CN1821739A - 一种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，是通过采集各气缸压力和所对应进气歧管中的压力及温度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，见上式，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

一种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，具体涉及一种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，是通过采集各气缸压力和所对应进气歧管中的进气压力与温度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

  p_c(_i)为随内燃机曲轴转角变化的气缸内压力值，MPa

  p_p(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气压力值，kPa

  μ(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气门流量系数，无量纲

  A₀(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气门处几何流通面积值，mm²

  A_ρ    为进气压力测点处进气歧管截面积值，mm²

  k      比热比，k＝1.35

  R      布朗克气体常数，R＝6.626176×10^-34Js

  Δφ   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     为进气压力测点处温度变化，K

  m      为积分点数，

Δ为积分步长，₁为进气门开启相对应的曲轴转角，₂为进气门关闭相对应的曲轴转角。

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，通过进气压力波、进气温度和气缸内压力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进气压力、温度和气缸压力信号。测量时不管是进气压力还是气缸压力信号均取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。拖动时的内燃机冷却水温，油温控制在规定范围。

以下说明进气歧管内简化计算模型的确定，进气充量和充气效率的计算方法。

①简化模型

空气由进气歧管经过气门流入气缸的流动可简化为一个流经喉口的流动，如图1所示。进气管气门口处的参数、气门流通截面或喉口处的参数、气缸内的参数分别注以下标p、t、c。

简化模型采用以下假定：

1)流经气门的气体为理想气体；

2)气体由进气歧管至气门或喉口的流动为等熵过程；

3)进气歧管某截面上的气体参数均一；

4)喉口截面上的参数均一，且等于缸内参数。

②单缸进气充量

根据以上假定，可由连续方法、能量方程、等熵关系式推出由进气歧管进入气缸的充量。

连续方程：A_p·ρ_p·u_p＝A_t·ρ_t·u_t                (1)

能量方程： $\frac{k}{k-1}\frac{p_p}{{\mathrm{\ρ}}_p}+\frac{1}{2}{u}_p^2=\frac{k}{k-1}\frac{p_t}{{\mathrm{\ρ}}_t}+\frac{1}{2}{u}_t^2---\left(2\right)$

式中：A_p 为进气歧管流通截面积，mm²

      A_t 为进气门处的环形有效流通截面积，mm²

      ρ_p为进气歧管处气体密度，kg/m³

      ρ_t为进气门处气体密度，kg/m³

      u_p 为进气歧管气体流速，m/s

      u_t 为进气门处气体流速，m/s

      p_p 为进气歧管气体压力，MPa

      p_t 为进气门处气体压力，MPa

      k  为比热比，无量纲

若气门处的几何流通面积用A₀表示，则A_t＝μA₀，μ为流量系数。式(1)可写成：

            A_p·ρ_p·u_p＝μA₀·ρ_t·u_t                  (3)考虑到ρ_t＝ρ_c，p_t＝p_c，以及等熵关系式 $\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{{\mathrm{\ρ}}_p}={\left(\frac{p_t}{p_p}\right)}^{\frac{1}{k}},$ 由(2)、(3)式得到气体经喉口的流速u_t：

$u_t=\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}^2{\left(\frac{A_0}{A_p}\right)}^2{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{2/k}}}\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\frac{p_p}{{\mathrm{\ρ}}_c}[{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{\frac{1}{k}}-\left(\frac{p_c}{p_p}\right)]}---\left(4\right)$

由进气歧管经气门流入气缸的流量为：

$\frac{d{G}_L}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\μ}{A}_0\·{\mathrm{\ρ}}_t\·u_t$

将(4)式代入上式，并以ρ_c代替ρ_t，有：

$\frac{d{G}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\μ}{A}_0\·p_p}{\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}^2{\left(\frac{A_0}{A_p}\right)}^2{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{2/k}}}\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}\frac{2}{R{T}_p}[{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}---\left(5\right)$

利用曲轴转角与时间t的关系d＝6ndt，n为内燃机转速。(5)式转换成以下形式：

$\frac{d{G}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\μ}{A}_0}{6n}\·\frac{p_p}{\sqrt{R{T}_p}}\·\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}^2{\left(\frac{A_0}{A_p}\right)}^2{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{2/k}}}\·\sqrt{\frac{2k}{k-1}[{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{2/k}-{\left(\frac{p_c}{p_p}\right)}^{\frac{k+1}{k}}]}---\left(6\right)$

在进气过程相应的曲轴转角内积分上式，可得单缸实际进气量：

在进气门开启角₁和关闭角₂范围内，缸内压力小于进气歧管内压力，即p_c/p_p＜1。式(7)中的参数p_p、p_c是曲轴转角的函数，μ及A₀是气门升程的函数，因而也是曲轴转角的函数，T_p在进气过程中假定基本不变等于进气歧管内气体的平均温度。将(7)式写成计算机便于计算的形式：

式中，Δ为积分步长；m为积分点数，

_i为计算点i相对应的曲轴转角。

③充气效率

单缸理论充气量 $G_0=\frac{p_0{V}_h}{R{T}_0},$ p₀、T₀为大气压力及大气温度，V_h为单缸容积。充气效率可用下式表达：

由(8)、(9)式可知，若已知p₀、T₀、V_h、A_p等常值参数以及μ()、A₀()，再测出了T_p和p_c、p_p随曲轴转角的变化规律，便可由(8)、(9)式计算出单缸充气量G_L及充气效率η_v。

对于典型的进气门结构，其几何流通面积A₀()常表示为气门升程h的函数：

式中各符号的意义如图2所示。可根据进气门升程与曲轴转角的关系曲线，将A₀(h)转换为曲轴转角的函数A₀()，为已知量。进气门流量系数μ(h)可用稳流气道试验台测出，在计算前用同样的方法将μ(h)转换为μ()，为已知量。

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，具体见表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3/4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

从各表中可看出，利用实测进气压力、温度和气缸压力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_v与相应工况下各缸充气效率的平均值η_vm的对比，列于表5。

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

式中：n为发动机转速，r/min

      i为气缸总数

      G为进气总量，m³/h

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

式中：η_vK为第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	0.75079	0.82074	0.87663	0.9069	0.92132	0.93669	0.92591	0.91365
									3/4		ηv	0.77859	0.85706	0.90126	0.9008	0.8954	0.90001	0.90011	0.9036
ηvm	0.74037	0.80057	0.85847	0.8884	0.89784	0.9004	0.9186	0.91904
										2/4	ηv	0.6293	0.70369	0.76677	0.80672	0.81234	0.836	0.8753	0.86996
ηvm	0.64046	0.70663	0.75842	0.80988	0.81967	0.85517	0.86258	0.88288
									1/4		ηv	0.27692	0.31724	0.37885	0.44018	0.52	0.5473	0.59966	0.73156
ηvm	0.26986	0.30076	0.33484	0.41319	0.49427	0.5438	0.60834	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为简化模型示意图；

图2为气门结构图；图3为本发明方法测试系统框图；

图4为测量点处气缸压力、进气压力和大气压力曲线图。

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3，本发明方法测试系统框图，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；测量进气压力和气缸压力用同一型号两个AVL12QP250ca石英压电压力传感器分别与AVL657内燃机数据采集分析系统8信号连接；测量进气温度传感器输出与AVL657内燃机数据采集分析系统8输入信号连接；将AVL657内燃机数据采集分析仪8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AVL657内燃机数据采集分析仪相应输入通道，使得AVL657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8同时测出进气歧管内压力和温度信号、气缸压力信号。在PC计算机9上运行固化软件调用测量数据并进行充气效率计算，由打印机10和绘图仪11进行数据及曲线输出。

(2)测试过程及结果

a.确定安装进气歧管内压力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度位置分别打两个可安装以上两种不同传感器尺寸的安装孔。

b.安装AVL12QP250ca进气压力传感器于相应安装孔处。进气压力传感器之测压表面与管壁内表面平齐。进气压力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.安装温度传感器于相应安装孔处。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。

d.安装AVL12QP250ca气缸压力传感器于要求测量充气效率的气缸所在火花塞位置处。

e.用AVL PUMA3内燃机自动化实验台和AVL-ELEN APA 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。

f.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内燃机该实验工况下随内燃机曲轴转角φ变化的气缸压力p_c()信号、进气压力p_p(_i)信号和进气温度T_p。AVL657内燃机数据采集分析仪采集气缸压力、进气压力信号和进气温度信号时，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。

g.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。

h.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机中的气缸压力p_c()数据、进气压力p_p()数据、进气管内温度数据T_n、进气门几何流通面积A₀()和进气门流量系数μ()；大气压力p₀数据、大气温度T₀数据、布朗克气体常数R；计算步长Δ；比热比k；单缸工作容积V_h数据和内燃机转速n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；p_c()，p_p()分别为在该实验工况下，随内燃机曲轴转角变化的气缸压力和进气压力，测量数据曲线如图4所示，图4中曲线1、2、3分别对应气缸压力p_c()、进气压力p_p()和大气压力p₀，图4中的横坐标标线：TDC为上止点位置，BDC为下止点位置，IO为进气门开启角位置，IC为进气门关闭角位置，EC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955.6kPa；T₀为大气温度，在该实验工况下为298K；T_p为测点处温度值，该实验工况下为308K；V_h为单缸工作容积为92666.64mm³；R为布朗克气体常数，R＝6.626176×10^-34Js；k比热比，k＝1.35；i取1～240，即m＝240是指六缸CA6102内燃机的进气开闭角在240deg.CA内；A₀()和μ()为存入PC计算机中的已知数据。

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，是通过采集各气缸压力和所对应进气歧管中的压力及温度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

p_c(_i)为随内燃机曲轴转角变化的气缸内压力值，MPa

p_p(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气压力值，kPa

μ(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气门流量系数，无量纲

A₀(_i)为随内燃机曲轴转角变化的进气门处几何流通面积值，mm²

A_p为进气压力测点处进气歧管截面积值，mm²

k比热比，k＝1.35，无量纲

R布朗克气体常数，R＝6.626176×10^-34Js

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为进气压力测点处温度值，K

m为积分点数， Δ_为积分步长，₁为进气门开启相对应的曲轴转角，₂为进气门关闭相对应的曲轴转角。

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