CN114943117A - 基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，用于解决实测缸压曲线全局漂移导致指示热效率计算不准确的问题。本发明首先基于多变指数对实测缸压曲线进行修正，将其进行一定偏移，基于不同偏移后的缸压曲线，可数字化批量计算不同曲轴转角下对应的多变指数值，批量绘制不同修正下的多变指数曲线图。对比修正前后、不同偏移下的多变指数曲线的标准差，认定标准差最小时即为多变指数曲线呈现水平直线，在此样修正下的缸压曲线更贴近于真实数据。对气缸压力曲线进行一系列修正后，能够获取一个新的、更为真实的气缸压力曲线。基于此修正后的缸压曲线，重新绘制示功图(p‑V图)，计算发动机循环指示功，进而能够得到更可靠的指示热效率。

Description

基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种基于实测缸压曲线的发动机指示热效率计算数字化修正方法。

背景技术

发动机是将热能转换为机械能的动力机械，而指示热效率则是评价其工作循环的经济性参数，同时也是衡量热能转换成指示功有效程度的一个尺度，该指标不受循环过程中机械摩擦、附件消耗以及进排气和扫气流动损失等各种因素的影响，直接反映缸内热功转换进行的好坏，因而在发动机工作过程的分析研究中得到广泛应用。指示热效率是指发动机实际循环指示功与所消耗的燃料完全燃烧时释放的热量之比，表示燃料的化学能转换为指示功的能量转换效率。计算更加准确的指示热效率，有利于对发动机热功转换性能进行更为真实、准确的评价。

根据定义可知，想要得到更加可靠的指示热效率，必须能够计算更为准确的循环指示功。而循环指示功是指缸内工质在一个工作循环内对活塞所作功，其数值常由示功图(p-V图)上各冲程压力形成的封闭曲线所包围的环积分面积∮pdV来表示。由此可见，获取准确的缸压曲线对于循环指示功、指示热效率等参数的计算十分关键，获取更真实的气缸压力数据是发动机燃烧分析的基础。

缸压曲线是指气缸压力随发动机曲轴转角变化的压力曲线。而曲轴转角是指发动机曲轴自旋转的角度，常以°CA表示，一般是以活塞在气缸内运动到上止点为0°CA，此时活塞顶部达到最高点处的位置，活塞顶上方空间的容积即气缸容积达到最小。

对于气缸压力的测量，实验中常采用的是压电石英压力传感器。鉴于其工作原理，该传感器只能测量气缸压力的相对变化，而不是绝对气缸压力，其测得的数据是可能与实际值有很大差异的动态气缸压力数据。如果不对测量值进行修正，缸压曲线在全局范围内会存在或多或少的漂移，缸压测量值与真实值出现偏差，从而影响发动机性能的分析。因此，压电石英压力传感器测量的气缸压力在用于分析燃烧过程之前必须通过一定的方法进行修正，而不同的修正方法会产生不一样的性能分析结果。

目前，缸压曲线的修正主要通过两个参数进行，一是进气歧管的绝对压力或排气背压，但该方法在应用于进气系统未调谐等状况时有一定局限性；二是多变指数。工程中有多种多样的热力过程，气体的状态变化往往遵循一定的规律，大部分过程中气体的基本状态参数间满足pVⁿ＝常数，这样的可逆过程称为多变过程，n称为多变指数，可以是-∞～∞间的任意常数。基于多变指数的修正方法又可细分为两种，即基于固定多变指数和基于可变多变指数，这两种方法均对缸压曲线的噪声较为敏感，且在固定值的选择、算法的优化等方面有一定缺陷。这些缸压曲线修正方法的地局限性都将使得指示热效率的计算出现偏差，无法客观准确地评估发动机热功转换效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有缸压曲线修正方法导致发动机指示热效率计算出现偏差的不足，从实用有效的角度提出了一种基于实测缸压曲线的发动机指示热效率计算数字化修正方法。该方法能够避免固定多变指数所带来的误差，同时比可变多变指数更为合理简洁，能够更为准确地计算发动机指示热效率，从而更加客观、真实地评估发动机热功转换的好坏程度。

本发明所述的一种基于实测缸压曲线的发动机指示热效率计算数字化修正方法，将发动机的一段工作过程视为多变过程，在多变过程中，多变指数n是一个固定值，多变指数曲线指多变指数n随发动机曲轴转角变化的曲线，多变指数曲线为一条水平直线；若多变指数曲线不是水平直线，说明实测缸压曲线存在全局漂移，则引入多变指数对发动机实测缸压曲线进行修正,进一步包括以下步骤：

步骤1、导入实测缸压曲线；

步骤2、将实测缸压曲线进行多次全局修正，得到多个修正缸压曲线，全局修正包括将曲线整体上偏移、下偏移、左偏移、右偏移或任何组合偏移；

进一步的，所述的上、下偏移是将缸压曲线沿着纵坐标向上或向下平移，即任意曲轴转角对应的缸压值统一增加或减少一个固定的偏移压力；所述的左、右平移是将缸压曲线沿着横坐标曲轴转角向左或向右平移，以调整缸压值与对应曲轴转角的匹配度。

步骤3、根据多变指数n的计算表达式，计算每条修正缸压曲线对应的多变指数曲线，批量绘制不同修正下的多变指数曲线图；

所述多变指数曲线的计算过程包括以下步骤：从修正后的缸压曲线中选取多个点，每个点的纵坐标表示气缸压力，横坐标表示曲轴转角，气缸容积由曲轴转角换算得到，将缸压曲线中的第k个点以及第k+1个点对应的气缸压力和气缸容积带入多变指数n的计算表达式，即可得到一个多变指数n的值，该值与缸压曲线中第k个点对应的曲轴转角构成多变指数曲线上的一点，通过获取多个多变指数n的值，以及对应的曲轴转角得到一条修正后的多变指数曲线图。

缸压曲线中的第k个点的气缸压力取该点周围气缸压力的均值，第k+1个点同样处理，用于去除噪声。

步骤4、比较所有修正缸压曲线对应的多变指数曲线的标准差，标准差最小的多变指数曲线最符合水平直线分布，标准差最小的多变指数曲线对应的缸压曲线即为最优缸压曲线，最贴近真实缸压数据；

步骤5、基于最优缸压曲线画示功图，根据示功图计算发动机循环指示功，进一步计算指示热效率。

根据最优缸压曲线重新绘制示功图，发动机实际循环指示功W_i通过示功图上封闭曲线所围面积求得，即：

W_i＝∮pdV

其中，p表示气缸压力，V表示气缸容积；

基于最优缸压曲线所求得的循环指示功W_i，发动机指示热效率η_i通过以下公式求出：

式中，Q_i表示发动机工作所消耗的燃料完全燃烧时释放的热量。

有益效果：

(1)本发明将发动机的一段工作过程视为多变过程，理论上，多变过程中的多变指数曲线为一条水平直线，然而实际情况中并非如此，由于实测缸压曲线存在漂移，故获得的多变指数曲线并不是水平直线。本发明对实测缸压曲线进行修正，通过多变指数曲线对修正后的实测缸压曲线进行判定，认为最接近水平直线的多变指数曲线所对应的缸压曲线为最优缸压曲线，根据最优缸压曲线计算指示热效率，得到的结果更贴近真实数据；

(2)本发明通过寻找最接近水平直线的多变指数曲线，避免了提前预设多变指数的大小，进而避免了预估错误所带来的计算误差；

(3)对缸压曲线进行上下左右的修正，能够增加搜索范围，便于找到合适的修正缸压曲线，使修正后的结果更贴近真实数据；

(4)利用去噪后的修正缸压曲线获取多变指数曲线，能够有效避免噪声影响；

(5)利用修正后的缸压曲线重新绘制示功图，在此基础上得到的指示热效率的计算更为真实可靠；

(6)同时，数字化计算过程简单快捷，不需要复杂算法，使得该修正方法更具备普适性和可推广性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为修正前后的缸压曲线图；

图3为缸压曲线修正前后的多变指数曲线图；

图4为缸压曲线修正前后的示功图对比。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明:

结合附图，本发明基于多变指数对发动机缸压曲线进行修正，通过多变指数曲线图判断何种修正下的缸压曲线更贴近于真实数据，利用该缸压曲线计算发动机循环指示功，进而计算更为准确、真实的指示热效率。

基于多变指数对缸压曲线进行修正是将发动机的某段工作过程视为多变过程，多变过程的过程方程式为：

pVⁿ＝常数

式中，p表示气缸压力，V表示气缸容积，n表示多变指数。

在该段工作过程中，曲轴转角k°CA对应的气缸压力和气缸容积分别为p_k和V_k，曲轴转角k+1°CA对应的气缸压力和气缸容积分别为p_k+1和V_k+1，则有：

p_kV_k ⁿ＝p_k+1V_k+1 ⁿ

取对数并整理后，多变指数n可表示为：

在多变过程中，多变指数n应是一个固定值。因此，在选定的某段工作过程中，随曲轴转角变化的多变指数曲线应为一条水平直线；若多变指数曲线不是水平直线，说明缸压曲线存在一定的全局漂移，导致绘制的多变指数曲线图出现了非多变过程特征，不符合真实特性，故需要进行调整修正。

对于实测采集到的缸压曲线首先进行全局范围内的修正调整，包含上下偏移以及左右偏移。上下偏移是将缸压曲线沿着纵坐标向上或向下平移，即任意曲轴转角对应的缸压值统一增加或减少一个固定的偏移压力；左右平移是将缸压曲线沿着横坐标曲轴转角向左或向右平移，以调整缸压值与对应曲轴转角的匹配度。

附图2所示为修正前后的缸压曲线图，即将从传感器获得的实测缸压曲线进行不同程度的左右偏移后所得到的缸压曲线对比图。通过将实测缸压曲线沿着横坐标左右偏移，对其进行全局修正。其中，曲线P0表示未修正的实测缸压曲线，曲线P-2、P2分别表示实测缸压曲线左移2°CA、右移2°CA后的缸压曲线。

实测缸压曲线经过修正后可得到新的缸压曲线，基于不同修正下的缸压曲线，可根据多变指数n的计算表达式数字化批量计算不同曲轴转角下对应的多变指数n的值，批量绘制不同修正下的多变指数曲线图。

举例说明多变指数曲线的计算过程：从一条修正后的缸压曲线中选取3600个点，每个点的纵坐标表示气缸压力，横坐标表示曲轴转角，气缸容积由曲轴转角换算得到，从第1个点开始，把第1个点的气缸压力和气缸容积，以及第2个点的气缸压力和气缸容积带入多变指数n的计算表达式，即可得到一个多变指数n的值，该值与缸压曲线中第1个点对应的曲轴转角构成多变指数曲线上的一点，遍历所有点获取多个多变指数n的值，以及对应的曲轴转角，得到一条修正后的多变指数曲线图。为了剔除噪声，缸压曲线中不同曲轴转角对应的气缸压力值取该点周围气缸压力的均值。

通过对比修正前后以及不同修正下的多变指数曲线的标准差，认定标准差最小时即为多变指数曲线呈现水平直线时的状况，此时的多变指数曲线图更符合多变过程特征，在此样修正下的缸压曲线更贴近于真实数据。

附图3所示即为将从传感器获得的实测缸压曲线进行不同程度的左右偏移后所求得的多变指数曲线图。选取靠近上止点位置的一段工作过程进行计算，曲轴转角范围选取-15°CA～15°CA。其中，曲线n0表示未偏移，曲线n-2、n2分别表示实测缸压曲线左移2°CA、右移2°CA。通过该多变指数图，可以看到，在将实测缸压曲线左移2°CA时多变指数曲线更接近水平直线，说明将实测缸压曲线左移2°CA后的缸压曲线为最优缸压曲线，最能代表真实缸压曲线。

通过其多变指数曲线是否呈现水平直线这一准则，即可判断何种修正下的气缸曲线更可靠。对实测缸压曲线进行一系列修正后，能够获取一个新的、更为真实的缸压曲线。基于此修正后的缸压曲线，重新绘制示功图(p-V图)。发动机实际循环指示功W_i通过示功图上封闭曲线所围面积求得，即：

W_i＝∮pdV

基于修正后的缸压曲线所求得的循环指示功，发动机指示热效率η_i可通过以下公式求出：

式中，Q_i表示发动机工作所消耗的燃料完全燃烧时释放的热量。

附图4示即为修正前后的示功图比较，曲线n0表示原始实测下未修正的示功图曲线，曲线n-2表示原始实测缸压曲线左移2°CA后所画的示功图曲线，该修正下的缸压曲线为最优缸压曲线。从图中可以看到，修正前后示功图曲线有所差异，两条曲线各自所围的面积也明显不同，说明修正前后的循环指示功有所差异，图中阴影部分面积即为修正前后的循环指示功差值。修正后的示功图更为真实可靠，计算的循环指示功也更准确。基于此，可求得经过一系列数字化修正后的可靠的发动机指示热效率。

Claims (5)

1.基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，其特征在于，将发动机的一段工作过程视为多变过程，在多变过程中，多变指数n是一个固定值，多变指数曲线指多变指数n随发动机曲轴转角变化的曲线，多变指数曲线为一条水平直线；若多变指数曲线不是水平直线，说明实测缸压曲线存在全局漂移，则引入多变指数对发动机实测缸压曲线进行修正,进一步包括以下步骤：

步骤1、导入实测缸压曲线；

步骤2、将实测缸压曲线进行多次全局修正，得到多个修正缸压曲线，全局修正包括将曲线整体上偏移、下偏移、左偏移、右偏移或任何组合偏移；

步骤3、根据多变指数n的计算表达式，计算每条修正缸压曲线对应的多变指数曲线，批量绘制不同修正下的多变指数曲线图；

步骤4、比较所有修正缸压曲线对应的多变指数曲线的标准差，标准差最小的多变指数曲线最符合水平直线分布，标准差最小的多变指数曲线对应的缸压曲线即为最优缸压曲线，最贴近真实缸压数据；

步骤5、基于最优缸压曲线画示功图，根据示功图计算发动机循环指示功，进一步计算指示热效率。

2.根据权利要求1所述的基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，其特征在于，进一步的，所述的上、下偏移是将缸压曲线沿着纵坐标向上或向下平移，即任意曲轴转角对应的缸压值统一增加或减少一个固定的偏移压力；所述的左、右平移是将缸压曲线沿着横坐标曲轴转角向左或向右平移，以调整缸压值与对应曲轴转角的匹配度。

3.根据权利要求1或2所述的基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，其特征在于，步骤3中所述的多变指数曲线的计算过程包括以下步骤：从修正后的缸压曲线中选取多个点，每个点的纵坐标表示气缸压力，横坐标表示曲轴转角，气缸容积由曲轴转角换算得到，将缸压曲线中的第k个点以及第k+1个点对应的气缸压力和气缸容积带入多变指数n的计算表达式，即可得到一个多变指数n的值，该值与缸压曲线中第k个点对应的曲轴转角构成多变指数曲线上的一点，通过获取多个多变指数n的值，以及对应的曲轴转角得到一条修正后的多变指数曲线图。

4.根据权利要求3所述的基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，其特征在于，缸压曲线中的第k个点的气缸压力取该点周围气缸压力的均值，第k+1个点同样处理，用于去除噪声。

5.根据权利要求1所述的基于实测缸压曲线的指示热效率计算数字化修正方法，其特征在于，进一步的，步骤5包括以下步骤：

根据最优缸压曲线重新绘制示功图，发动机实际循环指示功W_i通过示功图上封闭曲线所围面积求得，即：

其中，p表示气缸压力，V表示气缸容积；

基于最优缸压曲线所求得的循环指示功W_i，发动机指示热效率η_i通过以下公式求出：

式中，Q_i表示发动机工作所消耗的燃料完全燃烧时释放的热量。

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