單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究

葉 昌， 張振東， 劉 鈺， 吳后平

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

進(jìn)氣量作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的參數(shù)，與噴油量共同為發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況提供最佳的燃油混合氣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能具有重要的影響［1－2］.與多缸發(fā)動(dòng)機(jī)相比，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程由于受到較小的進(jìn)氣穩(wěn)壓腔、脈沖式的進(jìn)氣過(guò)程等因素影響，導(dǎo)致每個(gè)工作循環(huán)中進(jìn)氣道內(nèi)的壓力波動(dòng)更為劇烈，很難精確對(duì)其進(jìn)行測(cè)量［3］.目前，國(guó)內(nèi)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略大多采用傳統(tǒng)的速度－開(kāi)度算法，這種方法利用節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，避免了進(jìn)氣壓力波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量造成的影響［4］.但這種方法的準(zhǔn)確度受到了發(fā)動(dòng)機(jī)制造公差、節(jié)氣門(mén)體老化磨損等因素的影響，測(cè)量誤差存在不可逆的偏移.此外，速度－開(kāi)度算法的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大量的參數(shù)標(biāo)定，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)過(guò)程繁瑣［5－6］.本文通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，利用速度－密度法建立進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真，對(duì)進(jìn)氣量的測(cè)量方法展開(kāi)研究.

1 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程分析

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖1所示.考慮到單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速高、循環(huán)時(shí)間短，且受到體積制約，設(shè)計(jì)過(guò)程中研發(fā)人員一般將節(jié)氣門(mén)體到進(jìn)氣門(mén)之間的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)得結(jié)構(gòu)緊湊.這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是減小了進(jìn)氣阻力，增加了進(jìn)氣量，同時(shí)也提高了響應(yīng)速度.但同時(shí)這種方法缺點(diǎn)也較明顯，短小的穩(wěn)壓腔造成了進(jìn)氣道內(nèi)氣體波動(dòng)劇烈，使得每循環(huán)進(jìn)氣量的測(cè)量難度增加.

圖1 進(jìn)氣道內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.1 Gas movement in the single－cylinder engine intake system

臺(tái)架實(shí)驗(yàn)選取某排量125ml的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，在轉(zhuǎn)速為3 000r／min和7 000r／min的條件下，對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力的波動(dòng)變化進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示，其中TP0，TP45和TP90分別表示節(jié)氣門(mén)處于0°，45°和90°.

圖2 3 000r／min進(jìn)氣壓力變化Fig.2 Intake pressure at 3 000r／min

圖3 7 000r／min進(jìn)氣壓力變化Fig.3 Intake pressure at 7 000r／min

可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力的波動(dòng)隨節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的變大而越來(lái)越劇烈.而在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度相同的情況下，由兩圖對(duì)比可以看出進(jìn)氣壓力的波動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的增大而越來(lái)越劇烈.這是由于在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小會(huì)增加進(jìn)氣阻力，同時(shí)減小了氣體壓力波反射疊加的效應(yīng)；而在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度大時(shí)，進(jìn)氣道達(dá)到最大流量，氣體壓力波反射作用也達(dá)到了最大，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣脈動(dòng)現(xiàn)象.在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)氣道內(nèi)氣體流速越快，產(chǎn)生的壓力波反射作用也就越大，進(jìn)氣脈動(dòng)現(xiàn)象越顯著.

2 進(jìn)氣系統(tǒng)建模分析

2.1 數(shù)學(xué)模型分析

速度－密度法是一種利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力來(lái)計(jì)算每循環(huán)進(jìn)氣量的方法，其測(cè)量原理如圖4所示（見(jiàn)下頁(yè)）.當(dāng)空氣通過(guò)節(jié)氣門(mén)體流入進(jìn)氣道內(nèi)，位于節(jié)氣門(mén)體后的壓力傳感器和溫度傳感器分別測(cè)量氣體的壓力值和溫度值.結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速并利用氣體方程，即可算出進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣體質(zhì)量［7－8］.計(jì)算表達(dá)式為

圖4 速度－密度法測(cè)量原理Fig.4 Principle of the speed－density measurement

再由理想氣體狀態(tài)方程可知，進(jìn)氣道內(nèi)氣體狀態(tài)可以表示為

節(jié)氣門(mén)處的氣體流動(dòng)狀態(tài)，可由空氣動(dòng)力學(xué)推導(dǎo).假設(shè)此處氣體流動(dòng)符合一維可壓縮流體，其方程通過(guò)漸縮噴管的等熵流動(dòng)，可表示為

式中，Ct為節(jié)氣門(mén)氣體通過(guò)率；D 為節(jié)氣門(mén)直徑；Pa為周?chē)髿鈮毫Γ唬?k／（k－1），k 為空氣比熱；Ta為周?chē)髿鉁囟葹榕月返目諝饬髁浚扇∧骋怀?shù).

式中，α0為氣門(mén)初始角；Pr＝Pm／Pa.

最后，整理以上4個(gè)方程式，得到單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

利用本文的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，將該單缸發(fā)動(dòng)機(jī)中各參數(shù)的值輸入到仿真模型，進(jìn)行數(shù)值仿真.

2.2 仿真模型建立

本文應(yīng)用Matlab／Simulink軟件搭建單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的仿真模型，該模型可以分為3個(gè)子模塊，分別為：節(jié)氣門(mén)體氣體流量子模型，進(jìn)氣門(mén)處氣體流量子模型和進(jìn)氣道內(nèi)部氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)子模型［9－10］.這3個(gè)子模型分別與上文推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)應(yīng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示.仿真時(shí)可以輸入不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的特性進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析.

圖5 進(jìn)氣系統(tǒng)模型框架Fig.5 Model framework of the intake system

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

選取某排量125ml的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，測(cè)試裝置選用南峰20kW 電渦流測(cè)功機(jī)和DEWETRON 公司的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).為了保證仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇節(jié)氣門(mén)板后的位置作為測(cè)量點(diǎn).采集固定轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的變化數(shù)值，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

實(shí)驗(yàn)中將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定至某一工況點(diǎn)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000r／min，調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)位置的開(kāi)度變化.測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷工況下進(jìn)氣道內(nèi)氣體壓力的變化情況，繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力變化實(shí)測(cè)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的對(duì)比如圖6～8所示.

圖6 小負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)比Fig.6 Comparative results of the intake pressure at low load

圖7 中等負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)比Fig.7 Comparative results of the intake pressure at the middle load

圖8 大負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣壓力對(duì)比Fig.8 Comparative results of the intake pressure at high load

從圖中的對(duì)比可以看出，進(jìn)氣系統(tǒng)仿真模型可以較好的反應(yīng)出單缸發(fā)動(dòng)機(jī)處于不同負(fù)荷條件下進(jìn)氣壓力的變化情況，僅在個(gè)別工況下實(shí)測(cè)值與仿真值發(fā)生了較大偏差.在負(fù)荷較小的工況下，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小，進(jìn)氣阻力很大，容易引起進(jìn)氣回流現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的實(shí)測(cè)值產(chǎn)生較大偏差，使實(shí)際進(jìn)氣壓力大于仿真結(jié)果.而在大負(fù)荷的工況下，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較大，容易引起壓力波疊加效應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的泵氣脈動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的差異較為明顯.

4 結(jié) 論

分析了單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在不同負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量的變化過(guò)程，運(yùn)用速度－密度法建立了進(jìn)氣系統(tǒng)的仿真模型，再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷狀態(tài)下的進(jìn)氣壓力，并與仿真值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：在中小負(fù)荷狀態(tài)下，基于速度－密度法的仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映單缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓力變化的過(guò)程；在大負(fù)荷狀態(tài)下，由于氣流速度快，氣體壓力波疊加等問(wèn)題的影響，基于速度－密度法的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值存在較大偏差，但依然具有較好的仿真精度，在一定程度上反應(yīng)了進(jìn)氣系統(tǒng)的變化.

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