何烈永 鄭曉豐 馬國海 王樹勇 周大權(quán) 張剛健

摘要：為研究如何提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，深入研究內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒過程，燃燒分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)是關(guān)鍵。基于NI CRIO硬件平臺(tái)、LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)的燃燒分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的p-V圖、放熱率、缸內(nèi)溫度、IMEP、COV、爆震因子等參數(shù)的計(jì)算。開發(fā)出的系統(tǒng)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果表明參數(shù)計(jì)算算法合理，精度符合要求，界面直觀操作方便。

Abstract： In order to study how to improve the thermal efficiency of internal combustion engine and the combustion process in cylinder， the design and test of combustion analysis system is the key.Based on NI CRIO hardware platform and LabVIEW virtual instrument software development， the combustion analysis system can realize the calculation of p-V diagram， heat release rate， cylinder temperature， IMEP， COV， knock factor and other parameters of gasoline and diesel engines.The system is tested on the gasoline engine bench， and the comparison results show that the parameter calculation algorithm is reasonable， the precision meets the requirements， and the interface is intuitive and easy to operate.

關(guān)鍵詞：汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī);燃燒分析;測控系統(tǒng);算法;軟件實(shí)現(xiàn)與界面設(shè)計(jì)

Key words： gasoline and diesel engines;combustion analysis;measurement and control system;algorithm;software implementation and interface design

中圖分類號(hào)：TK435? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0008-03

0? 引言

隨著國家節(jié)能減排法規(guī)日益加嚴(yán)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域希望提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，大幅度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效果?；诖耍瑖鴥?nèi)各大高校、企業(yè)對(duì)燃燒分析儀進(jìn)行自主研發(fā)。由于國外燃燒分析儀價(jià)格昂貴，國內(nèi)燃燒分析儀的規(guī)?；瘧?yīng)用、用戶體驗(yàn)有待提高，同時(shí)計(jì)算機(jī)、傳感器、信號(hào)處理等技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)，基于此，文章開發(fā)了一款內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)，目前正處于定型生產(chǎn)階段，預(yù)計(jì)于2021年年初上市。

1? 項(xiàng)目目標(biāo)確定及系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和開發(fā)一款內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)，滿足國內(nèi)化生產(chǎn)需求，達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求的精度、性能的工程目標(biāo)。該系統(tǒng)主要技術(shù)特征包括：汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)和每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的p-V圖、p-Φ圖、瞬時(shí)燃燒放熱率、累計(jì)放熱量、缸內(nèi)溫度、IMEP、COV、最大缸壓、缸壓升高率、爆震信號(hào)處理等參數(shù)的計(jì)算和圖形化顯示。

該款燃燒分析系統(tǒng)的算法和軟件實(shí)現(xiàn)適用于柴油、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。

2? 燃燒分析系統(tǒng)算法

燃燒分析軟件主要由缸壓采集、實(shí)時(shí)顯示、分析后處理、界面顯示組成。

燃燒分析軟件NI LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的開發(fā)環(huán)境，可以兼顧其自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)流應(yīng)用能力、虛擬儀器面板軟件開發(fā)方便以及Matlab強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、算法開發(fā)能力等優(yōu)點(diǎn)。且避免了LabVIEW在算法上的復(fù)雜操作和Matlab在工業(yè)采集數(shù)據(jù)流方面的不方便。

2.1 燃燒參數(shù)計(jì)算理論

從采集的p-Φ圖計(jì)算燃燒放熱率的出發(fā)點(diǎn)是熱力學(xué)第一定律。燃料燃燒放出的熱量一部分傳給工質(zhì)，用于增加工質(zhì)的內(nèi)能并對(duì)外做功，一部分通過燃燒室壁面散失到冷卻水中。

即氣缸內(nèi)的能量守恒方程進(jìn)行計(jì)算：

式中，QB、Q、Qw分別代表燃料放熱量、？駐U工質(zhì)吸熱量和散熱量，W為工質(zhì)內(nèi)能變化，為工質(zhì)對(duì)活塞所作的機(jī)械功。

對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角？漬取微分，得：

在數(shù)值計(jì)算中常用差商代替微商，在一個(gè)工作循環(huán)的步長曲軸轉(zhuǎn)角？駐？漬內(nèi)：

因此根據(jù)實(shí)測的p-Φ圖示功圖及有關(guān)參數(shù)，分別計(jì)算出？駐U、？駐W、？駐QW，從而計(jì)算？駐？漬步長內(nèi)的燃燒放熱量？駐QB。

為將公式（3）計(jì)算數(shù)值化，采用如下方法：

①單換能器方法THE SINGLE TRANSDUCER METHOD[4]——假設(shè)在周期開始關(guān)閉閥門后，不會(huì)有質(zhì)量通過系統(tǒng)邊界傳遞。凈放熱速率（包括做功和熱能增加）可表示為如下公式：

公式（4）用于計(jì)算單換能器法的熱釋放率Qn，使用測量量P和V及其導(dǎo)數(shù)。其中比熱容公式為[5]：

②單位曲軸轉(zhuǎn)角的工質(zhì)與燃燒室周壁面的換熱量：

其中：n：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;A：換熱面積;T：氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時(shí)溫度;Tw：壁面的平均溫度;ag：瞬時(shí)平均換熱系數(shù)。

2.2 爆震因子

爆震因子是爆震識(shí)別的重要方法，Siemens公司設(shè)計(jì)的VDO算法因?yàn)橛?jì)算準(zhǔn)確可靠而得到廣泛工程應(yīng)用[6]。采用VDO算法計(jì)算爆震因子的公式如下：

本文在VDO算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用，主要改進(jìn)措施是采用適配的濾波算法和閾值濾波等方法。當(dāng)爆震因子大于3（設(shè)定的門檻值）則判定為爆震事件，當(dāng)爆震事件個(gè)數(shù)占總循環(huán)的比值來衡量爆震強(qiáng)度KI。當(dāng)KI<1%，判定為無爆震;當(dāng)1%<KI<5%，判定為輕微爆震;當(dāng)5%<KI<10%，判定為輕爆震;當(dāng)KI>10%，判定為強(qiáng)爆震。

2.3 IMEP COV

指示平均有效壓力IMEP是對(duì)p-Φ圖求積分，反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，即Pi的變化系數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中STD為標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位[bar];MEAN為平均值，單位[bar]。

軟件自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)循環(huán)的IMEP值并顯示曲線，IMEP平均值，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到COV_IMEP。當(dāng)COV_IMEP小于5%說明發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定，當(dāng)COV_IMEP大于5%則燃燒不穩(wěn)定。

3? 數(shù)據(jù)對(duì)比

該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)兩缸4沖程排量750cc的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。通過設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)作為燃燒分析軟件的界面輸入。將自主研發(fā)的燃燒分析系統(tǒng)與奇石樂KiBox和上位機(jī)KiBoxCockpit軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 最大爆壓及對(duì)應(yīng)角度

每個(gè)循環(huán)單缸最大爆壓如圖1所示。最大爆壓及對(duì)應(yīng)角度的平均值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

3.2 缸內(nèi)溫度

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4000rpm下計(jì)算得到瞬時(shí)缸內(nèi)溫度對(duì)比數(shù)據(jù)如圖2所示，每個(gè)循環(huán)下最大缸溫如圖3所示。

3.3 爆震因子

通過計(jì)算爆震因子以及信號(hào)峰值等參數(shù)，每個(gè)循環(huán)下爆震因子如圖4所示。

4? 結(jié)論

文章對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算、軟硬件設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)開發(fā)驗(yàn)證。并在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上將自主研發(fā)的燃燒分析系統(tǒng)與奇石樂的Kibox進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明自研系統(tǒng)新增了缸內(nèi)溫度等參數(shù)，其余參數(shù)計(jì)算算法合理，精度符合要求，界面直觀操作方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆文，郭凱，武文杰，等.基于實(shí)時(shí)性優(yōu)化的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51（01）：372-382.

[2]武文杰.柴油機(jī)燃燒放熱率實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2018.

[3]朱訪君，吳堅(jiān).內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算及其優(yōu)化[M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[4]Grimm， B. M.， Johnson， R. T.， 1990， “Review of Simple Heat Release Computations”， SAE Technical Paper Series 900445.

[5]Hayes， T. K.， Savage， L. D.， Sorenson， S. C.， 1986， “Cylinder Pressure Data Acquisition and Heat Release Analysis on a Personal Computer”， SAE Technical Paper Series 860029.

[6]康健.基于動(dòng)態(tài)窗口及統(tǒng)計(jì)方式的汽油機(jī)爆震識(shí)別方法[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[7]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.