、转速、点火提前角、空燃比等对爆振 燃烧的影响，探讨发动机点火系统爆震调节的措施。 爆燃是限制火花点火发动机压缩比提高的因素，因而是限制其热效率提高的 因素之一。对爆燃产生的机理，由于研究工作者对爆燃进行了大量的研究工作， 爆燃现象的轮廓己基本清晰5 3 5 4 1 。在实践上，通过优化燃烧室设计，提高燃烧室 中的湍流强度，缩短正常火焰的传播距离，加速火焰的传播可以有效抑制爆燃的 发生。 近年来，在爆燃的检测、控制、预测方面都取得了很大的进展3 3 j 4 朝，例如比 较成熟的爆燃检测是通过测量缸内压力、或者测量燃烧室噪声、或者测量机体震 动、或者通过对这几种方法的综合利用来进行的【州，现在还可利用火花塞光纤传 感器检测到的光信号判断爆燃发生的时刻和强度并应用于爆燃控制系统。目前， 针对末端气体温度和压力升高与爆燃发生的相关性，提出了各种爆燃预测的数学 模型，取得了和实测较为一致的结剿3 7 堋。 燃烧放热规律分析 燃烧放热规律是燃料在内燃机气缸中燃烧的瞬时放热速率随曲轴转角的变化 关系，它反映了气缸内部热功能量进行转换的完善程度。由于燃烧放热速率决定 6 1 绪论 了气缸内气体压力与温度的变化，影响内燃机的热力过程，从而直接影响内燃机 的动力性、经济性、燃烧噪声、排放和工作可靠性。因此，研究燃烧放热规律， 合理地组织燃烧放热速率已成为内燃机设计优化选择热力参数、结构参数和运动 参数的重要依据。 7 2 发动机燃烧测试平台的构建 2 发动机燃烧测试平台的构建 发动机燃烧测试平台主要包括两个部分，一个是发动机试验台架，是摩托车 发动机运行测试时的基础设备。另一个是燃烧测试分析设备，本测试平台主要是 针对摩托车发动机，因此与汽车发动机测试平台相比有它自己独特的地方。 2 1 发动机试验台架 随着对摩托车动力装置动力性、舒适性、经济性和排放性能要求的不断提高， 发动机试验台架试验系统越来越复杂，对所要求完成的试验项目也越来越多，而 测试周期却越来越短。因此，发动机试验台架应具备通用性、灵活性和稳定性。 2 1 1 发动机测功设备 选用湘仪动力测试仪器有限公司g w 2 5 电涡流测功机。该机结构简单，操作 维护方便；制动力矩大，测试精度高，工作稳定；转动惯量小，动态响应速度快； 与测控系统配套，可实现自动化操作。 电涡流测功器制动原理：当感应子旋转时，涡流环相应部件的磁通密度不断 变化，此时在涡流环表面将产生感应电势而形成涡电流，力图阻止磁通的变化， 从而对感应子产生制动力矩，以此测量功率。 电涡流测功器的控制方式，除手动控制外，常采用自动控制装置使励磁电流 随转速自动变化，实现电涡流测功器不同特性曲线的控制。电涡流测功器与发动 机的匹配原则上与水力测功器相同，即发动机的特性曲线必须在电涡流测功器特 性曲线所包围的面积内。 表2 i 测功机主要技术参数 t a b 2 1t h ed y n a m o m e t e rm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r 型号g w 2 5 最高转速r m i n 1 1 0 0 0 额定吸收功率k w 2 5 额定扭矩转速r m i n 2 0 0 0 2 8 0 0 额定扭矩n m1 2 0最大励磁电压d c8 0 v 最大励磁电流 3 a 扭矩测量精度 士0 4 f s 测功机出水温度小于5 5 0 c转速测量精度 士l r m i n 工作方向左旋或右旋，连续工作 测功器的自动调节和控制系统是湘仪f c 2 0 0 0 测控系统( 包括油耗仪) ，与传统 常用发动机测控系统相比有非常大的优越性，具体表现在： 采用先进的c a n 现场总线通讯协议，符合国际标准i s o l l 8 9 8 ( c a n ) ； 9 重庆大学硕士学位论文 具有网络特性，方便多套监控系统联网； 数字分段p i d 调节控制转速、负荷，保证控制的稳定性； 各种控制特性的无扰动切换，6 种预设控制特性； 燃油消耗采用f c 2 2 1 0 智能油耗仪，出于安全性考虑，在台架室内的油箱不应 过大，油路中要有出气口，以保证油路中不含有空气。 2 1 2 发动机台架设备 由于单缸摩托车发动机的振动很大，专门设计了一个支架( 见图2 1 ) ，满足外 特性测试时剧烈振动的需求。 1 r 蓁鋈 图2 1 悬挂支架示意图 f i 9 2 1t h es c h e m a t i cm a po f s u s p e n s i o nb r a c k e t m i 一 f 2 嘧 图2 2 排气箱设计图 f i 9 2 2t h ed e s i g nm a po f e x h a u s tb o x 1 0 2 发动机燃烧测试平台的构建 发动机的进气直接取自试验室，排气系统考虑排气背压的影响，设计成抽风 式( 见图2 2 ) 。考虑到内燃机试验机型更换时给对接带来不便，因此试验台架的排 气抽风管的直径应大于内燃机排气管直径，这样可将该排气管可活动地插入抽风 管中。发动机在不同工况运行而引起排气量的变化，可利用排气管和抽风管的空 隙，将空气补充进排气系统中，使得背压保持不变。由于不同机型排气管相对位 置有变化，因此可在抽风系统中设置一段金属软管，并尽可能远离内燃机排气管。 关于发动机与测功机的联接，要求两轴中心线偏差不大于o 0 5 m m 。采用弹性 连轴器时，两轴中心线偏差要求不大于o 1 - q ) 2 m m 。采用柔性联轴器时，两轴中心 线偏差要求不大于o 2 加5 m m ，但偏差应尽量调小为好，通常两轴中心线偏差均可 调到不大于0 2 m m 。 根据摩托车发动机国家试验标准，单缸摩托车发动机是风冷，采用湖南长风 机械制造有限公司的轴流通风机，技术参数如下表： 表2 2 轴流通通风机技术参数 t 曲2 2t h ea x i a lf l o wv e n t i l a t o rt e c h n i c a lp a r a m e t e r 流量 3 7 7 3 m m i n 全压 2 9 2 7 p a i 电机功率 3 k w 2 2 燃烧测试分析设备 内燃机所要测量的压力高低相差很大，有的比大气压力高出几十倍甚至上千 倍，例如气缸中的爆发压力p ，= 5 1 6 m p a ，燃油喷射压力最高可达到1 0 0 m p a 以 上。但有的压力却比大气压力低，如非增压内燃机的进气压力经常是负压力，即 真空度。 在内燃机试验中，经常需要测量的压力有两大类：一类是随时间变化很慢的 或波动很小的压力，如：大气压力、润滑系统中的机油压力、冷却系统中冷却介 质的压力、流量稳定时节流装置中的压力差等，这类压力通常把它看作是稳态压 力。另一类是随时间变化很快或波幅很大的压力，即瞬变压力，如气缸内气体的 压力波、进排气压力波、高压燃油系统中的压力波动等【帅】。 内燃机试验中的压力测量，需要根据被测压力的性质、压力大小、测量目的 及所需精度等采用不同的测量方法和测试设备。对仪器设备的基本要求是： 所测出的动态压力曲线精确地放映压力的变化而无畸变。压力信号f 包括上 止点信号) 与曲轴转角或时间的记录应严格同步而无相位差。 测录仪器( 主要指示功器) 与内燃机的连接应尽可能不影响原有参数( 如压 重庆大学硕士学位论文 缩比) 及不使原工作状况发生变化。 测录仪器的动态性要好，灵敏度高，工作稳定。温度、振动等对仪器工作 稳定性影响小。 测录设备应能同时记录供分析计算所需要的各参数或信号。 2 2 1 气缸压力传感器 通过长期的试验应用比较，瑞士k i s t l e r 公司生产的石英压电传感器，由于性 能优良，该传感器早己成为发动机开发的工业标准。其输出信号基本是理想线性 的，无滞后现象，外形小巧，结构坚固，灵敏度高，且有较宽的测量范围，同时 具有无可比拟的高固有频率，适用发动机瞬时动态压力的测量【4 1 】。 压电传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。有些结晶物质沿 它的某个结晶轴受到力的作用时其内部有极化现象出现，在它的表面上有电荷 集结，其大小和作用力的大小成正比，这种效应称为正压电效应。反之，如果在 晶体的某些表面之间加上电场，在晶体内部也产生极化现象，同时晶体产生变形， 这种现象称为逆压电效应【3 2 】。压电式压力传感器不能用于静态压力测量。被测量 压力变化的频率太低或太高，环境温度和湿度的改变，都会改变传感器的灵敏度， 造成测量误差【4 2 】。 摩托车发动机气缸压力范围一般在( o - 6 0 ) b a r 之间，缸温最高达到2 8 0 c 左右。 传感器要求能在发动机燃烧的恶劣环境下工作，外形尺寸要尽可能的小巧。综上 所述，选择了瑞士k i s t l e r 公司非水冷式6 1 2 5 b 缸压传感器( 见图2 3 ) ，其技术参数 如下表： 表2 36 1 2 5 b 型压力传感器技术参数 t a b 2 3t h e6 1 2 5 bp r e s s u r es e n s o rt e c h n i c a lp a r a m e t e r 压力范围 0 2 5 0b a r 最高温度 3 5 0 。c 灵敏度 1 6p c b a r 热冲击误差 - 0 3b a r ( 膜片优化) 固有频率商，与地绝缘，干扰小 压电式压力传感器6 1 2 5 b 产生的信号非常微弱，输出阻抗很高，必须经过前 置放大，把微弱的信号放大，并把高输出阻抗变换成低输出阻抗，才能为一般的 测量仪器接受。因此，选择了5 0 1 1 b 型电荷放大器( 见图2 4 ) ，电荷放大器是气缸 压力测量不可缺少的二次仪表，该放大器有如下特性： 1 2 2 发动机燃烧测试平台的构建 图2 3 压力传感器6 1 2 5 b f i 9 2 3t h ec y l i a d e rp l s e n s o r6 1 2 5 b 图2 4 电荷放大器5 0 1 1 b 型 f i 9 2 4 t h e 曲a i g e a m p l i f i e f 5 0 1 1 b 该放大器零漂补偿的双通道模块，用于菲水冷式传感器： 4 模块( 8 通道) 和8 模块( 1 6 通道) 机架； 频率范围0 - - 4 5 k h z 。 气缸压力传感器安装孔的设计 燃烧分析系统作为十分精密的设备，安装的好坏和安装合理与否，对最后测 试结果的影响是非常大的，甚至起到决定性的作用。设备安装后的调试对设备对 是否能持续使用也是非常重要的。 c g l 2 5 发动机采用风冷、四冲程o h v 顶置气门下置凸轮轴。发动机结构为顶 置式配气机构，气门布置在气缸上，燃烧室为半球形。下置式凸轮机构的特点是 凸轮轴在顶置气门下方，通过凸轮从动件使推杆上下运动，推杆非常短，改进了 发动机的运行，凸轮通过推杆推动摇臂控制气门动作 4 3 1 。根据以上发动机的结构 特点，该传感器不用考虑冷却水的密封，与燃烧室的密封采用传感器肩部铜垫圈 密封，传感器压套的安装扭矩为1 0 n m 。 缸盖的作用是密封气缸，组成燃烧室。在缸盖上布置着进排气门，气道及各 安装孔等，结构形状很复杂。缸盖高度一般( o 9 - 1 2 ) d 。而基本壁厚一般为( 5 6 ) m a ， 燃烧室壁面厚一般为( 8 - 1 0 ) m m 。这个结构条件限制了测量孔设计的随意性，同时 也决定了所述安装孔设计的难度。 基于以上条件，安装孔的设计必须符合两个基本条件： 1 ) 安装孔穿过缸盖进入燃烧室。也就是打通缸盖，孔的底端必须保证在燃烧 室。这是最重要的同时也是需要精确计算的条件； 2 ) 安装孔在缸盖上端面要有合理的位置，既要留有足够的安装空间，同时必 须保证不防碍发动机本身装置，此限制条件使孔的选取位置难于取舍。 与汽车发动机不同，摩托车发动机是属于单缸风冷，而且缸盖结构紧凑，燃 重庆大学硕士学位论文 烧室面积有限，在曲轴箱左侧( 从化油器侧看) ，缸盖有两个大的回油孔，中间是一 个加强筋。考虑到测量的精确性和安装的方便性，因此决定把安装孔打在发动机 火花塞孔的另一端，也就是曲轴箱左侧。 传感器打孔安装方式，有齐平式和非齐平式，如图2 5 、2 6 所示： 图2 5 传感器齐平安装 f i 9 2 5t h es a l s o rf l u s hi n s t a l l a t i o n 图2 6 传感器后缩安装 删 f i 9 2 6 t h es e m o r n o n - f l u s h i n s t a l l a t i o n 从非齐平安装方式可以看出，非齐平式传感器顶端到气缸壁之间有一较长的 空腔，由于“通道效应”的存在使得采集的气缸内压力信号发生振动偏移，使得 测量不准确( 见图) ，但齐平安装方式没有这种缺点，为了尽量减小测量的误差，本 燃烧分析系统的气缸压力传感器安装方案是：齐平安装方式。 由于经过缸盖回油孔，安装孔的长度较长，缸盖在打孔过程中容易出现将缸 盖打废或加工孔无法满足测量要求。因此，根据缸盖的结构特征，为了保证缸盖 打孔的准确和可靠，采用在4 5 。的缸盖夹具上固定缸盖，然后从燃烧室一侧开始 钻孔的方式。 根据上述条件，对安装孔设计如图2 7 所示： 1 4 引起 2 发动机燃烧测试平台的构建 图2 7 气缸压力传感器安装孔设计图 f i 9 2 7t h ed e s i g nm a po f t h ec y l i n d e rp r e $ $ u l s e n s o ri n s t a l l i n gh o l e c 向 图2 8 气缸压力传感器压套设计图 f i 9 2 8t h ed e s i g nm a po f t h ec y l i n d e rp