CN114510825A - 一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法、系统，提出质量标准化压力的概念用于消除运动相位差通过改变循环进气量对缸压的影响，避免对使用缸压作为做功能力水平判断方法的干扰。以质量标准化压力的升高率最大值对应的曲轴转角与随后第一个零点之间的曲轴转角的范围作为活塞上止点附近的判定区间，此判定区间描述了燃烧放热在上止点附近处的集中程度，燃烧越集中，指示热效率便会越高。以判定区间内的质量标准化压力升高幅度作为运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，以升高幅度最大值对应的相位差作为最佳相位差，简化相位差通过影响各项发动机性能参数对指示热效率产生综合作用效果的复杂分析过程，提高了计算效率。

Description

一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法、系统

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法、系统。

背景技术

对置活塞发动机由于具有传热损失低，功率密度高，NVH特性好的优点，因此近年来受到了研究人员的广泛关注。对置活塞发动机由于具有进、排气两侧活塞，因此通过曲柄连杆、驱动凸轮、液压、电磁等众多的驱动方式均可以使两侧活塞的运动具有一定相位差，这将会对发动机合成容积变化规律、换气特性、有效压缩比与有效膨胀比、燃烧放热规律等众多性能参数产生不同的影响规律，其又会对热功转换效果，即传热损失与等容度产生不同的作用效果，最终这些影响效果均会传递到对指示热效率的影响上，总会存在一个最佳的运动相位差可以使指示热效率达到最高，但是众多的影响规律和逻辑关系为各研究人员的分析工作带来巨大的难度，很难找到使指示热效率提升的核心原因，因此也就难以确定一套整机技术方案与运动相位差技术实现协调，从而使整机达到最佳综合性能。

因此，目前没有某个具有物理含义的参数作为活塞运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，从而消除由于运动相位差引发的各种因素变化规律的复杂中间分析过程。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法、系统，能够为活塞运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量提供标准，简化了多种性能参数变化对热功转换效果综合作用的复杂中间分析过程。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法，包括：

步骤一、获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a；

步骤二、针对一个完整工作循环内的每一曲轴转角，利用所述缸压P除以所述循环进气量m_a，获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm；

步骤三、根据所述质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm；

步骤四、以所述升高率Pr_norm取最大值时对应的曲轴转角φ_m和φ_m之后所述升高率Pr_norm第一次达到零点对应的曲轴转角φ₁之间的曲轴转角范围作为活塞上止点附近的判定区间；

计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm；当所述升高幅度ΔP_norm取得最大值时，发动机的指示热效率最高，对应的相位差为发动机的最佳相位差。

进一步地，步骤一中，所述获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a为：确定发动机的型号及运行工况，通过台架试验或者仿真试验获取发动机的缸压P和循环进气量m_a。

进一步地，步骤三中，所述计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm为：

其中，φ为曲轴转角，d()表示求导运算。

进一步地，步骤四中，所述计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm为：

ΔP_norm＝P_{norm_0first}-P_{norm_maxr}

其中，P_{norm_0first}为升高率Pr_norm为0时对应的质量标准化压力，P_{norm_maxr}为升高率Pr_norm取最大值时对应的质量标准化压力。

一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取系统，包括：初始数据模块、质量标准化压力计算模块、升高率计算模块和升高幅度计算模块；

所述初始数据模块用于为所述质量标准化压力计算模块提供发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a；

所述质量标准化压力计算模块用于利用所述缸压P除以所述循环进气量m_a，计算获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm；并将所述质量标准化压力P_norm发送至所述升高率计算模块；

所述升高率计算模块用于根据所述质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm；并将所述升高率Pr_norm发送至升高幅度计算模块；

所述升高幅度计算模块用于确定活塞上止点附近的判定区间[φ_m，φ₁]，并计算判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm，选择升高幅度ΔP_norm取得最大值时对应的相位差为发动机的最佳相位差。

进一步地，所述初始数据模块中缸压P和循环进气量m_a的获取方式为：确定发动机的型号及运行工况，通过台架试验或者仿真试验获取发动机的缸压P和循环进气量m_a。

进一步地，在所述升高率计算模块中，所述计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm为：

其中，φ为曲轴转角，d()表示求导运算。

进一步地，在所述升高幅度计算模块中，所述计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm为：

ΔP_norm＝P_{norm_0first}-P_{norm_maxr}

其中，P_{norm_0first}为升高率Pr_norm为0时对应的质量标准化压力，P_{norm_maxr}为升高率Pr_norm取最大值时对应的质量标准化压力。

有益效果：

(1)一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法，提出质量标准化压力的概念用于消除运动相位差通过改变循环进气量对缸压的影响，避免了对使用缸压作为做功能力水平判断方法的干扰。以质量标准化压力的升高率最大值对应的曲轴转角与随后第一个零点之间的曲轴转角的范围作为活塞上止点附近的判定区间，在此判定区间内包含了发动机的主要燃烧阶段，描述了燃烧放热在上止点附近处的集中程度，燃烧越集中，指示热效率便会越高。以判定区间内的质量标准化压力升高幅度作为运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，以升高幅度最大值对应的相位差作为最佳相位差，简化了相位差通过影响各项发动机性能参数对指示热效率产生综合作用效果的复杂分析过程，提高了计算效率。

(2)根据发动机的型号和运行工况获取发动机的缸压和循环进气量数据，更加符合发动机的实际工况，使得最终确定的最佳相位差更加符合发动机的实际运行工况，针对每一曲轴转角节点都进行计算，使得对发动机完整循环工况的研究更加细化，有利于掌握发动机性能。

附图说明

图1为本发明的一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法流程图。

图2为实施例中的对置活塞二冲程柴油机工作原理示意图。

图3为发动机活塞运动相位差获取方法示意图。

图4为不同运动相位差与质量标准化压力的升高率的变化关系示意图。

图5为不同运动相位差与质量标准化压力的升高幅度的变化关系示意图。

图6为不同运动相位差时的指示热效率变化关系示意图。

具体实施方式

在对置活塞发动机中，活塞的运动相位差对众多性能参数具有不同的影响规律，在各参数的复杂综合作用效果下总会存在一个最佳运动相位差使指示热效率达到最高，如此众多的影响因素及复杂的影响规律对分析工作带来了巨大的困难。鉴于此本发明提出了一种对置活塞发动机最佳相位差获取方法，以指定区间内质量标准化压力升高幅度作为运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，以升高幅度最高作为最佳运动相位差的通用确定方法，简化了运动相位差通过影响各项发动机性能参数对指示热效率产生综合作用效果的复杂分析过程。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示为对置活塞发动机最佳运动相位差获取方法的实施流程，包括如下步骤：

步骤一、获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a。

获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a为：确定发动机的型号及运行工况，通过台架试验或者仿真试验获取发动机的缸压P和循环进气量m_a。

步骤二、针对一个完整工作循环内的每一曲轴转角，利用缸压P除以循环进气量m_a，获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm。

计算质量标准化压力，消除循环进气量对缸压的影响。膨胀阶段的缸压可以表征做功能力。但是，由于运动相位差会通过改变循环进气量影响缸压，通过缸压判断指示热效率的方法受到干扰。因此，为了消除循环进气量对缸压的影响，将实际缸压P除以循环进气量m_a，获得质量标准化压力P_norm的用于表征发动机真实的做功能力。

质量标准化压力P_norm的公式如下：

其中，P_norm为质量标准化压力，单位为bar/mg；P为缸压，单位为bar；m_a为循环进气量，单位为mg。

步骤三、根据质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm。

计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm为：

其中，φ为曲轴转角，d()表示求导运算。其中，质量标准化压力升高率Pr_norm的单位为bar/(mg·°CA)，φ为曲轴转角，单位为°CA。

步骤四、以升高率Pr_norm取最大值时对应的曲轴转角φ_m和φ_m之后升高率Pr_norm的第一个零点对应的曲轴转角φ₁之间的曲轴转角范围作为活塞上止点附近的判定区间。

锁定质量标准化压力升高幅度判定区间。经过针对大量实验数据的分析和总结得出普适性的规律，当运动相位差使上止点附近处质量标准化压力升高幅度越高时，对发动机有效压缩比与有效膨胀比、热力参数变化率、进气充量、废气残余系数与燃烧放热率的综合优化效果越高，热功转化效果提升，指示热效率就会越高。为了确定活塞上止点附近的曲轴转角区间，以最高质量标准化压力升高率与随后第一个零点之间的曲轴转角范围作为活塞上止点附近的判定区间，在此区间内将主要的燃烧阶段包含在内，描述了燃烧放热在上止点附近处的集中程度，燃烧越集中，指示热效率便会越高。

计算判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm；当升高幅度ΔP_norm取得最大值时，发动机的指示热效率最高，对应的相位差为发动机的最佳相位差。

计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm为：

ΔP_norm＝P_{norm_0first}-P_{norm_maxr}

其中，P_{norm_0first}为升高率Pr_norm为0时对应的质量标准化压力，单位为bar/mg；P_{norm_maxr}为升高率Pr_norm取最大值时对应的质量标准化压力，单位为bar/mg；。

升高幅度越高，指示热效率越高，对应的运动相位差越佳。当升高幅度达到最高时，指示热效率最高，对应最佳相位差，由此将其作为最佳运动相位差的通用确定方法，消除了运动相位差通过对各项发动机性能参数的综合作用效果对指示热效率的影响的复杂中间分析过程。

根据上述一种对置活塞发动机最佳相位差获取方法，本发明还提供了一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取系统，包括：初始数据模块、质量标准化压力计算模块、升高率计算模块和升高幅度计算模块。

初始数据模块用于为所述质量标准化压力计算模块提供发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a。

质量标准化压力计算模块用于利用缸压P除以循环进气量m_a，计算获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm；并将质量标准化压力P_norm发送至升高率计算模块。

升高率计算模块用于根据质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm；并将升高率Pr_norm发送至升高幅度计算模块。

升高幅度计算模块用于确定活塞上止点附近的判定区间[φ_m，φ₁]，并计算判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm，选择升高幅度ΔP_norm取得最大值时对应的相位差为发动机的最佳相位差。

上述模块中涉及的计算方法与最佳相位差获取方法中的计算方法相同，这里不再赘述。

为了证明本方法的有效性，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于更好地解释本发明，并不用于限制本发明。

以一台1.1L四缸凸轮转盘压燃发动机对为本实施例的研究对象，其缸径为65mm，单侧活塞冲程为42mm，总冲程为84mm，压缩比为18，研究转速为1800rpm。工作原理如图2所示，进、排气两侧活塞分别由相应的曲柄连杆机构控制其运动规律。

如图3所示，为活塞运动相位差的实现方法，通过将排气侧活塞相位前移，同时将进气侧活塞相位等距后移，二者相位位移相加就等于实际的运动相位差，通过调整运动相位差可以实现合成活塞位移曲线的可变，也就是合成容积变化规律的可变，具体体现在相对活塞位移速度的变化上。

选定研究运动相位差范围为0至20°CA，利用GT-Power发动机性能仿真软件建立该台发动机的物理仿真模型，并分别计算不同运动相位差时的缸压曲线、指示热效率以及进气充量等计算所需参数。将各缸压曲线除以进气充量计算得到相应的质量标准化缸压曲线，再将其关于曲轴转角进行一阶求导，得到质量标准化压力升高率曲线，如图4所示，其中第一个顶点为喷油相位，此后喷入的燃油处于滞燃期内，由于燃油的蒸发，因此压力升高率降低。之后，混合气着火使缸压迅速提升，直至达到第二个压力升高率极值点，也就是压力升高率的最高值点，此时燃烧处于最剧烈的阶段。此后，活塞开始下行且燃烧速率逐渐减缓，压力升高率逐渐降低，直至达到零点。

将质量标准化压力升高率最高值至第一个零点之间的质量标准化压力升高幅度作为运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，压力升高幅度越高，此运动相位差所对应的指示热效率就越高。如图5所示为各运动相位差时，在规定区间内计算得到的质量标准化压力升高幅度，由图中可以看出15°CA运动相位差时达到最高值。如图6所示，15°CA运动相位差时指示热效率是最高的，验证了质量标准化压力升高幅度最高时，热功转化能力最高，指示热效率也最高的逻辑关系。

本发明针对大量实验数据的分析和总结，确定使用指定区间内质量标准化压力升高幅度作为运动相位差对指示热效率作用效果的统一衡量标准，以升高幅度最高作为最佳运动相位差的通用确定方法，简化了运动相位差通过影响各项发动机性能参数对指示热效率产生综合作用效果的复杂分析过程。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取方法，其特征在于，包括：

步骤一、获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a；

步骤二、针对一个完整工作循环内的每一曲轴转角，利用所述缸压P除以所述循环进气量m_a，获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm；

步骤三、根据所述质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm；

步骤四、以所述升高率Pr_norm取最大值时对应的曲轴转角φ_m和φ_m之后所述升高率Pr_norm第一次达到零点对应的曲轴转角φ₁之间的曲轴转角范围作为活塞上止点附近的判定区间；

计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm；当所述升高幅度ΔP_norm取得最大值时，发动机的指示热效率最高，对应的相位差为发动机的最佳相位差。

2.如权利要求1所述的最佳相位差获取方法，其特征在于，步骤一中，所述获取发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a为：确定发动机的型号及运行工况，通过台架试验或者仿真试验获取发动机的缸压P和循环进气量m_a。

3.如权利要求1所述的最佳相位差获取方法，其特征在于，步骤三中，所述计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm为：

其中，φ为曲轴转角，d()表示求导运算。

4.如权利要求1所述的最佳相位差获取方法，其特征在于，步骤四中，所述计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm为：

ΔP_norm＝P_{norm_0first}-P_{norm_maxr}

其中，P_{norm_0first}为升高率Pr_norm为0时对应的质量标准化压力，P_{norm_maxr}为升高率Pr_norm取最大值时对应的质量标准化压力。

5.一种对置活塞高效发动机的最佳相位差获取系统，其特征在于，包括：初始数据模块、质量标准化压力计算模块、升高率计算模块和升高幅度计算模块；

所述初始数据模块用于为所述质量标准化压力计算模块提供发动机一个完整工作循环内的缸压P和循环进气量m_a；

所述质量标准化压力计算模块用于利用所述缸压P除以所述循环进气量m_a，计算获得每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm；并将所述质量标准化压力P_norm发送至所述升高率计算模块；

所述升高率计算模块用于根据所述质量标准化压力P_norm和发动机曲轴转角φ计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm；并将所述升高率Pr_norm发送至升高幅度计算模块；

所述升高幅度计算模块用于确定活塞上止点附近的判定区间[φ_m，φ₁]，并计算判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm，选择升高幅度ΔP_norm取得最大值时对应的相位差为发动机的最佳相位差。

6.如权利要求5所述的最佳相位差获取系统，其特征在于，所述初始数据模块中缸压P和循环进气量m_a的获取方式为：确定发动机的型号及运行工况，通过台架试验或者仿真试验获取发动机的缸压P和循环进气量m_a。

7.如权利要求5所述的最佳相位差获取系统，其特征在于，在所述升高率计算模块中，所述计算每一曲轴转角的质量标准化压力P_norm的升高率Pr_norm为：

其中，φ为曲轴转角，d()表示求导运算。

8.如权利要求5所述的最佳相位差获取系统，其特征在于，在所述升高幅度计算模块中，所述计算所述判定区间[φ_m，φ₁]内的质量标准化压力P_norm的升高幅度ΔP_norm为：

ΔP_norm＝P_{norm_0first}-P_{norm_maxr}

其中，P_{norm_0first}为升高率Pr_norm为0时对应的质量标准化压力，P_{norm_maxr}为升高率Pr_norm取最大值时对应的质量标准化压力。

Images