基于缸內壓力重構的船舶柴油機燃燒起終點識別

吳剛 江國和 樓海軍 賀獻忠 楊智遠

摘要：為對船舶柴油機缸內燃燒過程進行快速診斷，提出一種船舶柴油機燃燒起終點識別的新方法。該方法通過構建韋伯燃燒模型模擬缸內壓力曲線，然后建立缸內燃燒和散熱模型。根據計算出的燃燒放熱率、缸內溫度和缸內壓力升高率，分析其燃燒起點，并通過缸內壓力變異分析研究燃燒終點。結果表明：與實測壓力相比，用韋伯燃燒模型得到的壓力在燃燒相和膨脹相上呈現出較好的相似性，可替代實測壓力對其波動進行修正，且計算時間短。船舶柴油機瞬時燃燒放熱率、缸內溫度、缸內壓力升高率均能提供燃燒起點特征信息;在燃燒終點缸內壓力變異系數有突變現象;瞬時傳熱對燃燒起點無直接影響。兩種傳熱模型均表明船舶柴油機樣機缸內燃燒的速燃期和緩燃期均由兩個階段組成。

關鍵詞：內燃機; 特征識別; 放熱率; 燃燒模型; 散熱模型; 壓力變異

中圖分類號： ?U664.121

文獻標志碼： ?A

Abstract：To diagnose the in-cylinder combustion process of a marine diesel engine rapidly， a new method for identifying the combustion start and end of the marine diesel engine is proposed. In this method， Weber combustion model is constructed to simulate the in-cylinder pressure curve， and the in-cylinder combustion and heat dissipation models are established. According to the calculated combustion heat release rate， in-cylinder temperature and in-cylinder pressure increase rate， the combustion start is analyzed， and the combustion end is studied through the analysis on the in-cylinder pressure variation. The results show that： the pressure obtained by Weber combustion model is very similar to the measured pressure in the combustion phase and the expansion phase， and can replace the measured pressure to correct the fluctuation; the calculation time using the model is shorter. The instantaneous combustion heat release rate， the in-cylinder temperature and the increase rate of in-cylinder pressure show the characteristic information of combustion start; at the end of combustion， the coefficient of in-cylinder pressure variation has a sudden change; the instantaneous heat transfer has no direct effect on the combustion start. The two heat transfer models show that both the rapid combustion period and the slow combustion period of the in-cylinder combustion of the marine diesel engine prototype are composed of two stages.

Key words：internal combustion engine; characteristic identification; heat release rate; combustion model; heat dissipation model; pressure variation

0 引 言

不同于點火式內燃機，船舶壓燃式內燃機在燃燒時并無明確起點。受燃油物理特性和缸內環境等多因素影響，燃燒起終點常常變化且燃燒特性不易評估。一方面，缸內的燃燒過程極短且發生在缸內不易觀察;另一方面，燃燒的起點和終點會影響缸內燃燒過程，不正確的燃燒正時往往會產生異常壓力和燃燒敲擊，進而引起缸內燃燒不良，燒傷活塞頂，損壞發動機部件等：因此，找到一種有效的監測方法對船舶柴油機燃燒的起終點識別將十分有益。

目前，可利用振動信號變換方法對機械狀態進行檢測，但基于時頻域的內燃機故障診斷方法有一定的不穩定性，這是因為氣缸蓋的振動響應來自燃油在缸內迅速燃燒膨脹所導致的壓力變化，即受燃燒過程的影響，而燃燒過程本身持續時間短，又是一個包含物理、化學、流動、傳熱、傳質的復雜過程，同時也受外界條件（如燃油供油規律、燃油霧化情況、缸內空氣運動等因素）的影響。因此，即使柴油機轉速、功率保持穩定，每一個工作循環的缸內壓力變化過程也存在著一定的隨機性。

利用缸內壓力來評估燃燒過程可得到更接近真實的燃燒信息，再經過變換可實現柴油機故障自診，并得到更準確的預測結果，例如：文獻[1]做了基于缸內壓力控制的熱力學研究，在一個點火式內燃機上利用缸內壓力估算空燃比來進行失火檢測預測;文獻[2]通過引入EGR率，考慮了部分壓力損失，在一定程度上修正了Powell對空燃比評估不足的影響;文獻[3]重點考慮了摩擦、平均有效壓力和燃油霧化的影響，模擬發動機燃用生物柴油的燃燒過程，并在0%、50%和100%負載條件下進行試驗，通過對氣相色譜-質譜結果的分析，標定了排氣中碳、氫、氧的含量。

國內學者在該領域也做了大量研究，如：文獻[4]利用了缸內壓力和曲軸瞬時轉速估計各缸指示轉矩，消除誤差結果，評估各缸平均指示轉矩狀態參數;文獻[5]根據高海拔工況下的柴油機燃燒特性試驗，利用零維模型和韋伯函數擬合了燃燒放熱規律，修正了高海拔工況下工質的成分和供油策略;文獻[6]提出了一種基于缸內壓力的雙燃料發動機燃燒評價方法，通過對缸內壓力標準差和變異系數的修正，發現了變異系數在燃燒過程中有一個明顯的跳躍現象，使得雙燃料發動機的燃燒過程能清晰顯示。

由于測壓通道測量的缸內壓力有滯后現象，文獻[7]提出了基于數字信號處理理論的數字濾波法對測量的缸內壓力進行預處理，設計了復合帶阻濾波，并將示功圖劃分為3個相加部分，在基本構形部分低頻分量被控制，在燃燒引起的壓力突升部分和通道效應造成的壓力振蕩部分中頻分量被控制;將通道引起的頻帶濾除，另外還附加一個高頻阻帶對量化誤差引起的噪聲進行衰減;依據測壓通道長短對頻域相位進行校正;采用逆濾波加選頻濾波或計算通道系統的平均傳遞函數進行研究：方法略為復雜。文獻[8]建立了測壓通道內氣體波動方程的封閉解，用于示功圖測壓通道的修正。

綜上，利用實測各分缸缸內壓力可構建韋伯燃燒模型，進一步通過燃燒放熱規律、缸內壓力變化和壓力數值變異來識別壓縮燃燒起點和終點，并考慮影響缸內散熱的因素。

1 模型描述

1.1 模型原理與假設

本文基于熱力學、多剛體動力學和一定的假設，模擬柴油機缸內燃燒過程，總方程包括能量守恒方程、質量守恒方程和理想氣體方程，具體模型包括缸內燃燒模型、散熱模型、體積變化率模型、活塞運動模型、工質組分模型和廢氣混合物模型等。

根據缸內燃燒實際過程，在零維模型的基礎上將缸內區域劃分為可燃區和未燃區，將氣體視為理想氣體，不考慮高壓氣體的超臨界變化。假設壓力在缸內均勻分布，噴入缸內燃油已全部汽化，且不考慮散熱過程中水蒸氣的潛熱變化。

1.2 缸內動力學模型

通過圖2發現：累計燃燒放熱率在上止點前某一角度迅速上升;從該時刻起，缸內溫度迅速升高，由此相信，累計燃燒放熱率和缸內溫度的迅速升高由燃油壓縮達到可燃條件所致，進而可判定該時刻為燃燒起點。該時刻前缸內溫度的升高由缸內體積被壓縮所致。

未完全燃燒的可燃氣體存在后燃的現象，因此無法有效表征著火結束時刻。缸內實時溫度逐漸下降由氣體膨脹體積增加所致。

3.2 利用壓力升高率特征識別燃燒起點

缸內壓力變化同樣可提供有效特征表征燃燒起點，如圖3為累計燃燒放熱率對缸內壓力升高率的影響。影響壓力升高率的因素較多。凸輪型線速率、柱塞直徑、高壓油管長度、高壓油管內徑、噴油器彈簧預緊力、噴孔流量系數、不同燃油的汽化吸熱等的改變都會致使壓力升高率發生變化。此外不同噴油時刻也會影響壓力升高率。這是因為若延后噴油時刻，則會使燃油壓力波傳播的時間增長，增加燃油在油管內的黏性阻力損失，使得噴油壓力下降，導致最大壓力升高率和最小壓力升高率隨高壓油管長度的增加而減小。隨著凸輪轉速的增加，噴油壓力也會明顯增加，并導致最大壓力升高率發生相應的變化。

由圖3可知：受缸內體積減小的影響，壓力升高率在燃燒開始前緩慢增加，在快接近上止點時，壓力升高放緩，曲線下降，直至燃燒開始壓力升高率才迅速增加;壓力升高率開始迅速增加時刻與累計燃燒放熱率迅速增加時刻為同一時刻，進一步驗證了燃燒起點;在活塞通過上止點后壓力升高率達到峰值，隨后逐漸下降，表現為燃燒氣體對活塞做正功，直至壓力升高率變為負值。

3.3 利用瞬時燃燒放熱率特征識別燃燒起點

由上述可知，無論是利用缸內溫度還是缸內壓力升高率都可對燃燒起點進行評估。利用瞬時燃燒放熱率特征可更精確地對燃燒相進行評估，見圖4。圖4表明，瞬時燃燒放熱率可提供豐富的燃燒相，在上止點前曲軸轉角約為1.6°時，瞬時燃燒放熱率迅速上升，特征明顯，且對速燃期有更為明顯的特征指示。結果與第3.1、3.2節得到的燃燒起點一致。

結合缸內壓力特征可進一步確立滯燃期、緩燃期和后燃期，進一步驗證燃燒過程對缸內溫度和壓力變化的影響機理。由于壓力波的微小波動變化，圖4并不能直接反映滯燃期，需要根據柴油機本身噴油時刻重新標定柴油機著火燃燒時的滯燃期著火角。

3.4 瞬時傳熱系數影響因素

標定噴油時刻后，重新標定瞬時燃燒放熱率，并考慮氣缸套散熱影響因素，采用Woschni傳熱系數和Sitkei傳熱系數進行對比研究，結果見圖5。

圖5表明，不論采用Woschni傳熱系數還是采用Sitkei傳熱系數，對燃燒起點的評估均無直接影響。

采用兩種傳熱系數得到的瞬時燃燒放熱率基本相似。通過分析發現，速燃期和緩燃期均可進一步分為兩個階段。可推測出：速燃期的兩個階段為火焰的傳播擴散階段和火焰碰壁反彈階段;緩燃期的兩個階段為氣缸容積增大帶來的溫度降低階段和氣缸容積增大后帶動的燃燒團空氣卷吸階段。

同時，相較于采用Sitkei傳熱系數，采用Woschni傳熱系數的結果顯示，在速燃期第二階段和緩燃期第一階段的瞬時燃燒放熱率較低，對試驗臺架機的評估較為保守，而采用Sitkei傳熱系數的結果更接近真實值。

3.5 燃燒終點特征識別

未完全燃燒燃料及其壁面附近未燃混合氣體在高溫環境下繼續裂解產生碳、氫等成分，雖然膨脹過程中溫度下降，但仍有部分化合放出熱量，在累計燃燒放熱率上的表現更為平穩，并沒有明顯的拐點。實際上，無論是對瞬時燃燒放熱率還是對累計燃燒放熱率的分析，都無法直觀得到像燃燒起點特征一樣的燃燒終點信息，因此需進行更多分析。

缸內壓力是匯集缸內所有現象后的對外表現結果，受缸內燃燒過程、缸內傳熱損失、缸內水霧蒸發等因素影響，因此考慮利用缸內壓力探索燃燒終點的特征。

通過對缸內壓力的數值變換，如式（3）和（4），可得到缸內壓力標準差和變異系數，見圖6。由于在每個采樣間隔內，無論是氣體壓力還是壓力標準差變化都是微小的，因而該系數的取得是在每個采樣間隔內進行的。即在每個采樣點上計算瞬時壓力與平均壓力的標準差，然后求得該瞬時角度下的變異系數。以0°曲軸轉角為例，缸內平均壓力為2.217 MPa，燃燒爆發壓力約為8.8 MPa，二者差值約為6.60 MPa，標準差為0.089 38 MPa，這時將標準差除以平均壓力后可得缸內氣體變異系數ξp約為4%左右。

由圖6可知，缸內壓力標準差和變異系數在上止點前后的同一轉角時刻各有兩個突變點，且缸內壓力變異系數比缸內壓力標準差有更明顯的突變。圖7為缸內壓力標準差、缸內壓力變異系數與累計燃燒放熱率三者對比圖。

分析圖7可知，缸內壓力標準差與缸內壓力變異系數的第二個起跳點接近累計燃燒放熱率末端。通過計算發現，該起跳點在曲軸轉角上稍提前于累計燃燒放熱率結束點，曲軸轉角的誤差為1.46°。第一個起跳點可能與混合氣體的混合過程有關。比較柴油機結構參數和工作過程發現，該奇點附近的關鍵柴油機動作為進氣閥關閉，柴油機進氣閥關閉角為上止點前32°，起跳點為上止點前27°，曲軸轉角的誤差為5°。當進氣閥關閉后，隨著活塞運動，缸內壓力上升迅速，缸內壓力變異系數從減小轉為增大，出現奇點。受閥的彈簧預緊力、閥的密封性和氣體壓力傳遞時間等共同影響，奇點可能存在一定的誤差。

5 結 論

與實測壓力相比，韋伯燃燒模擬結果在燃燒相和膨脹相上呈現出較好的相似性，可替代實測壓力曲線進行預測，修正實測壓力波動等問題，同時其計算時間短，這體現了熱力學模型的優勢。

壓縮燃油達到其可燃條件后，累計燃燒放熱率迅速升高，可評估該時刻為燃燒起點，同時引起缸內溫度的迅速升高。瞬時燃燒放熱率、壓力升高率也可用于燃燒起點的評估，可進一步驗證累計燃燒放熱率評估結果，且瞬時燃燒放熱率含更豐富的燃燒相信息。

瞬時傳熱對燃燒起點無直接影響。試驗臺架機缸內燃燒速燃期和緩燃期均可進一步分為兩個階段。缸內壓力標準差與缸內壓力變異系數的第二個起跳點接近累計燃燒放熱率末端，利于燃燒終點評估。

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（編輯 趙勉）