CN103528825B - 一种内燃机瞬态工况性能评价方法 - Google Patents

Abstract

内燃机瞬态工况性能评价方法属于内燃机性能评价领域，本发明是利用“滞后系数”这一评价指标，评价瞬变过程中内燃机性能参数相对供油响应发生延迟的程度；利用“劣变系数”评价瞬变过程中内燃机性能参数发生恶化的程度；最后利用“瞬变总量”及“瞬变平均值评价内燃机整个瞬变过程的综合性能。因此，本发明能对内燃机的瞬变性能以及不同优化控制策略的优劣情况做出清晰、全面和准确的判断，将在我国内燃机研发，瞬态性能优化，相关领域科研成果鉴定等方面具有一定的理论意义和工程应用价值。

Description

一种内燃机瞬态工况性能评价方法

技术领域

本发明属于内燃机性能评价领域，具体涉及利用“滞后系数”、“劣变系数”、“瞬变总量”及“瞬变平均值”评价指标全面的量化和评价内燃机的瞬态性能以及瞬态优化策略的优劣情况。

背景技术

大部分内燃机的研发和标定工作是在稳态工况开展的，但是车用内燃机的转速和负荷几乎每时每刻都在发生变化，工况变化十分频繁。随着车用排放法规对瞬态排放的要求日益严格，瞬态工况下内燃机的性能劣变及优化问题成为了研究的重点。

国内外大量的研究结果表明：与稳态工况相比，瞬态工况下内燃机的性能会出现明显的劣化，内燃机的油耗、烟度以及CO排放急剧升高，而造成内燃机瞬态工况下性能劣变的主要原因是由于供气量延迟而导致缸内的燃烧恶化，油耗和排放增加。但大多的内燃机瞬态研究成果是定性或者趋势性的分析其恶化的现象及变化趋势，没有对其延迟和劣变的大小以及其综合性能提出明确的量化指标。而对内燃机瞬变性能做出全面、清晰的评价有助于研究者对内燃机的瞬变性能以及不同优化控制策略的优劣情况做出快速、准确的判断。

发明内容

本发明的目的在于解决现有对内燃机瞬变性能评价或分析方法的不足，提出利用“滞后系数”、“劣变系数”、“瞬变总量”及“瞬变平均值”全面、清晰的量化内燃机在瞬变过程中性能参数发生延迟和恶化程度，从而确定其综合瞬变性能的评价方法。

一种内燃机瞬态工况性能评价方法，利用“滞后系数”评价内燃机在瞬变过程中关键性能参数相对于供油响应发生的延迟程度；利用“劣变系数”评价瞬变过程中内燃机性能的劣变程度；最后利用“瞬变总量”和“瞬变平均值”对内燃机在整个瞬变过程的综合性能做出评判。

所述“滞后系数”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机性能参数的滞后系数，滞后系数越大，参数的响应速度越小，计算公式为：

式中：δ为某参数的滞后系数，t_x为某性能参数的响应时间，t_fuel为供油的响应时间。

所述“劣变系数”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机各性能参数的劣变系数，劣变系数越大，该性能参数相对于稳态工况的劣变程度就越大，计算公式为： $\mathrm{\ψ}=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_t-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}\right|$

式中：Ψ为某性能参数的劣变系数，μ_t为某性能参数在瞬态工况下的值，μ_s为某性能参数在相同喷油条件下稳态工况的值。

所述“瞬变总量”和“瞬变平均值”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机性能参数的瞬变总量和瞬变平均值，瞬变总量越大，表示在瞬变过程中内燃机的燃油消耗量和排放总量越大，利用瞬变总量和瞬变平均值评价内燃机瞬变性能时，需要根据用户对燃油经济性和排放性能的需求，综合判断内燃机的瞬变性能；

计算公式为： $M={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)d_t,$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}=\frac{M}{t_2{-t}_1}$

式中：M为某性能参数的积分值，也称瞬变总量，f(t)为某性能参数随瞬变时间的变化函数，t₁、t₂分别代表瞬变的起始时刻和某参数到达稳定的时刻；为瞬变平均值。

所述函数f（t）是以试验所测得的性能参数随时间的变化关系，再根据牛顿插值公式得到的样条曲线的多项式，该样条曲线与性能参数随时间变化的实际曲线的相关性R²应保证大于0.99；

有益效果

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：试验证明，本发明能够定量、明确、全面、迅速的评价出内燃机的瞬变性能以及不同瞬变优化控制策略的优劣情况，有助于研究者更加深入的理解内燃机在瞬态工况下的性能，在内燃机领域具有较强的推广应用价值，将在我国内燃机研发，瞬态性能优化，相关领域科研成果鉴定等方面具有一定的理论意义和工程应用价值。

附图说明

图1为内燃机瞬态工况测试系统的结构示意图；

图2为内燃机瞬态工况性能性能评价方法的总体流程图；

图3为内燃机瞬变过程中供气量相对于供油响应延后的示意图；

图4为内燃机瞬变过程中比油耗相对于稳态工况劣变的示意图；

图5为内燃机主要性能参数劣变系数的计算结果；

图6为内燃机油耗量在整个瞬变过程中瞬变总量的示意图；

图7为内燃机燃油消耗量和排放参数的瞬变总量和瞬变平均值的计算结果。

图1中：1为电力测功机、2为联轴器、3为内燃机、4为油门加速踏板、5为电控单元（ECU）、6为测量计组（包括空气流量计、燃料流量计、燃烧分析仪、烟度计和废气分析仪等）、7为传感器组（包括:发动机转速、扭矩、进气压力和温度、排气压力和温度和水温等传感器）、8为高速采集卡、9为计算机。

具体实施方式

本发明由电力测功机1、联轴器2、内燃机3、油门加速踏板4、电控单元（ECU）5、测量计组6（包括空气流量计、燃料流量计、燃烧分析仪、烟度计和废气分析仪等）、传感器组7（包括:发动机转速、扭矩、进气压力和温度、排气压力和温度和水温等传感器）、高速采集卡8和计算机9组成，其中电力测功机1通过联轴器2与内燃机3连接，油门加速踏板4与电控单元5连接，测量计组6和传感器组7分别与内燃机3和高速采集卡8连接，其中传感器组7中的扭矩传感器与电力测功机1连接，高速采集卡8与计算机9连接，电控单元5与内燃机连接。

本发明从试验出发，提出利用“滞后系数”评价内燃机在瞬变过程中各性能参数相对于供油响应发生的延迟程度；利用“劣变系数”评价瞬变过程中内燃机性能的劣变程度；利用“瞬变总量”和“瞬变平均值”评价内燃机综合的瞬变性能。内燃机瞬态工况性能评价方法通过下列步骤实现：

1．通过高速采集卡8采集测量计组6和传感器组7所测的内燃机瞬态性能参数，并发送给计算机9进行处理；

2.根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机各性能参数的滞后系数，滞后系数的计算值由公式（1）确定，当滞后系数小于零时，表示该性能参数的响应速度比供油响应速度快；当滞后系数为零时，表示该性能参数与供油的响应速率一致；当滞后系数大于零时，表示该性能参数的响应速度慢于供油响应速率，且值越大，表示该性能参数的响应越慢；

3.根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机各性能参数的劣变系数，劣变系数的计算值由公式（2）确定，当劣变系数等于零时，表示该性能参数在瞬变过程中没有发生劣变，且劣变系数越大，表示内燃机瞬变性能恶化越严重。由于在瞬变过程中NOx排放不会发生劣变，因此，劣变系数这一评价指标不对该参数的评价。

4.根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机性能参数的瞬变总量和瞬变平均值，根据用户对燃油经济性和排放性能的不同需求，综合判断内燃机的瞬变性能。

计算值由公式（3）和（4）确定；

本发明中所用到的公式如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{t_x-t_{\mathrm{fuel}}}{t_{\mathrm{fuel}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ψ}=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_t-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}\right|---\left(2\right)$

$M={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)d_t---\left(3\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}=\frac{M}{t_2-t_1}---\left(4\right)$

式中：δ为某参数的滞后系数，t_x为某性能参数的响应时间，t_fuel为供油的响应时间，Ψ为某性能参数的劣变系数，μ_t为某性能参数在瞬态工况下的值，μ_s为某性能参数在相同喷油条件下稳态工况的值；M为某性能参数的积分值，也称瞬变总量，f(t)为某性能参数随瞬变时间的变化函数（该函数是以试验所测得的性能参数随时间的变化关系，再根据牛顿插值公式得到的样条曲线的多项式，该样条曲线与性能参数随时间变化的实际曲线的相关性R²应保证大于0.99），t₁、t₂分别代表瞬变的起始时刻和某参数到达稳定的时刻；为瞬变平均值。

以CA6DL增压中冷柴油机，1650rpm-（0-100%）加载范围-5s加载时间的瞬变过程为例，对本技术方案作进一步详细阐述，利用高速采集卡8采集测量计组6和传感器组7测得的内燃机瞬变过程的性能参数并传输给计算机9后，再进行如下处理：

实施例1

对滞后系数的说明：

本例以供气量为例，对滞后系数的计算做出详细的说明。如图3示出1650rpm-（0-100%）加载范围-5s加载过程中供油量和供气量的响应规律，图中t_air为供气量响应到稳定值的90%时所经历的时间，为5.7s；t_fuel为供油响应到稳定值的90%时所经历的时间为4.6s，因此供气量的滞后系数，δ_air为：

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{air}}=\frac{t_{\mathrm{air}}-t_{\mathrm{fuel}}}{t_{\mathrm{fuel}}}=\frac{5.7-4.6}{4.6}=0.24$

其他性能参数(如，扭矩、NOx和最大缸内压力等)、其他响应点（如响应到50%或100%）及其他加载过程的计算方法与供气量滞后系数类似，其中90%响应点主要性能参数的滞后系数的计算结果见表1所示。

表1主要性能参数响应到90%时的滞后系数

因此，我们可以得出，相同的瞬变工况下，扭矩、供气量、Pmax和NOx的响应速度依次降低；随着加载时间的增大，滞后系数减少，参数的响应速度增大。

实施例2

对劣变系数的说明：

如图4示出了，1650rpm-（0-100%）加载范围-5s加载过程的比油耗与稳态值的变化规律，本例以扭矩为700N·m时，比油耗为例，详细说明劣变系数的计算过程：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{bfsc}}=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_{t-\mathrm{bfsc}}-{\mathrm{\μ}}_{s-\mathrm{bfsc}}}{{\mathrm{\μ}}_{s-\mathrm{bfsc}}}\right|$

μ_t-bfsc为瞬态工况下（1650rpm-700N·m）的比油耗值，等于256g/kw·h,μ_s-bfsc为稳态工况下（1650rpm-700N·m）的比油耗值，等于217g/kw·h，因此，比油耗的劣变系数，Ψ_bfsc为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{bfsc}}=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_{t-\mathrm{bfsc}}-{\mathrm{\μ}}_{s-\mathrm{bfsc}}}{{\mathrm{\μ}}_{s-\mathrm{bfsc}}}\right|=\left|\frac{256-217}{217}\right|=0.18$

其他性能参数(如，烟度、CO、空燃比、最大缸内压力等)及加载过程的劣变系数的计算与比油耗劣变系数的计算类似，其计算结果见图5。我们可以得出，随着加载时间的增大，各参数的劣变系数减小，因此内燃机在瞬变过程中燃烧性能越大。

实施例3

对瞬变总量和瞬变平均值的详细说明：

本例以燃油消耗油量为例，详细说明瞬变总量和瞬变平均值的计算过程，如图6示出了，1650rpm-（0-100%）加载范围-5s加载过程中，燃油消耗量的变化规律，同时根据所测得的燃油消耗量变化规律，用牛顿插值公式拟合出样条曲线（图中红色虚线，样条曲线的相关性R²应保证大于0.99），并得到相应的多项式，此多项式就是本瞬态工况油量的瞬变函数，因此，油量的瞬变总量M_fuel为:

$M_{\mathrm{fuel}}={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)d_t$

其中：油量瞬变函数f（t）＝-0.0872×t³+2.5407×t²-15.176×t+28.471，R²=0.9965；t₁=0、t₂=5，所以，

$M_{\mathrm{fuel}}=30.7g;$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{fuel}}}=\frac{M_{\mathrm{fuel}}}{t_2-t_1}=\frac{30.7}{5-0}=6.14g/s$

其他性能参数(如，比油耗、碳烟、NO、CO等惨)瞬变总量和瞬变平均值的计算与油量的计算类似，其计算结果见图7所示。

可以得出，随着加载时间的增大，油量和NOx增大，比油耗、碳烟和CO减小。本例综合燃油经济性和排放性能的考虑，以各参数瞬变平均值曲线的上升或下降的拐点作为判据，判断7s加载过程为这四个加载过程的最佳加载时间，即7s加载时间的内燃机瞬变性能最优。

以上对本发明实施例所提供的内燃机瞬变性能评价方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变，因此本说明书内容仅用来于对本发明实施例进行说明，不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种内燃机瞬态工况性能评价方法，其特征在于，利用“滞后系数”评价内燃机在瞬变过程中关键性能参数相对于供油响应发生的延迟程度；利用“劣变系数”评价瞬变过程中内燃机性能的劣变程度；最后利用“瞬变总量”和“瞬变平均值”对内燃机在整个瞬变过程的综合性能做出评判；

所述“滞后系数”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机性能参数的滞后系数，滞后系数越大，参数的响应速度越小，计算公式为：

式中：δ为某参数的滞后系数，t_x为某性能参数的响应时间，t_fuel为供油的响应时间；

所述“劣变系数”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机各性能参数的劣变系数，劣变系数越大，该性能参数相对于稳态工况的劣变程度就越大，计算公式为： $\mathrm{\ψ}=\left|\frac{{\mathrm{\μ}}_t-{\mathrm{\μ}}_s}{{\mathrm{\μ}}_s}\right|$

式中：ψ为某性能参数的劣变系数，μ_t为某性能参数在瞬态工况下的值，μ_s为某性能参数在相同喷油条件下稳态工况的值；

所述“瞬变总量”和“瞬变平均值”是根据所测的性能参数计算出该瞬变过程内燃机性能参数的瞬变总量和瞬变平均值，瞬变总量越大，表示在瞬变过程中内燃机的燃油消耗量和排放总量越大，利用瞬变总量和瞬变平均值评价内燃机瞬变性能时，需要根据用户对燃油经济性和排放性能的需求，综合判断内燃机的瞬变性能；

计算公式为： $M={\∫}_{t_1}^{t_2}f\left(t\right)d_t,\stackrel{\‾}{\mathrm{\υ}}=\frac{M}{t_2-t_1}$

式中：M为某性能参数的积分值，也称瞬变总量，f(t)为某性能参数随瞬变时间的变化函数，t₁、t₂分别代表瞬变的起始时刻和某参数到达稳定的时刻；为瞬变平均值。

2.根据权利要求1所述的内燃机瞬态工况性能评价方法，其特征在于，所述函数是以试验所测得的性能参数随时间的变化关系，根据牛顿插值公式得到的样条曲线的多项式，该样条曲线与性能参数随时间变化的实际曲线的相关性应保证大于0.99。