CN1776391A - 测量多缸内燃机各缸充气效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量多缸内燃机各缸充气效率的方法，是通过采集各气缸所对应进气歧管中的两测点流速、压力值经过下述计算公式建立的固化软件程序而获得各气缸的充气效率，该方法实现了对多缸内燃机各缸进气充量的均匀性的准确判断分析，为进一步研究多缸内燃机各缸不均匀性提供了科学可行的测试方法。

Description

测量多缸内燃机各缸充气效率的方法

技术领域

本发明属于内燃机特性测试技术，具体涉及测量多缸内燃机各缸充气效率的方法。

背景技术

内燃机进气量是表征发动机本身进气能力的尺度，它以充气效率(实际充气量与理论充气量之比)来表示。用它可以评价进排气作用的优劣、燃烧的好坏，决定内燃机功率、扭矩的重要因素。

众所周知，往复式内燃机进气系统中气体的流动是脉动的，尤其是多缸内燃机，由于各缸之间的相互影响，使进气系统内气体流动更为复杂化了，具有强烈的不稳定流性质。由于多缸内燃机具有这种工作特点，在进气过程中就有可能造成进入各缸的进气充量不均匀。从而就有可能造成内燃机工作均匀性变差，其所带来的后果就会引起内燃机功率下降、经济性恶化，有可能降低气缸的寿命，使内燃机工作稳定性恶化。排气有害成分的多少都决定于气缸内可燃混合气的混合比。

通过测量进入各气缸的充量来研究由于各缸进气充量不均匀而引起的内燃机工作均匀性，是内燃机测试领域需要解决的重要课题。

多缸内燃机进气充量的均匀性，一般可以从以下两方面评定：

1.各缸进气充量的均匀性，即量的均匀性。各缸进气充量差别的原因主要是由于各缸进气系统结构及其换气过程的动力现象不同所引起的。

2.各缸过量空气系数的均匀性，即质的均匀性。

显然，如果能实际测量各缸的过量空气系数、进气充量，则可从质、量两方面判断分析各缸进气充量的均匀性。对于各缸过量空气系数的测定，已有比较成熟的测试方法和测试设备。而对各缸进气充量即充气效率的测定，尤其在不改变发动机的原有性能基础上，比较成熟的方法至今尚未见到有关资料的报道，常用通过测量进气总流量方法测得的进气充量，是发动机各缸的平均进气充量，显然其不能反映各缸的进气充量情况。

目前测量进气总流量的方法有很多，如，利用各种流量计直接测量进气总管内进气总流量，或用间接的测量方法如各种流速仪通过计算得到进气总流量。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量多缸内燃机各缸充气效率的方法，以实现对多缸内燃机各缸进气充量的均匀性的准确判断分析。

本发明测量多缸内燃机各缸充气效率的方法，是通过采集各气缸所对应进气歧管中的两测点流速、压力值经过下述计算公式建立的固化软件程序而获得各气缸的充气效率：

其中：η_v为充气效率

V_y1(_j)，V_y2(_j)分别为随内燃机曲轴转角变化的两测点的流速值，m/s

p(_j)为随内燃机曲轴转角变化的低压波值，kPa

Δ为按内燃机曲轴转角计算步长，deg.CA

n为内燃机转速，r/min

P₀为大气压力，kPa

T₀为大气温度，K

V_H为单缸工作容积，mm³

T_p为测点处温度变化，K

A为被测进气歧管截面积，A＝πr₀ ²，mm²

c为计算值， $c=\frac{0.816}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}},$ a＝y₁/r₀，b＝y₂/r₀

所述的歧管中的两测点位置按下式所确定：

$y_i=\sqrt{\frac{{r_0}^2}{2}{t}_i+\frac{{r_0}^2}{2}}$

其中：i＝1，2

y₁，y₂分别为进气歧管从管壁算起沿半径方向两测点位置mm

r₀为被测进气歧管半径mm

t₁，t₂分别为切比雪夫系数，t₁＝0.577350，t₂＝-0.577350。

本发明利用目前奥地利AVL公司的AVL657内燃机数据采集分析仪或通用的数据采集仪、美国TSI公司的IFA100热线/热膜恒温流速仪等测试设备；选用CA6102多缸内燃机进行实验，在较宽的转速和负荷范围内，通过进气速度波，压力波的测量计算出了各缸的进气充量和充气效率，并将其与倒拖发动机时实测的内燃机平均充气效率进行比较，以判断本发明测量方法的可行性。

首先测取内燃机同一稳定工况下某一进气歧管上某一测量截面处的流速信号和压力波信号。测量时不管是流速信号还是压力波信号均取10个循环的平均值，测量结果表明各循环的测量值差别甚微。为了便于比较，在测试中用西德AERZEN公司的Za11.4转子气体流量计同时测出了整机空气消耗量。测量在内燃机拖动状态下进行，内燃机与AVLAPA090/19-2/5变频交流测功器连接，拖动时转速稳定，误差±1r/min。拖动时的水温，油温控制在规定范围。

由于热线/热膜风速仪的输出电压与流速呈非线性关系，其输出电压经AVL657数据采样再经过一个标定程序标定后，最终得到流速信号数据。

以下说明进气歧管内流速分布规律的确定，测点位置选择及进气充量和充气效率的计算方法。

①流速分布经验方式

进气过程中进气歧管某一截面上沿径向流速分布是不均匀的。多缸发动机由于进气歧管内气体流动的脉动特性、各缸进气的相互干扰以及管道形状，表面状态等因素的影响，气体流动属紊流状态。资料[《流体力学》郑洽馀，鲁钟琪主编，机械工业出版社，1981年3月第一版]指出，对于雷诺数Re＜10⁵的管内紊流运动，其速度分布可用以上经验方式：

$\frac{V_y}{V_{*}}=8.7{\left(\frac{y\·V_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}---\left(1\right)$

式中，V_y——离管壁的距离为y处的气体速度

      V_*——应力速度， $V_{*}=\sqrt{\mathrm{\τ}/\mathrm{\ρ}}$

      y——离管壁的距离

      ρ——气体密度

      τ——紊流切应力

      γ——气体的运动粘度，γ＝μ/ρ

      μ——气体粘性系数

若气体流过该截面的平均流速为 V， V可用以下积分表示：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{A}{\∫}_A{V}_y\·{\mathrm{dA}}_y$

A为圆形的面积。用V_*除两端，则有：

$\frac{\stackrel{\‾}{V}}{V_{*}}=\frac{1}{A}{\∫}_A\frac{V_y}{V_{*}}{\mathrm{dA}}_y$

将(1)式代入，将积分加以变换有：

$\frac{\stackrel{\‾}{V}}{V_{*}}=\frac{1}{\mathrm{\π}\·{r_0}^2}{\∫}_0^{r_0}8.7\left(\frac{y\·V_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)\×\frac{1}{2\mathrm{\π}}(r_0-y)\mathrm{dy}$

$=0.816\×8.7{\left(\frac{r_0{V}_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}---\left(2\right)$

r₀为圆管半径。

②测点位置的选择

为了减少测试工作量，所取测点数尽可能少些。在半径方向若取两点：y₁＝ar₀，y₂＝br₀，a，b为待定系数，代入式(1)有：

$\frac{V_{y1}}{V_{*}}=8.7\·a^{\frac{1}{7}}{\left(\frac{r_0{V}_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}$

$\frac{V_{y2}}{V_{*}}=8.7\·b^{\frac{1}{7}}{\left(\frac{r_0{V}_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}$

式中V_y1、V_y2为y₁、y₂处的气体流速。

以上两式相加：

$\frac{V_{y1}+V_{y2}}{V_{*}}=8.7{\left(\frac{r_0{V}_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}(a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}})---\left(3\right)$

由式(2)： ${\left(\frac{r_0{V}_{*}}{\mathrm{\γ}}\right)}^{\frac{1}{7}}=\frac{1}{0.816\×8.7}\·\frac{\stackrel{\‾}{V}}{V_{*}}$

代入式(3)：

$\frac{V_{y1}+V_{y2}}{V_{*}}=\frac{8.7}{0.816\×8.7}\·\frac{\stackrel{\‾}{V}}{V_{*}}(a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}})$

化简有： $\stackrel{\‾}{V}=0.816\·(V_{y1}+V_{y2})\·\frac{1}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}}$

即： $\stackrel{\‾}{V}=\frac{0.816}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}}(V_{y1}+V_{y2})---\left(4\right)$

根据资料[《热力机械测试技术》叶大均主编，机械工业出版社，1981年9月]，测点的确定常用中间矩形法和切比雪夫积分法。当测点数较少时宜采用切比雪夫法，按这个方法计算的通过管道截面积的流量的精度比中间矩形法为高。

切比雪夫法的测点位置对于环形面积由下式确定：

$r_1=\sqrt{\frac{{r_2}^2-{r_1}^2}{2}{t}_i+\frac{{r_2}^2+{r_1}^2}{2}}$

r₁——圆环内径，r₂——圆环外径，

对圆柱面积r₁＝0，r₂＝r₀

$r_i=\sqrt{\frac{{r_0}^2}{2}{t}_i+\frac{{r_0}^2}{2}}$

取两个测点，由切比雪夫系数t_i表查得：t_1，2＝±0.577350

对于实验用内燃机CA6102多缸汽油机进气歧管半径r₀＝18.5mm，由上式求得：

$r_1=\sqrt{\frac{{18.5}^2}{2}\×0.577350+\frac{{18.5}^2}{2}}$

＝16.43mm

$r_2=\sqrt{\frac{{18.5}^2}{2}\×(-0.577350)+\frac{{18.5}^2}{2}}=8.5\mathrm{mm}$

若从圆管壁面算起，取y₁＝16.5mm，y₂＝8.5mm

则 $a=\frac{16}{18.5}=0.865,b=\frac{8}{18.5}=0.432$

速度和压力测量截面离进气门150mm。

③进气充量和充气效率的计算

因为V_y1，V_y2及 V都为曲轴转角的函数，式(4)可变为以下形式：

单位时间的进气量可表示为：

若认为在进气过程中，温度基本不变，则测量截面上的密度，可表示为：

p()，T_p分别为测点处压力和温度变化。

得：

式(5)代入(6)

而d＝6ndt，n为发动机转速，令 $c=\frac{0.816}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}}$

得：

在进气门开启时间内积分得气缸实际进气量G_L为：

进气开启角为60℃A，若计算步长Δ＝1℃A，上式变为数值计数形式：

充气效率 ${\mathrm{\η}}_v=\frac{G_L}{G_0}$

G₀为单缸理论充气量

$G_0=\frac{P_0{V}_H}{{\mathrm{RT}}_0}$

P₀，T₀，V_H分别为大气压力，大气温度，单缸工作容积

由式(7)(8)可知，只要测得各缸进气歧管某截面处的压力、两点流速随曲轴转角的变化规律以及进气歧管内的平均温度原始数据，便可计算出某工况下内燃机任意工作循环的单缸进气量和充气效率。将流速信号的标定曲线和公式(7)(8)等用FORTRAN语言编制成固化软件。

试验结果

在CA6102汽油机节气门4/4，3/4，2/4，1/4开度下，进行了各转速工况各缸充气效率的试验测定值为表1，2，3，4所示。

               表1节气门开度4/4各缸各转速充气效率

               表2节气门开度4/3各缸各转速充气效率

               表3节气门开度2/4各缸各转速充气效率

               表4节气门开度1/4各缸各转速充气效率

从上述各表中可看出，利用实测进气速度---压力波计算的各缸充气效率随发动机转速、负荷的变化趋势与理论上的充气效率随发动机转速、负荷的变化趋势是吻合的。即随着转速降低、负荷变大，充气效率变大；随着转速增大、负荷变小，充气效率变低。

在测量多缸充气效率的同时，测取了各工况下整机充气效率，整机充气效率的平均值η与相应工况下各缸充气效率的平均值η_vm的对比数据列于表5。

充气效率的平均值： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_v=\frac{G}{30n\·i\·V_H}$

其中，n——发动机转速(r/min)

      i——气缸数

      G——进气总量(m³/h)

各缸充气效率的平均值： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{vm}}=\frac{1}{i}\·\underset{K=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vK}}$

其中，η_vK——第K缸的充气效率

        表5整机充气效率的平均值与各缸充气效率的平均值对比

转速充气效率开度		3000	2600	2200	1800	1600	1400	1200	800
										4/4	ηv	0.82668	0.88075	0.91405	0.92908	0.95498	0.93058	0.92118	0.92580
ηvm	0.8338	0.87573	0.90357	0.92497	0.93707	0.93669	0.93572	0.93067
									3/4		ηv	0.77859	0.85706	0.90126	0.9008	0.8954	0.90001	0.90011	0.9036
ηvm	0.7534	0.85082	0.89244	0.89514	0.90284	0.9004	0.90067	0.91057
										2/4	ηv	0.6293	0.70369	0.76677	0.80672	0.81234	0.836	0.8753	0.86996
ηvm	0.64087	0.68433	0.74057	0.77107	0.81967	0.87708	0.84142	0.89082
									1/4		ηv	0.27692	0.31724	0.37885	0.44018	0.52	0.5473	0.59966	0.73156
ηvm	0.26986	0.30076	0.34078	0.41815	0.49057	0.54318	0.61163	0.71053

从上表可知，各开度各转速下，整机充气效率的平均值与各缸充气效率的平均值二者具有很好的一致性。这可完全说明采用速度—压力波测量法所获取各缸进气充量及充气效率的方法是正确的而且切实可行的。但是，目前用整机充气效率的平均值来代替各缸充气效率的平均值并去研究多缸内燃机各缸进气量和充气效率的量的不均匀性是粗糙的、不科学的。本发明所提出的方法可以精确的得到多缸内燃机各缸进气量和充气效率值，为进一步研究多缸内燃机各缸不均匀性提供了科学的方法。

附图说明

图1为本发明方法测试系统框图；

图2为测量截面上的两测点流速曲线图；

图3为测量截面上的进气压力波曲线图；

具体实施方式

下面通过实施例对本发明方法作进一步说明

(1)测试系统组成

参照图1，本发明方法测试系统，AVL PUMA3内燃机自动化实验台2和AVL-ELENAPA 090/19-2/5变频交流测功器3与六缸CA6102内燃机5实验连接；西德AERZEN公司的Za11.4转子气体流量计1与六缸CA6102Q内燃机进气总管4连接，以测出进气总管空气消耗量；美国TSI公司生产的IFA100热线/热膜风速仪8和TSI 1211-20传感器连接，将流速信号变成电压信号；IFA100热线/热膜风速仪8的输出端与奥地利AVL公司生产的AVL657内燃机数据采集分析系统9的输入端连接；AVL657内燃机数据采集分析系统9、AVL364曲轴角标器7和AVL12QP250ca石英压电压力传感器连接，将AVL657内燃机数据采集分析仪9所配AVL364曲轴角标器7安装于六缸CA6102Q内燃机的曲轴前端，其信号输出连入内燃机数据采集分析仪相应输入通道，使得内燃机数据采集分析仪采集的信号基于曲轴转角φ；AVL657内燃机数据采集分析系统9同时测出各缸进气歧管两流速信号和低压波信号。在PC计算机10上调用测量数据并进行充气效率计算，由打印机11和绘图仪12进行数据及曲线输出。

(2)测试过程及结果

a.确定安装低压传感器、流速传感器和温度传感器在要求测量充气效率的气缸所对应进气歧管管壁上的测量截面位置，原则是应尽可能靠近进气门。本例中，离进气门150mm。在该测量截面圆周上按相差90度位置分别打三个可安装以上三种不同传感器尺寸的安装孔。

b.安装AVL12QP250ca低压传感器于相应安装孔处。低压传感器之测压表面与管壁内表面平齐。低压传感器的信号输出与AVL657内燃机数据采集分析仪的信号输入端进行信号线连接。

c.计算流速传感器在测量截面管壁内，沿同一半径方向两测点的位置y₁和y₂。

两测点的位置y₁(mm)和y₂(mm)由下式计算：

$y_i=\sqrt{\frac{{r_0}^2}{2}{t}_i+\frac{{r_0}^2}{2}}$

其中，i＝1，2

r₀为进气歧管半径，mm

t_i为切比雪夫系数

对于六缸CA6102内燃机进气歧管半径r₀＝18.5mm。由切比雪夫系数t_i表查得：

t_1，2＝±0.577350

由上式求得：

$y_1=\sqrt{\frac{{18.5}^2}{2}\×0.577350+\frac{{18.5}^2}{2}}$

＝16.43mm

$y_2=\sqrt{\frac{{18.5}^2}{2}\×(-0.577350)+\frac{{18.5}^2}{2}}=8.5\mathrm{mm}$

从圆管内壁面算起，取y₁＝16.5mm，y₂＝8.5mm

d.安装TSI 1211-20流速传感器于相应安装孔处。流速传感器的探针在管内与管壁内表面距离为y₁(mm)。为了使测量流速传感器对于流速方向有较好的敏感性，选用弯头探针式流速传感器。流速传感器的探针迎气流方向安装。流速传感器的信号输出与IFA100热线/热膜风速仪的信号输入端进行信号线连接。将IFA100热线/热膜风速仪的电压信号输出端连入AVL657内燃机数据采集分析仪的电压信号输入端。

e.安装温度传感器。温度传感器测温点与管壁内表面平齐。温度传感器的输出端连入AVL657内燃机数据采集分析仪的电压信号输入端。

f.用AVL PUMA3内燃机自动化实验台和AVL-ELENAPA 090/19-2/5变频交流测功器控制六缸CA6102内燃机工作在节气门4/4全开、3000r/min、2600r/min、2200r/min、1800r/min、1600r/min、1200r/min、800r/min拖动实验状态。

g.AVL657内燃机数据采集分析仪与PC计算机、打印机和绘图仪连接。由AVL657内燃机数据采集分析仪测量六缸CA6102内燃机某实验工况下随内燃机曲轴转角φ变化的流速V_y1(φ)信号、低压波P(φ)信号和温度T_p。AVL657内燃机数据采集分析仪采集流速、压力波信号和管内温度信号时，曲轴转角采样分辨率选取0.2deg.CA，每个转速工况测取4冲程六缸CA6102内燃机10个连续工作循环数据。数据被保存入PC计算机中。

h.在实验工况不变的情况下重新调整TSI 1211-20流速传感器，使流速传感器的探针在管内与管壁内表面距离为y₂(mm)。由AVL657内燃机数据采集分析仪测量同一工况下流速V_y2(φ)信号，数据被保存入PC计算机中。

i.在同一实验工况下读取大气压力P₀、大气温度T₀、内燃机转速n。

j.在PC计算机中运行计算充气效率的固化软件。程序自动将存于PC机中的两点流速V_y1(φ)及V_y2(φ)数据、低压波P(φ)数据、管内温度数据T_p、大气压力P₀数据、大气温度T₀数据、单缸工作容积V_H数据、内燃机转速n和c等数据调入计算充气效率的公式中，计算得到多缸内燃机所做实验工况下的充气效率值。充气效率的计算公式如下：

上式中，η_v为充气效率；V_y1(_j)，V_y2(_j)分别为在该实验工况下，随内燃机曲轴转角变化的两测点的流速曲线，测量数据曲线如图2所示，图2中曲线1、2分别对应测点y₁处和测点y₂处的流速；p(_j)为在该实验工况下，随内燃机曲轴转角变化的低压波曲线，测量数据曲线如图3所示，图2～3中的横坐标标线：TDC为上止点位置，BDC为下止点位置，EO为进气门开启角位置，ED为进气门关闭角位置，HD为排气门关闭角位置；Δ为按内燃机曲轴转角计算步长，计算步长取Δ＝1deg.CA；n为内燃机转速，实验转速为2200r/min；P₀为大气压力，在该实验工况下为0.98kPa；T₀为大气温度，在该实验工况下为298K；T_p为测点处温度变化，该实验工况下为308K；V_H为单缸工作容积为92666.64mm³；A为被测进气歧管截面积，A＝πr₀ ²＝1074.665mm²；c为计算值， $c=\frac{0.816}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}},$ a＝y₁/y₂＝0.865，b＝y₂/r₀＝0.432，c＝0.437；j取1～240是指六缸CA6102内燃机的进气开闭角在240deg.CA内。

k.按上述测试过程得到以下4/4节气门开度7个转速工况下各缸充气效率，数据如表6所示。

                   表6节气门开度4/4各缸各转速充气效率

Claims (1)

1.一种测量多缸内燃机各缸充气效率的方法，是通过采集各气缸所对应进气歧管中的两测点流速、压力值经过下述计算公式建立的固化软件程序而获得各气缸的充气效率：

其中：η_v为充气效率

V_y1(_j)，V_y2(_j)分别为随内燃机曲轴转角变化的两测点的流速值，m/s

p(_j)为随内燃机曲轴转角变化的低压波值，kPa

Δ为按内燃机曲轴转角计算步长，deg.CA

n为内燃机转速，r/min

P₀为大气压力，kPa

T₀为大气温度，K

V_H为单缸工作容积，mm³

T_p为测点处温度变化，K

A为被测进气歧管截面积，A＝πr₀ ²，mm²

c为计算值， $c=\frac{0.816}{a^{\frac{1}{7}}+b^{\frac{1}{7}}},$ a＝y₁/r₀，b＝y₂/r₀

所述的歧管中的两测点位置按下式确定：

$y_i=\sqrt{\frac{{r_0}^2}{2}{t}_i+\frac{{r_0}^2}{2}}$

其中：i＝1，2

y₁，y₂分别为进气歧管从管壁算起沿半径方向两测点位置mm

r₀为被测进气歧管半径mm

t₁，t₂分别为切比雪夫系数，t₁＝0.577350，t₂＝-0.577350。

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