唐琦軍，劉敬平，付建勤，易鵬，朱國(guó)輝

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路試狀態(tài)汽油機(jī)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換過程性能及影響因素的檢測(cè)與分析

唐琦軍，劉敬平，付建勤，易鵬，朱國(guó)輝

(湖南大學(xué)先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410082)

提出一種能對(duì)整車實(shí)際路試工況下汽油機(jī)的多項(xiàng)運(yùn)行及性能參數(shù)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)與診斷的方法，應(yīng)用于某車輛的實(shí)際路試工況，獲得汽油機(jī)瞬態(tài)參數(shù)，并對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：無論是臺(tái)架穩(wěn)定工況還是實(shí)車瞬變工況，汽油機(jī)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換效率主要與50%放熱量的位置以及過量空氣系數(shù)相關(guān)；當(dāng)50%放熱量的位置出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°左右(高速略早、低速略晚)時(shí)，高壓循環(huán)熱效率達(dá)到峰值；而影響50%放熱量的位置有點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)和過量空氣系數(shù)等參數(shù)；該樣機(jī)標(biāo)定時(shí)由于對(duì)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的變化缺乏了解，瞬變工況下的過量空氣系數(shù)與理想值有偏差，從而影響實(shí)際熱效率；某些過渡工況下點(diǎn)火提前角變化異常，導(dǎo)致熱效率偏離理想值。

汽油機(jī)；瞬變工況；燃燒放熱規(guī)律；熱功轉(zhuǎn)換效率

在實(shí)際道路工況尤其是城市工況下，整車運(yùn)行存在大量過渡工況，發(fā)動(dòng)機(jī)在這些瞬變工況下的性能直接影響到整車的經(jīng)濟(jì)性和排放性能。汽油機(jī)增壓技術(shù)和混合動(dòng)力技術(shù)使汽油機(jī)盡可能地工作在最佳效率區(qū)域[1?2]，從而實(shí)現(xiàn)整車的節(jié)能減排?？梢姡芯繉?shí)際道路工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能變化規(guī)律并對(duì)其進(jìn)行有效控制是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程進(jìn)行了大量研究。劉希玲等[3]對(duì)我國(guó)5個(gè)城市汽車道路行駛工況進(jìn)行了研究，將汽車道路行駛過程分成4種工況(怠速、加速、減速和勻速)，其中瞬變工況(加速和減速)時(shí)間約占54.78%，可見瞬態(tài)過程才是常態(tài)。目前，人們?cè)谀M計(jì)算和試驗(yàn)研究[4?7]、增壓器的瞬態(tài)特性模擬[8]和整車道路循環(huán)試驗(yàn)[9?10]等方面取得較好成果，較真實(shí)地反映了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程的性能變化規(guī)律。EBRAHIMI等[11]根據(jù)氧傳感反饋的信號(hào)，利用PID控制方法對(duì)瞬態(tài)過程空燃比延遲效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并進(jìn)行了瞬態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。TAN等[12]研究了相同工況汽油機(jī)瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的區(qū)別，指出瞬態(tài)過程的污染物排放量明顯比穩(wěn)態(tài)過程的多。目前，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程的研究還集中在實(shí)驗(yàn)室階 段[13]，對(duì)于復(fù)雜多變的道路工況下發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的精確監(jiān)測(cè)還未取得突破性進(jìn)展，有必要研究基于實(shí)際道路工況發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，為實(shí)時(shí)糾偏提供指導(dǎo)。為此，本文作者提出一種能對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際道路工況下多項(xiàng)運(yùn)行與性能參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)與診斷的方法，并進(jìn)行整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得實(shí)際道路工況下發(fā)動(dòng)機(jī)10 000個(gè)循環(huán)的性能參數(shù)。分析發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能及汽油機(jī)缸內(nèi)燃燒和熱功轉(zhuǎn)換變化規(guī)律，以便揭示實(shí)際工況下汽油機(jī)缸內(nèi)性能參數(shù)變化的根本原因。

1 瞬變工況汽油機(jī)性能檢測(cè)方法

基于動(dòng)態(tài)信號(hào)實(shí)測(cè)及氣道內(nèi)氣體動(dòng)力學(xué)方程/氣缸內(nèi)熱力學(xué)方程耦合求解的方法，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)參數(shù)，開發(fā)一種能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與性能參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、在線監(jiān)測(cè)與診斷的方法。該方法主要包含：1) 缸內(nèi)、進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力與溫度信號(hào)實(shí)測(cè)，ECU控制信號(hào)如點(diǎn)火、噴油、VVT的獲得與提取；2) 氣道內(nèi)的氣體動(dòng)力學(xué)過程和缸內(nèi)熱力學(xué)過程的數(shù)值模擬耦合求解[14]。參數(shù)測(cè)量主要依靠高頻響、高精度傳感器和汽車診斷儀獲取；氣體交換過程的偏微分方程組(氣體狀態(tài)方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程)求解采用改進(jìn)型的2步Lax?Wendroff差分法，并對(duì)氣閥的瞬時(shí)氣體質(zhì)量和成分進(jìn)行“跟蹤”，最終求得通過氣閥的氣體質(zhì)量流量和成分[15?17]。進(jìn)一步計(jì)算可得到缸內(nèi)新鮮空氣量、殘余廢氣系數(shù)、充氣效率、空燃比等參數(shù)。缸內(nèi)燃燒放熱與熱功轉(zhuǎn)換過程通過分析缸內(nèi)的能量平衡方程得到，缸內(nèi)燃燒放熱規(guī)律以及燃燒特征參數(shù)通過求解實(shí)測(cè)的缸壓曲線得到，泵氣損失通過對(duì)實(shí)測(cè)的進(jìn)排氣沖程的壓力進(jìn)行積分得到，高壓循環(huán)平均指示壓力通過對(duì)壓縮和膨脹沖程的實(shí)測(cè)壓力進(jìn)行積分得到。為了更真實(shí)地反映缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換過程性能，需剔除泵氣損失的影響，通常以高壓循環(huán)熱效率來評(píng)價(jià)，其定義為高壓循環(huán)中活塞所作的指示功除以循環(huán)噴油量的低熱值。研究表明[16?17]，該方法滿足汽油機(jī)瞬態(tài)測(cè)量要求。

本文開展整車實(shí)際道路工況下汽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)連續(xù)檢測(cè)試驗(yàn)[16?17]，樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)采用Kistler傳感器，其精度滿足瞬態(tài)測(cè)量要求。傳感器的布置如圖1所示[16?17]。每個(gè)氣缸的進(jìn)、排氣道入口都安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器和溫度傳感器，每個(gè)氣缸安裝1個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，排氣總管處安裝過量空氣系數(shù)分析儀。實(shí)線區(qū)域是氣體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)仿真計(jì)算區(qū)域。

表1 試驗(yàn)汽油機(jī)的主要參數(shù)

注：汽油機(jī)類型為直列四缸自然吸氣；氣閥形式為進(jìn)排氣雙VVT。

圖1 汽油機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 路試瞬態(tài)工況熱功轉(zhuǎn)換過程分析

根據(jù)編寫的程序?qū)τ涗浀牡缆饭r瞬態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。利用進(jìn)排氣動(dòng)態(tài)壓力與溫度計(jì)算進(jìn)排氣閥處的氣體流量，跟蹤氣體成分，求得換氣過程中瞬時(shí)空燃比、充氣效率、殘余廢氣系數(shù)等狀態(tài)參數(shù)；利用缸內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力、狀態(tài)參數(shù)和汽油機(jī)ECU信號(hào)(如點(diǎn)火信號(hào))計(jì)算缸內(nèi)指示性能參數(shù)如高壓循環(huán)熱效率、燃燒特征參數(shù)等。圖2所示為實(shí)際道路工況下汽油機(jī)經(jīng)過2 000個(gè)循環(huán)的性能參數(shù)變化規(guī)律，依次為汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、平均指示壓力、點(diǎn)火提前角、高壓循環(huán)熱效率、50%放熱量的位置、過量空氣系數(shù)及殘余廢氣系數(shù)。對(duì)于負(fù)荷很低的工況(如圖2(b)所示的第375~410個(gè)循環(huán)、第1 190~1 240個(gè)循環(huán)、第1 320~1 350個(gè)循環(huán)和第1 430~1 520個(gè)循環(huán))，由于點(diǎn)火提前角較小，燃燒大部分發(fā)生在上止點(diǎn)后，50%放熱量的位置推后很多，加之缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)大，因此，平均指示壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)。比較圖2(b)，(c)和(d)可見：在第100~115個(gè)循環(huán)、第170~185個(gè)循環(huán)、第280~210個(gè)循環(huán)、第1 750~1 765個(gè)循環(huán)和第1 920~1 935個(gè)循環(huán)的換擋過程中，循環(huán)點(diǎn)火提前角出現(xiàn)“鋸齒”狀后移，導(dǎo)致平均指示壓力和高壓循環(huán)熱效率迅速降低。瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明該汽油機(jī)點(diǎn)火提前角標(biāo)定結(jié)果仍存在可改進(jìn)之處：首先是換擋過程中點(diǎn)火提前角后移，導(dǎo)致50%放熱量的位置后移，進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)高壓循環(huán)熱效率出現(xiàn)“鋸齒”狀的“低谷”；其次，汽油機(jī)負(fù)荷降低時(shí)的點(diǎn)火提前角推遲，例如第350~400個(gè)循環(huán)之間點(diǎn)火提前角的推遲直接導(dǎo)致這一過程指示熱效率下降，形成熱效率的1個(gè)“低谷”；第1 180~1 200個(gè)循環(huán)和第1 400~1 450個(gè)循環(huán)都有類似的點(diǎn)火提前角標(biāo)定謬誤。事實(shí)上，在該過程中，汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速基本保持不變，而負(fù)荷下降，汽油機(jī)的爆震傾向降低，此時(shí)，可以加大點(diǎn)火提前角來提高汽油機(jī)的缸內(nèi)熱效率，也不會(huì)出現(xiàn)爆震現(xiàn)象，就像第75~85個(gè)循環(huán)、第1 360~1 440個(gè)循環(huán)、第1 660~1 690個(gè)循環(huán)一樣。負(fù)荷增加時(shí)，通過增大點(diǎn)火提前角大幅度提高了汽油機(jī)的高壓循環(huán)熱效率。此外，汽油機(jī)在低速小負(fù)荷的標(biāo)定也不甚合理，例如在第1~60個(gè)循環(huán)、第1 200~1 270個(gè)循環(huán)和第1 500~1 650個(gè)循環(huán)中，只要進(jìn)一步增大點(diǎn)火提前角，高壓循環(huán)熱效率可望得到大幅度提高。比較圖2(d)和圖2(e)可知：在瞬態(tài)過程中，高壓循環(huán)熱效率與50%放熱量的位置有非常明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)50%放熱量的位置處于上止點(diǎn)后10°左右時(shí)，高壓循環(huán)熱效率達(dá)到峰值；當(dāng)50%放熱量的位置偏離該“最佳位置”時(shí)，高壓循環(huán)熱效率降低，且偏離越遠(yuǎn)，熱效率越低，從而形成了50%放熱量的位置與高壓循環(huán)熱效率曲線形態(tài)之間的“鏡面反射”效應(yīng)。圖2(f)所示為瞬態(tài)過程該汽油機(jī)的過量空氣系數(shù)變化曲線，圖中實(shí)線根據(jù)ECU預(yù)測(cè)的循環(huán)進(jìn)氣量與循環(huán)噴油量之比計(jì)算得到，虛線為實(shí)測(cè)值。該段區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)的過量空氣系數(shù)偏小，第1 700~2 000個(gè)循環(huán)之間汽油機(jī)由于接近全負(fù)荷而需要多噴油，這符合常理。但在1 700循環(huán)之前大部分工況的平均指示壓力在0.85 MPa以下(對(duì)應(yīng)的平均有效壓力在0.70 MPa以下)，汽油機(jī)通常是采用當(dāng)量空燃比，在這樣的工況下過量冷氣系數(shù)偏小值得商榷?？諝饬髁客ǔＪ且詫?shí)測(cè)進(jìn)氣壓力、溫度和汽油機(jī)轉(zhuǎn)速在預(yù)存參數(shù)中進(jìn)行插值求得，而汽油機(jī)缸內(nèi)的實(shí)際進(jìn)氣量不只是與進(jìn)氣總管處的進(jìn)氣密度相關(guān)，而且與缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)密切相關(guān)，而后者的確定需要特定的方法與工具[18?20]。推測(cè)原機(jī)標(biāo)定參數(shù)中“假定”的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)低于實(shí)際值(見圖2(g)，在第1 700循環(huán)之前缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)較大)，高估了實(shí)際進(jìn)氣量，使得循環(huán)噴油量虛高，導(dǎo)致過量冷氣系數(shù)偏小。因此，通過精確標(biāo)定缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，對(duì)過量空氣系數(shù)“糾偏”可望進(jìn)一步提高汽油機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，降低實(shí)際過程中的油耗率。

(a) 轉(zhuǎn)速；(b) 平均指示壓力；(c) 點(diǎn)火提前角；(d) 高壓循環(huán)熱效率；(e) 50%放熱量的位置；(f) 過量空氣系數(shù)；(g) 殘余廢氣系數(shù)

圖3所示為本次整車瞬態(tài)試驗(yàn)的另一段結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的分析結(jié)果，即：該汽油機(jī)在換擋和負(fù)荷迅速降低時(shí)點(diǎn)火時(shí)刻迅速推遲，導(dǎo)致50%放熱量的位置后移，高壓循環(huán)熱效率降低；在第4 095~4 110個(gè)循環(huán)、第4 570~4 590個(gè)循環(huán)、第4 950~5 050個(gè)循環(huán)和第5 450~5 490個(gè)循環(huán)中，因點(diǎn)火提前角推遲導(dǎo)致50%放熱量位置后移，高壓循環(huán)熱效率出現(xiàn)“波谷”；相反，在第4 120~4 140個(gè)循環(huán)、第4 600~4 630個(gè)循環(huán)、第5 100~5 130個(gè)循環(huán)和第5 500~5 550個(gè)循環(huán)中，點(diǎn)火提前角迅速增加促使50%放熱量的位置大幅度提前，使之更加接近其最佳值，進(jìn)而使高壓循環(huán)熱效率大幅度提高。以上分析說明試驗(yàn)樣機(jī)標(biāo)定的點(diǎn)火提前角在道路工況下存在可優(yōu)化之處。高壓循環(huán)熱效率在50%放熱量的位置為上止點(diǎn)后10°左右出現(xiàn)峰值，偏離該最佳位置熱效率下降，高壓循環(huán)熱效率與50%放熱量的位置的曲線形狀有“鏡面反射”關(guān)系。如圖3(g)所示，在第4 250~4 500個(gè)循環(huán)和第5 200~5 300個(gè)循環(huán)之間殘余廢氣系數(shù)較小，對(duì)應(yīng)圖3(f)中的過量空氣系數(shù)ECU預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合較好；在其他缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)較大的工況點(diǎn)，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)的實(shí)測(cè)值比標(biāo)定的目標(biāo)值偏小，這進(jìn)一步驗(yàn)證了前面的推測(cè)，說明試驗(yàn)樣機(jī)標(biāo)定參數(shù)中“假定”的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)偏低。

(a) 轉(zhuǎn)速；(b) 平均指示壓力；(c) 點(diǎn)火提前角；(d) 高壓循環(huán)熱效率；(e) 50%放熱量的位置；(f) 過量空氣系數(shù)；(g) 殘余廢氣系數(shù)

3 汽油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況缸內(nèi)過程分析

為了便于分析瞬變工況下汽油機(jī)的實(shí)測(cè)性能，并對(duì)其共性規(guī)律進(jìn)行歸納與總結(jié)，以利于對(duì)控制參數(shù)(點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù))進(jìn)行修正，對(duì)汽油機(jī)臺(tái)架穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與分析。在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架上通過改變點(diǎn)火提前角對(duì)汽油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究，并對(duì)93號(hào)汽油和97號(hào)汽油進(jìn)行對(duì)比，分析不同辛烷值對(duì)汽油機(jī)性能的影響。圖4所示為穩(wěn)態(tài)工況的缸內(nèi)高壓循環(huán)指示熱效率隨50%放熱量的位置、汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及燃油辛烷值的變化規(guī)律。從圖4可知：

1) 與瞬態(tài)過程實(shí)測(cè)結(jié)果類似，高壓循環(huán)指示熱效率的峰值出現(xiàn)在50%放熱量的位置位于上止點(diǎn)后10°左右的區(qū)域；在高轉(zhuǎn)時(shí)最佳50%放熱量的位置略提前，低轉(zhuǎn)速略推后；50%放熱量的位置每偏離其“最佳”位置約10°，高壓循環(huán)熱效率下降約3%。

2)高壓循環(huán)指示熱效率隨汽油機(jī)轉(zhuǎn)速升高而升高。50%放熱量的位置相同，高轉(zhuǎn)速時(shí)的循環(huán)熱效率高于低轉(zhuǎn)速時(shí)的循環(huán)熱效率，其原因主要是低轉(zhuǎn)速時(shí)每一循環(huán)所占絕對(duì)時(shí)間較長(zhǎng)，缸內(nèi)散熱損失量大，所占燃油放熱量比例也較大。

3) 當(dāng)50%放熱量的位置偏離其最佳值5°以內(nèi)時(shí)，汽油機(jī)即使在很低的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷下的熱效率也不至于太低，例如600 r/min怠速時(shí)的指示熱效率高于30%。由此可知圖2與圖3中汽油機(jī)的缸內(nèi)熱效率很低，其主要原因是燃燒相位太滯后，有效膨脹比低，膨脹做功少，進(jìn)而導(dǎo)致效率急劇下降。

4) 燃用高辛烷值汽油可減小爆震傾向而使得汽油機(jī)50%放熱量的位置接近或達(dá)到其峰值，從而明顯地提高其高壓循環(huán)熱效率。

由圖2、圖3(瞬態(tài))與圖4(穩(wěn)態(tài))可知：要獲得較高的熱功轉(zhuǎn)換效率，保證50%放熱量的位置在其最佳值附近是最關(guān)鍵的。

1—600 r/min，97號(hào)汽油；2—600 r/min，93號(hào)汽油；3—2 000 r/min，97號(hào)汽油；4—2 000 r/min，93號(hào)汽油；5—4 000 r/min，97號(hào)汽油；6—4 000 r/min，93號(hào)汽油；7—6 000 r/min，

汽油機(jī)怠速、部分負(fù)荷以及不同轉(zhuǎn)速全負(fù)荷等幾種典型穩(wěn)態(tài)工況下50%放熱量的位置隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系見圖5。從圖5可見：

1) 在同一工況(轉(zhuǎn)速及負(fù)荷)下，50%放熱量的位置與點(diǎn)火提前角有明確的線性關(guān)系，表明可通過控制點(diǎn)火提前角精確地控制50%放熱量的位置，以獲得最佳的熱功轉(zhuǎn)換效率。

2) 負(fù)荷會(huì)影響50%放熱量的位置與點(diǎn)火提前角的關(guān)系，例如當(dāng)轉(zhuǎn)速同為2 000 r/min，平均指示壓力分別為0.26 MPa(部分負(fù)荷)和1.20 MPa(全負(fù)荷)時(shí)，同一點(diǎn)火提前角時(shí)小負(fù)荷的50%放熱量的位置較全負(fù)荷推遲了約15°。

3) 點(diǎn)火提前角相同，在同一負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下50%放熱量的位置隨轉(zhuǎn)速升高而推遲；轉(zhuǎn)速每升高 2 000 r/min，50%放熱量的位置推遲約4°。

圖5 幾種典型工況下50%放熱量的位置隨點(diǎn)火提前角的變化

圖6所示為圖5中諸試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。從圖6可見：800 r/min怠速工況和2 000 r/min平均指示壓力為0.26 MPa工況對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)分別為約27%與21%，都遠(yuǎn)高于2 000，4 000和6 000 r/min時(shí)全負(fù)荷轉(zhuǎn)速工況(3.5%~4.0%)的殘余廢氣系數(shù)，由此可知缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)對(duì)50%放熱量的位置也有重大影響。

圖7所示為各種典型工況下10%~90%燃燒持續(xù)期隨缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的變化關(guān)系。由圖7可知：燃燒持續(xù)期與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)幾乎呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。據(jù)圖7可以有利于理解圖5中同一轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)和不同負(fù)荷時(shí)50%放熱量的位置變化大的原因，即缸內(nèi)殘余廢氣影響了燃燒過程(圖6表明缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)隨負(fù)荷的減小而增加)。因此，在同一點(diǎn)火提前角下，缸內(nèi)50%放熱量的位置隨負(fù)荷減小而推后(見 圖5)。

圖6 對(duì)應(yīng)于圖5試驗(yàn)工況的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)

圖7 燃燒持續(xù)期與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系

影響缸內(nèi)燃燒過程的另一個(gè)重要因素是過量空氣系數(shù)。在瞬態(tài)過程中過量空氣系數(shù)的精確控制較難(圖2(f)與3(f)中實(shí)際循環(huán)過量空氣系數(shù)波動(dòng)明顯)。圖8所示為過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響，燃燒持續(xù)期隨過量空氣系數(shù)增大而呈近似線性變長(zhǎng)，過量空氣系數(shù)增加約0.4，燃燒持續(xù)期增加約10°。

據(jù)圖5~8可知，該汽油機(jī)50%放熱量的位置與點(diǎn)火提前角、轉(zhuǎn)速、殘余廢氣系數(shù)、過量空氣系數(shù)等參數(shù)相關(guān)，通過擬合得到與諸項(xiàng)重要影響參數(shù)之間的關(guān)系式為

式中：為50%放熱量的位置對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(以壓縮上止點(diǎn)為0°)；為常數(shù)，對(duì)于此汽油機(jī)，約為20；為點(diǎn)火提前角；為汽油機(jī)轉(zhuǎn)速；為缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)；為過量空氣系數(shù)。式(1)中各參數(shù)取值如下：轉(zhuǎn)速每升高1 000 r/min，50%放熱量的位置推遲2°；殘余廢氣系數(shù)每升高1%，50%放熱量的位置推遲1°；過量空氣系數(shù)每增加0.1，50%放熱量的位置將推遲2.5°。式(1)的意義在于將影響50%放熱量位置的各重要參數(shù)整合到同一個(gè)公式中，表明50%放熱量的位置不僅受點(diǎn)火提前角的影響，而且與汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)、過量空氣系數(shù)相關(guān)。

將式(1)進(jìn)行變化可得

在整車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，據(jù)式(2)可獲得以最佳燃油經(jīng)濟(jì)性為目的、考慮汽油機(jī)轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)以及過量空氣系數(shù)等參數(shù)影響的最佳點(diǎn)火提前角的標(biāo)定依據(jù)。

圖8 過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

Fig. 8 Relationship between and 10%?90% combustion duration

4 結(jié)論

1) 決定汽油機(jī)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換效率主要與燃燒過程的相位相關(guān)，而后者可以用50%放熱量的位置表征。無論是瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)工況，當(dāng)50%放熱量的位置出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°附近時(shí)，缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換效率達(dá)到峰值，偏離此值時(shí)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換效率均下降，每偏離“最佳值”位置約10°，高壓循環(huán)熱效率下降約3%。

2) 缸內(nèi)燃燒放熱過程的相位及持續(xù)期不僅受點(diǎn)火提前角影響，而且與汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、殘余廢氣系數(shù)、過量空氣系數(shù)等參數(shù)有關(guān)，本文依據(jù)影響程度總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式。

3) 缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的存在與變化對(duì)目前ECU普遍采用的噴油策略(預(yù)估進(jìn)氣量和過量空氣系數(shù)正反饋修正的方法)及點(diǎn)火控制策略在瞬態(tài)過程中的精度影響較大，進(jìn)一步精細(xì)標(biāo)定應(yīng)該考慮殘余廢氣系數(shù)的變化。

4) 從整車優(yōu)化角度看，樣機(jī)在實(shí)際道路工況下尤其是在換擋過程、小負(fù)荷區(qū)域和過渡工況下的空燃比控制、點(diǎn)火角度控制仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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(編輯 陳燦華)

Diagnostics and analysis of heat to work conversion process and major influencing parameters of IC engine under road test conditions

TANG Qijun, LIU Jingping, FU Jianqin, YI Peng, ZHU Guohui

(Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082, China)

A new approach was demonstrated which enables continuous detection and judgment of multi controlling and performance parameters in an automotive IC engine under actual road testing conditions. The transient performance parameters of engine were obtained from the typical road testing operations. Steady state engine tests were conducted to help understanding what were observed during the transient tests. The results show that 50% burning position and the relative air-fuel ratio (AFR) are the two most important key factors for the heat to work conversion efficiency in both conditions. The high pressure loop thermal efficiency produces a peak when 50% burning position is located at about 10° crank angle after the top dead center. In addition to the influencing trend of the spark timing over the 50% burning position, other parameters such as engine speed, load, burnt mass fraction and relative AFR also have significant influence. The relative air-fuel ratio errors observed during the transient tests are caused by the poor estimation of the residual gas fraction in the cylinder, and the spark timing is also identified to exercise dramatic and unreasonable changes under certain circumstances, resulting in significant drop in the thermal efficiency.

gasoline engine; transient process; law of combustion and heat release; heat to work conversion efficiency

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.034

TK417+.4

A

1672?7207(2017)05?1384?07

2016?06?10；

2016?08?12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376057)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB707201) (Project(51376057) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2011CB707201) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

付建勤，博士，從事發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)研究；E-mail: fujianqinabc@163.com