汽油發(fā)動機瞬態(tài)工況燃燒規(guī)律的試驗研究

馬　　璽　　劉義佳　　袁軍亮　　胡　　曉　　關(guān)　　松　　鮑春來（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

汽油發(fā)動機瞬態(tài)工況燃燒規(guī)律的試驗研究

馬璽1，2劉義佳1，2袁軍亮1，2胡曉1，2關(guān)松1，2鮑春來1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：對于車用發(fā)動機而言，其運行工況具有穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)之分，且變化規(guī)律大不相同。一般而言，瞬態(tài)工況分為轉(zhuǎn)速和扭矩均隨時間變化、定轉(zhuǎn)速變扭矩工況、定扭矩變轉(zhuǎn)速工況、起動工況、停機工況，其中定轉(zhuǎn)速變扭矩與定扭矩變轉(zhuǎn)速工況具有一定的代表性。通過試驗研究分析汽油發(fā)動機在定轉(zhuǎn)速變扭矩工況下各燃燒參數(shù)的變化情況，從而進一步揭示其燃燒規(guī)律，為優(yōu)化發(fā)動機的瞬態(tài)性能提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽油機瞬態(tài)工況燃燒性能

引言

對于車用發(fā)動機而言，在實際的使用過程中，其工況變化十分復(fù)雜，大多數(shù)時間處于瞬態(tài)工況。一般而言，瞬態(tài)工況分為轉(zhuǎn)速和扭矩均隨時間變化、定轉(zhuǎn)速變扭矩工況、定扭矩變轉(zhuǎn)速工況、起動工況、停機工況。其中定轉(zhuǎn)速變扭矩工況和定扭矩變轉(zhuǎn)速工況具有一定的代表性。一定程度上，瞬態(tài)工況可以看成許多個定轉(zhuǎn)速變扭矩工況和定扭矩變轉(zhuǎn)速工況的組合。故本文將僅分析研究定轉(zhuǎn)速變扭矩此瞬態(tài)工況。

瞬態(tài)工況下發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性等參數(shù)均偏離穩(wěn)態(tài)工況，且污染物排放量高于穩(wěn)態(tài)工況。目前對于瞬態(tài)工況的研究多集中于排放特性，對于污染物產(chǎn)生的根源——燃燒特性研究很少，不能揭示其在瞬態(tài)工況的變化規(guī)律。故本文將從燃燒參數(shù)的角度對汽油發(fā)動機定轉(zhuǎn)速變扭矩工況下燃燒規(guī)律進行試驗研究。

1　試驗研究

試驗發(fā)動機為1.8 L增壓汽油機，燃油供給為氣道噴射與缸內(nèi)直噴相結(jié)合，氣道噴射噴油器安裝于進氣歧管，缸內(nèi)直噴噴油器安裝于缸蓋。采用AVL電力測功機、AVL735油耗儀、AVL753C燃油恒溫儀、AVL620燃燒分析儀、火花塞式缸壓傳感器，在發(fā)動機動態(tài)試驗臺進行相關(guān)試驗，揭示并分析瞬態(tài)工況（本文僅指定轉(zhuǎn)速變扭矩工況）下汽油發(fā)動機的燃燒規(guī)律。試驗過程中，拆除各缸火花塞安裝火花塞式缸壓傳感器，與燃燒分析儀相連，采集發(fā)動機缸內(nèi)燃燒數(shù)據(jù)。試驗發(fā)動機相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1　2000 r/m in、油門開度變化時間為5 s升負荷過程（圖中箭頭代表坐標軸指向）

表1　試驗發(fā)動機參數(shù)

1.1試驗方案

對于定轉(zhuǎn)速變扭矩工況，轉(zhuǎn)速分別選取1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min，通過控制油門踏板開度實現(xiàn)扭矩從空載線性變化至外特性，油門踏板開度變化時間為5 s。試驗工況點如表2所示。

表2 試驗工況點

圖2　1000 r/min，5 s增負荷過程燃燒參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化情況（PMAX為右側(cè)坐標軸）

1.2燃燒參數(shù)隨負荷的變化

圖1為2000 r/min、5 s增扭矩過程油門踏板開度與扭矩的變化情況。

可以看出，油門踏板開度變化具有良好的線性度，從空載情況下對應(yīng)的油門踏板開度線性變化至100%開度；扭矩隨著油門開度的增加而增加，扭矩變化率大于油門踏板開度變化率，且具有一定的線性度。

圖2、3、4、5分別為1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min工況點5 s增負荷過程各燃燒參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化情況。

由上述四圖可以看出，IMEP、PMAX隨著循環(huán)數(shù)的增加而增加，兩者具有相似的變化率，且變化過程較平順；燃燒持續(xù)期隨著循環(huán)數(shù)的增加變化不大；APMAX與AI50具有相似的變化情況，在負荷開始變化的前幾個循環(huán)（1000 r/min中第12~16循環(huán)、2000 r/min中第25~38循環(huán)、3000 r/min第35~50循環(huán)），兩者隨著循環(huán)數(shù)的增加而減小，之后，隨著循環(huán)數(shù)的增加而增加；隨著轉(zhuǎn)速的增加，各燃燒參數(shù)變化所需要的循環(huán)數(shù)增加，且在低轉(zhuǎn)速（1000 r/min、2000 r/min）各燃燒參數(shù)波動較大。

圖3　2000 r/min，5 s增負荷過程燃燒參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化情況（PMAX為右側(cè)坐標軸）

圖4　3000 r/min，5 s增負荷過程燃燒參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化情況（燃燒持續(xù)期、PMAX為右側(cè)坐標軸）

圖5　4000 r/min，5 s增負荷工況燃燒參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化情況（PMAX為右側(cè)坐標軸）

隨循環(huán)數(shù)的增加，最大爆發(fā)壓力增加，缸內(nèi)混合氣的做功能力增加，可以將更多的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為有用功；AI50與最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨著循環(huán)數(shù)的增加而增加，在一定程度上說明燃燒放熱靠后。這是因為隨著油門開度增加，進氣量增大，每循環(huán)供油量增大，且點火角度滯后所致。對于瞬態(tài)工況而言，發(fā)動機內(nèi)的熱平衡被打破，下一循環(huán)或者下幾個循環(huán)會延續(xù)上一循環(huán)或上幾個循環(huán)的低溫環(huán)境。這種溫度上的遲滯導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣的初始壓縮溫度及壓力較低，燃燒速度較低，隨著循環(huán)數(shù)的增加，發(fā)動機溫度上升，壓縮初始溫度壓力升高，燃燒速度增加，故燃燒速度的變化與循環(huán)供油量具有相似的變化規(guī)律。這種相同的變化趨勢導(dǎo)致燃燒持續(xù)期隨著循環(huán)數(shù)的變化不大。

在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速工況下，變工況過程所需要的循環(huán)數(shù)較少，雖然增負荷絕對時間相同，但增負荷過程相對循環(huán)數(shù)的變化率增大，在一定程度上導(dǎo)致燃燒參數(shù)的波動較大。

圖7　2000 r/min，5 s增負荷第70循環(huán)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況缸壓曲線對比

2　瞬態(tài)工況與穩(wěn)態(tài)工況燃燒參數(shù)對比

選取2000 r/min，5 s增負荷過程中的第40循環(huán)和第70循環(huán)工況與相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況（本文中定義與瞬態(tài)工況具有相同轉(zhuǎn)速及IMEP工況為其對應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況）相對比，分析穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況的區(qū)別。如圖6、7與表3、4所示。

由圖6、7及表3、4可知，瞬態(tài)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況相比，最大爆發(fā)壓力更大，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的角度更加靠前，燃燒持續(xù)期更短。

圖6　2000 r/min，5 s增負荷第40循環(huán)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況缸壓曲線對比

表3　2000 r/min，5 s增負荷第40循環(huán)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況燃燒參數(shù)對比

表4　2000 r/min，5 s增負荷第70循環(huán)工況與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況燃燒參數(shù)對比

3　結(jié)論

1）對于定轉(zhuǎn)速增扭矩此瞬態(tài)過程而言，IMEP、PMAX、AI50、APMAX隨著負荷的增加而增加，而燃燒持續(xù)期變化不大，這主要是因為瞬態(tài)過程中發(fā)動機熱平衡被破壞，缸內(nèi)及發(fā)動機溫度存在遲滯所致。

2）在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速工況，各燃燒參數(shù)波動較大，這主要是因為增負荷過程相對循環(huán)數(shù)的變化率較大。

3）定轉(zhuǎn)速增扭矩過程中某一循環(huán)與相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況相比，最大爆發(fā)壓力更大，最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的角度更小，燃燒持續(xù)期更短，AI50更小，放熱相對更早。

參考文獻

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中圖分類號：TK411+.26

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0017-05

收稿日期：（2015-05-25）

作者簡介：馬璽（1990-），男，學士，助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機試驗技術(shù)。

Experimental Study on Combustion in Cylinder about Gasoline Engine under TransientOperating Conditions

Ma Xi1,2,Liu Yijia1,2,Yuan Junliang1,2,Hu Xiao1,2,Guan Song1,2,Bao Chunlai1,2
1-Technique CenterofGreatWallMotor Company Ltd.(Baoding,Hebei,071000,China)
2-Research Centerof Auto Technology Engineering ofHebei Provence

Abstract：For automotive engine,the working conditions include steady condition and transientcondition, and they are different.In general,the transient condition is divided into speed and torque changed over time,the working condition of constant speed and varying torque,constant torque and varying speed condition,working condition of starting,stopping conditions.The working condition of constant speed and varying torque,constant torque and varying speed condition have certain representativeness.Through the experimental study on the change of the combustion parameters of gasoline engine under constant speed varying torque conditions,the burning law is further revealed.This provides theoretical basis for optimization of theengine's transientperformance.

Keywords：Gasolineengine,Port fuel injection,Direct injection,Combustion,Performance