根據排氣壓力波確定發動機排氣順序的研究

王希波，范艷輝，劉新磊，周長峰，李愛娟，慈勤蓬

(山東交通學院 汽車工程學院，山東 濟南 250357)

0 引言

柴油機排氣管內的壓力波動由間歇性的排氣過程引起。在一個循環內，排氣壓力波曲線上的大幅度波峰的數目與排氣管連接的氣缸數目一致，通常需要根據同步采集的上止點信號確定壓力波峰由哪個氣缸排氣引起[1-4]。在條件所限無法采集上止點信號時，可根據壓力波分布形態判斷發火順序[5]。傳感器的安裝位置、發動機發火順序和排氣管形式對壓力波曲線的形態有很大影響，需要根據具體機型，確定發火順序辨識方法。

本文中結合仿真分析與測試結果，僅根據排氣壓力波曲線，確定4缸柴油機的排氣順序和壓力波峰來源。為發動機故障診斷或排氣壓力波分析提供一個確定壓力波來源的方法。

1 排氣順序識別方法

柴油機排氣壓力波的測試位置隨測試目的不同而不同[6-8]。在測試從排氣口到排氣總管出口的壓力波動傳遞規律時，需要分別測量各排氣歧管的壓力波和排氣總管出口的壓力波。在測量排氣歧管壓力波動時，壓力傳感器可采用靜壓測量方式，瞬態壓力傳感器經由盤管連接到排氣歧管上，如圖1所示。傳感器所在氣缸排氣速度最大時，排氣歧管內出現壓力波峰，此時總壓和靜壓的差別最大；其他氣缸排氣時，依據傳感器所連排氣歧管與總管的連接方式，所測壓力介于發火氣缸排氣歧管的靜壓和總壓之間。

4缸柴油機排氣管如圖2所示。1缸排氣時，在1缸排氣歧管的測點上，測得靜壓；在3缸和4缸的排氣歧管的測點上，測得的是排氣總管出口處的總壓；根據三通流動的特點，由于引射作用，在2缸排氣歧管上測的壓力大小介于2缸排氣歧管與總管交匯處的靜壓和總壓之間。在第2缸排氣時，2缸排氣歧管上測得靜壓，1、3、4各缸排氣歧管上的測點均測得相應位置的總壓。

圖1 傳感器安裝示意 圖2 排氣管結構示意

對于圖2所示的排氣管，各缸排氣歧管所采集到的壓力波峰的總壓差別主要是沿程損失和局部損失造成的。由于4缸機排氣管總體長度較短，從排氣管進口到排氣管出口所經歷的三通結構較少，排氣管中總壓降低幅度較小，可采用總壓與靜壓幅值的差別進行排氣脈沖順序的識別。在各缸排氣歧管上所測得壓力波曲線上，一個循環內，幅度最低的壓力波峰是測點所在氣缸排氣造成的；再根據發動機的發火順序，可確定排氣壓力波曲線上每個壓力波峰來自于哪個氣缸排氣。

2 仿真結果分析

仿真計算方法是研究排氣壓力波動的重要方法[9-12]。為了驗證上述脈沖順序識別方法的有效性，建立一個4缸柴油機的仿真模型，觀察柴油機排氣歧管中總壓與靜壓之間是否有足夠的差別，以識別柴油機排氣順序。仿真模型的發火順序是1—3—4—2，排氣管出口位于第2缸和第3缸之間，排氣管連接渦輪入口。

柴油機轉速為1200 r/min、全負荷工況計算得到的總壓與靜壓如圖3所示。

a) 第1缸歧管 b) 第2缸歧管圖3 第1缸和第2缸排氣歧管壓力波

圖3a)是一個循環內第1缸排氣歧管的靜壓和總壓。可見，第1缸排氣所產生的靜壓最低，其余三缸排氣時產生的靜壓較高。從總壓與靜壓的差別來看，第1缸排氣時總壓與靜壓的差別最大，第1缸排氣歧管內所測的靜壓脈沖峰值最低，其余三缸排氣時第1缸排氣歧管內的靜壓與總壓的差別不明顯。

圖3b)是第2缸排氣歧管的靜壓和總壓。第2缸排氣時，第2缸排氣歧管內的總壓和靜壓差別明顯，管內所測得靜壓脈沖峰值最低，其余三缸排氣時，第2缸排氣歧管內的靜壓和總壓沒有明顯區別。

由于1、4兩缸排氣歧管和2、3兩缸排氣歧管均關于排氣管出口對稱，所以第1、2缸排氣管內的總壓與靜壓的關系分別與第4、3缸排氣歧管內的規律一致。在4缸柴油機的排氣循環內，任一氣缸的排氣歧管內會出現4個靜壓力脈沖，峰值最低的脈沖由該排氣歧管所在氣缸的排氣產生。

為進一步分析排氣管結構因素對總壓和靜壓關系的影響，也對6缸機進行建模和仿真分析，發火順序為1—5—3—6—2—4，發動機仿真模型的渦輪采用雙入口渦輪，排氣管出口置于第3、4缸之間，1、2、3缸共用1根排氣總管，4、5、6缸共用1根排氣總管。轉速為1800 r/min全負荷工況計算得到的排氣壓力波如圖4所示。氣缸排氣時產生的靜壓力脈沖幅值都低于同1根排氣管上其他缸在該缸歧管上所產生的靜壓脈沖幅值。除排氣氣缸外，其余氣缸在排氣歧管產生的總壓和靜壓一致，只有正在排氣的排氣歧管上，靜壓明顯低于總壓脈沖。結果顯示6缸機的各缸排氣歧管靜壓與總壓的關系與4缸機基本一致。

a) 第1缸歧管 b) 第2缸歧管 c) 第3缸歧管圖4 第1、2、3缸排氣歧管壓力波

計算結果表明，排氣歧管內所測靜壓脈沖數與其所在排氣總管所連的氣缸數一致；各缸排氣歧管所測的靜壓脈沖中，峰值幅度最低的一個脈沖是該排氣歧管所在氣缸排氣產生的，因此可由靜壓脈沖幅值來判斷排氣脈沖的順序。

3 試驗結果分析

在直列4缸柴油機上進行排氣壓力波的測試，柴油機的發火順序為1-2-4-3，在各缸的排氣歧管上布置測點，同步測量各缸排氣歧管的壓力波動。分別測試了1200、1400、1600、1800和2000 r/min的排氣壓力脈沖。1600 r/min時的排氣壓力脈沖如圖5所示。

從圖5a)中可見，第1缸歧管所測壓力脈沖曲線上，波峰壓力最低的脈沖是第4個壓力脈沖；2缸歧管所測量壓力脈沖上，波峰壓力最低的是第1個脈沖；4缸歧管所測量的壓力波上，波峰壓力最低的是第2個脈沖；3缸歧管所測量的最低脈沖是第3個脈沖；但第3缸歧管所測的第3個脈沖和第4個脈沖的壓力差別很小，只有整個壓力脈沖幅度的1.2%。最低壓力脈沖出現的順序為1—2—4—3，與柴油機的發火順序一致。

a)1、2缸歧管壓力波 b)3、4缸歧管壓力波圖5 1600 r/min時各缸排氣歧管壓力波

柴油機轉速為1400 r/min時的測試結果如圖6所示。1缸歧管所測的壓力波上，波峰壓力最低的是第4個脈沖；2缸歧管所測的壓力波上，波峰壓力最低的是第1個脈沖；4缸歧管所測的壓力脈沖上，波峰壓力最低的是第2個脈沖；3缸歧管所測的壓力波曲線上，波峰壓力最低的是第3個脈沖，但第3個脈沖與第4個脈沖的幅度差別非常小，是整個壓力波幅度的0.8%。

a)1、2缸歧管壓力波 b)3、4缸歧管壓力波圖6 1400 r/min時各缸排氣歧管壓力波

對轉速為1200、1800、2000 r/min的試驗數據進行分析，所有氣缸排氣歧管所測的最低壓力波幅度的脈沖順序，滿足1—2—4—3的發火順序，但第3缸排氣歧管上所測得靜壓脈沖，存在兩個靜壓幅度相接近的情況。

綜合分析，采用排氣歧管壓力波曲線來識別發火順序時，選擇第幾缸做為測點十分關鍵。對于靠近排氣管出口的第2、3缸排氣歧管，由于容易存在多個低幅度的壓力波幅度相近的情況，難以采用最低壓力波幅度作為發火順序的判據。遠離排氣管出口的第1、4缸，存在一個單一的壓力波幅度較低的脈沖，以其作為排氣順序是可行的。

4 結論

1)仿真結果表明，4缸和直列6缸柴油機的排氣歧管內的總壓和靜壓有明顯區別，氣缸排氣時排氣歧管內的靜壓波峰低于其他缸排氣時在該缸產生的靜壓波峰。

2)仿真和試驗結果分析表明，應用靜壓力波的脈沖辨識方法，能夠辨識出排氣管出口中置的4缸柴油機的排氣脈沖順序。

3)采用單個傳感器測試排氣管內的壓力波動，在1、4兩缸所測量的排氣靜壓脈沖，可判斷出排氣壓力波的順序，2、3缸所測結果存在引起誤判的風險。