增壓直噴汽油機各缸燃燒不均勻性試驗研究

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(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶，401122；2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，湖南長沙，410082；3.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶，401122)

對多缸發(fā)動機而言，各缸工作參數不均勻性是評價其綜合性能的一個重要指標[1-3]。由于進、排氣壓力波動和進排氣系統(tǒng)結構不規(guī)則、過量空氣系數(λ)閉環(huán)控制只能反映各缸過量空氣系數的平均值以及各缸加工制造存在誤差的影響，多缸發(fā)動機各缸進氣量、氣流強度、油氣混合均勻度、缸內殘余廢氣系數(RGF)等參數不可避免地會出現差異性[4-6]，從而導致各缸燃燒、排放和熱力學性能出現不均勻性，最終影響多缸發(fā)動機的經濟性、排放性、振動噪聲和工作穩(wěn)定等多項性能。針對多缸發(fā)動機各缸工作性能的不均勻性，國內外研究者進行了大量研究工作[7-11]。樊新海等[12]對坦克柴油機排氣噪聲測試信號進行了時域特殊處理，建立了一種適用于實車不解體檢測的各缸工作不均勻性評價新方法。張國昌[13]測試了某直列燃氣發(fā)動機缸內壓力、瞬時轉速及同步信號，分析了各缸進氣不均勻性對發(fā)動機造成的影響，發(fā)現在小負荷時循環(huán)變動率較大，隨著負荷增加，循環(huán)變動率有所增大。杜巍等[14]測量了多缸柴油機瞬態(tài)壓力和瞬時轉速波動，分析了瞬時轉速波動和各缸燃燒不均勻性的相關性。EINEWALL等[15]研究了1臺6 缸天然氣發(fā)動機在13 點工況下各缸的不均勻性，發(fā)現各缸缸壓和排放的不均勻性較大，提出了將噴射器放置在增壓器之前降低各缸燃燒不均勻性的策略。PARK等[16]研究了穩(wěn)態(tài)工況下混合器類型對重型CNG發(fā)動機各缸燃燒不均勻性的影響，證實了混合器類型不影響CNG 發(fā)動機各缸燃燒不均勻性和燃燒穩(wěn)定性。雖然許多學者對發(fā)動機各缸工作過程不均勻性開展了大量研究，但其研究主要集中在各缸進氣和工作性能不均勻性方面，對各缸缸內燃燒過程不均勻性的研究較少，尤其在耦合換氣過程和缸內燃燒過程中開展各缸不均勻性的研究更少，此外，尚沒見對增壓直噴汽油機各缸燃燒不均勻性研究的報道。為此，本文作者基于AVL臺架測試設備，對1臺先進車用增壓直噴4缸汽油機進行試驗研究，對4個缸的進排氣過程和缸內工作過程進行檢測，在此基礎上探索各種工況下增壓直噴汽油機各缸燃燒不均勻性的變化規(guī)律及其影響因素，以便為改善多缸汽油機在各種工況下各缸燃燒不均勻性提供理論指導。

1 內燃機各缸燃燒不均勻性試驗

本文的研究對象為一款先進轎車用直列4 缸、進氣增壓、缸內直噴汽油機，也是目前主流的乘用車汽油機之一，其基本參數如表1所示。為了探索該增壓直噴汽油機各缸燃燒過程不均勻性的變化規(guī)律及其影響因素，針對該機進行外特性和部分負荷工況下的發(fā)動機臺架試驗，其中，主要測試儀器和設備的型號及精度如表2所示，發(fā)動機臺架試驗原理如圖1所示。

在發(fā)動機各缸的進排氣道靠近氣閥處安裝壓力傳感器，測試各種工況下發(fā)動機各缸的進排氣壓力等參數，為各缸燃燒過程參數的影響因素分析提供基礎數據。為了測試發(fā)動機各缸燃燒過程的不均勻性，在4個氣缸的缸蓋上各安裝1個瞬態(tài)缸壓傳感器，連續(xù)采集各種工況下4個缸的瞬態(tài)壓力，然后，將缸壓信號經電荷放大器處理后傳遞給AVL 燃燒分析儀，經燃燒分析儀處理得到各缸的燃燒過程參數。結合實測缸壓，可以根據發(fā)動機工作循環(huán)示意圖計算得到平均指示壓力(pIME)和泵氣平均有效壓力(pPME)等參數。

表1 試驗發(fā)動機的基本參數Table1 Basic parameters of tested engine

在整個工作循環(huán)(曲軸轉角為720°，其中，上止點曲軸轉角為0°)內，發(fā)動機的平均指示壓力(pIME)可以表示為

式中：p為缸內瞬時壓力；dV為工作容積變化值；Vh為氣缸有效工作容積。相應地，泵氣平均有效壓力(pPME)為

為方便對多缸發(fā)動機各缸性能不均勻性進行研究，引入1個評價各缸性能不均勻性的參數即相對偏差，對各參數在不同氣缸之間的不均勻程度進行評價和分析。在1 個工作循環(huán)中，某缸參數α相對于各缸平均值的偏差定義為[17]

圖1 發(fā)動機臺架試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of IC engine test

式中：εα,i為第i缸的參數α(例如進氣量)相對于各缸平均值的偏差(簡稱參數α的相對偏差)；αi為第i缸的參數α對應值；為各缸參數α的算術平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 外特性下各缸燃燒不均勻性分析

首先分析外特性下各缸燃燒過程的不均勻性。圖2(a)和圖2(b)所示分別為外特性下增壓直噴汽油機各缸pIME及其相對偏差隨轉速的變化。從圖2(a)和圖2(b)可見：即便是先進的缸內直噴發(fā)動機，其各缸pIME也存在明顯的不均勻性，在轉速為4 000 r/min時，pIME最大絕對偏差(最大值和最小值之差)達到1.8×105Pa，而各缸pIME相對偏差基本在6%以內；在絕大部分轉速范圍內(最高轉速除外)，第2和第4缸的pIME明顯比第1和第3缸的大；然而，在最高轉速區(qū)域(轉速大于5 000 r/min)，除第1 缸外，其他各缸的pIME基本一致，各缸pIME相對偏差較小。pIME一方面取決于缸內燃燒和熱功轉換過程，另一方面取決于換氣過程的pPME。圖3所示為外特性下各缸pPME隨轉速的變化，圖4和圖5所示分別為外特性下各缸進氣壓力、排氣壓力隨轉速的變化。從圖3可見：總體上，在外特性下除怠速和最高轉速外，各缸pPME的均勻性比較好；在怠速工況下，由于第4 缸的排氣壓力較大(圖5中虛線圓圈標記處)導致pPME較高；而在最高轉速下，由于第2缸的排氣壓力較大(圖5中實線圓圈標記處)，導致pPME較大；而在低轉速工況下(圖4中虛線圓圈標記處)，盡管第1 缸的進氣壓力明顯偏小，但該缸的pPME并沒有明顯比其他缸的大，因此，在外特性下各缸pPME的不均勻性主要由排氣壓力引起[18]。雖然在怠速和最高轉速下，各缸pPME不均勻性(絕對偏差)較大，但此時各缸pPME不均勻性的變化規(guī)律與各缸pIME不均勻性的變化規(guī)律相反，也就是說，各缸pPME的不均勻性緩解了各缸pIME的不均勻性。因此，外特性下各缸pIME不均勻的根本因素在于各缸燃燒過程的差異性。

表2 主要測試儀器和設備Table2 Main test instruments and equipment

圖2 各缸pIME及其相對偏差隨轉速變化Fig.2 pIME and its relative deviation of each cylinder with engine speed

圖3 各缸pPME隨轉速變化Fig.3 pPME of each cylinder with engine speed

圖6和圖7所示分別為增壓直噴汽油機各缸最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率隨轉速的變化。從圖6和圖7可見：總體上，各缸最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率的變化規(guī)律基本相似，例如，除最高轉速外(圖6和圖7中實線圓圈標記區(qū)域)，第2和第4缸的最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率都明顯比其他2 缸的高，這也與pIME的變化規(guī)律一致，表明缸內燃燒過程是導致各缸pIME不均勻的主要因素。外特性下最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率的各缸不均勻性較大，前者各缸最大絕對偏差達到8.1×105Pa，后者各缸最大絕對偏差達到1.22×105Pa/(o)。此外，第2 和 第4 缸在4 000 r/min 和5 000 r/min時最大缸壓升高率均超過5×105Pa/(o)，表明這2缸出現爆震趨勢的可能性更大[19]。因此，通過對各缸最大缸壓升高率不均勻性進行分析，可以評判各缸的爆震情況[20]。

圖5 各缸排氣壓力隨轉速變化Fig.5 Exhaust pressure of each cylinder with engine speed

圖6 各缸最高爆發(fā)壓力隨轉速變化Fig.6 The maximum combustion pressure of each cylinder with engine speed

圖8和圖9所示分別為外特性下增壓直噴汽油機各缸10%～90%燃燒持續(xù)期和50%燃燒點位置隨轉速的變化。從圖8和圖9可見：總體上，雖然在外特性下各缸10%～90%燃燒持續(xù)期存在明顯不均勻性，但其變化規(guī)律并不明顯(各缸偏差隨轉速交替變化)。現有大量研究表明，50%燃燒點位置是缸內熱功轉換效率的重要影響因素[21]。從圖9可以看到：在1 500 r/min時，第1缸的50%燃燒點位置嚴重推后，由此導致缸內燃燒過程大部分在膨脹行程完成，燃燒持續(xù)期變長，最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率下降，最終導致pIME下降(見圖2)；此外，在5 200 r/min時，由于第3和第4缸的50%燃燒點位置離上止點更近(圖9中實線圓圈所示)，導致這2缸的最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率明顯比其他2 缸的高，這也正是這2 缸pIME較大的重要原因。

圖7 各缸最大缸壓升高率隨轉速變化Fig.7 The maximum pressure rise rate of each cylinder with engine speed

圖8 各缸10%～90%燃燒持續(xù)期隨轉速變化Fig.8 10%-90%combustion duration of each cylinder with engine speed

圖9 各缸50%燃燒點位置隨轉速變化Fig.9 50%combustion position of each cylinder with engine speed

由于各缸的進氣溫度基本相同，因此，各缸進氣量基本由各缸進氣壓力決定。在低轉速工況下(圖4中虛線圓圈標記處)，盡管第1 缸的進氣壓力明顯比其他各缸的低(導致第1 缸混合氣偏濃)，但第1 缸的燃燒速率反而較慢，這也說明進氣量(或進氣壓力)對各缸燃燒過程的不均勻性影響并不是很大，而缸內氣流組織起著更重要的作用。

2.2 部分負荷下各缸燃燒不均勻性分析

乘用車汽油機常用工作轉速為2 000 r/min，因此，針對該轉速下的試驗結果進行分析。圖10(a)所示為2 000 r/min下增壓直噴汽油機各缸pIME隨負荷的變化。從圖10(a)可見：在中低負荷下，各缸pIME基本一致，其絕對偏差不明顯；隨著負荷增加，各缸pIME的絕對偏差逐漸增大，第2 和第4 缸的pIME明顯比第1 和第3 缸的大，最大絕對偏差達到1×105Pa。圖10(b)所示為各缸pIME相對偏差。從圖10(b)可以看到，部分負荷下增壓直噴汽油機各缸pIME相對偏差的峰值出現在低負荷工況。這是因為在低負荷下該汽油機pIME的絕對值較小，因此，很小的pIME絕對偏差都會引起較大的相差偏差。在小負荷時pIME的最大相對偏差超過20%，這也歸因于在低負荷時汽油機各缸燃燒不穩(wěn)定性較大。當轉速為2 000 r/min時，各缸pIME循環(huán)變動率隨負荷變化如圖11所示。從圖11中虛線圓圈標記可見：低負荷時，汽油機的燃燒循環(huán)變動率很大，且燃燒循環(huán)變動率的各缸不均勻性很大，也就是說，在低負荷時，燃燒不穩(wěn)定性較大，加劇了各缸pIME的絕對偏差，再加上此時pIME較小，從而導致各缸pIME出現較大的相對偏差；當平均有效壓力pBME大于4×105Pa 時，各缸pIME相對偏差趨于穩(wěn)定，基本在4%以內，稍小于外特性下的各缸pIME相對偏差；與外特性下的情況一樣，在絕大部分負荷范圍內，第2和第4缸的pIME比第1和第3缸的大。

圖10 轉速為2 000 r/min時各缸pIME及其相對偏差隨負荷的變化Fig.10 pIME and its relative deviation of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

圖11 轉速為2 000 r/min時各缸pIME循環(huán)變動率隨負荷的變化Fig.11 Cycle variation rate of pIME of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

當轉速為2 000 r/min時，各缸pPME及其相對偏差隨負荷變化如圖12所示。從圖12(a)可以看到：該增壓直噴汽油機各缸pPME的絕對值均隨負荷增加而逐漸減小；在整個負荷范圍內，第2和第4缸的pPME絕對值明顯比第1 和第3 缸的大，各缸最大絕對偏差約為0.15×105Pa；pPME各缸不均勻性的變化規(guī)律與pIME各缸不均勻性的變化規(guī)律始終相反(即第2 和第4 缸的pIME偏高，其pPME的絕對值也偏高)；盡管pPME各缸偏差的絕對值比pIME小近1個數量級，但還是在一定程度上減緩了pIME的各缸不均勻性。與pIME變化規(guī)律相反，pPME的絕對值在高負荷時很小，這導致在高負荷時pPME的各缸相對偏差很大，最大值達到60%(如圖12(b)所示)。

圖12 2 000 r/min時各缸pPME及其相對偏差隨負荷變化Fig.12 pPME and its relative deviation of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

當轉速為2 000 r/min時，各缸進氣壓力和排氣壓力隨負荷的變化分別如圖13和圖14所示。從圖13和圖14可以看到：在整個負荷范圍內，進氣壓力的各缸均勻性都比較好，除了在低負荷時各缸不均勻性略不同外，在其他負荷下各缸進氣壓力曲線幾乎重合。不同于進氣壓力，各缸排氣壓力的各缸不均勻性較明顯；第2和第4缸的排氣壓力明顯比第1和第3缸的高，這就直接導致第2和第4缸的pPME比第1 和第3 缸的高，因此，在部分負荷下，pPME的各缸不均勻性也主要由排氣壓力引起。但與外特性情況不同的是，在部分負荷下，各缸排氣壓力不均勻性的變化規(guī)律比較明顯，這也是各缸pPME的各缸不均勻性比較穩(wěn)定(各缸之間不會交替變化)的重要原因。

圖13 轉速為2 000 r/min時各缸進氣壓力隨負荷的變化Fig.13 Intake pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

圖14 轉速為2 000 r/min時各缸排氣壓力隨負荷的變化Fig.14 Exhaust pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

由上述分析可知，在部分負荷下，pPME不是引起pIME各缸不均勻性的因素，因此，引起各缸pIME不均勻的根本原因是各缸燃燒過程的不均勻性。當轉速為2 000 r/min時，該增壓直噴汽油機各缸最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率隨負荷的變化分別如圖15和圖16所示。從圖15和圖16可以看出：各缸pIME與各缸最高爆發(fā)壓力以及最大缸壓升高率有很好的對應關系：在整個負荷變化范圍內，第2和第4缸的最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率基本上都比第1和第3缸的大，尤其在中高負荷區(qū)域更加明顯，這正好可以解釋第2和第4缸的pIME比第1和第3 缸大的原因；在2 000 r/min、高負荷工況下，該增壓直噴汽油機的各缸最高爆發(fā)壓力絕對偏差最大值達9.2×105Pa，各缸最大缸壓升高率絕對偏差最大接近0.9×105Pa/(°)，這也說明在高負荷工況下，缸內燃燒不均勻性比較明顯。

圖15 轉速為2 000 r/min時各缸最高爆發(fā)壓力隨負荷的變化Fig.15 The maximum combustion pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

圖16 轉速為2 000 r/min時各缸最大缸壓升高率隨負荷的變化Fig.16 The maximum pressure rise rate of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

當轉速為2 000 r/min 時，各缸10%～90%燃燒持續(xù)期隨負荷的變化如圖17所示。從圖17可見：總體來說，在低負荷時，各缸10%～90%燃燒持續(xù)期絕對偏差較大；當負荷大于10×105Pa 時，各缸10%～90%燃燒持續(xù)期基本一致。對比圖10(a)和圖17可以發(fā)現：10%～90%燃燒持續(xù)期對pIME的影響比較小；當負荷小于10×105Pa時，雖然各缸10%～90%燃燒持續(xù)期差異很大(見圖17中圓圈標記處)，但各缸的pIME基本一致(各缸pIME的絕對偏差很小)；而在高負荷區(qū)域，盡管各缸10%～90%燃燒持續(xù)期基本一致，但各缸pIME、最高爆發(fā)壓力和最大缸壓升高率的絕對偏差都比較大。

圖17 轉速為2 000 r/min時各缸10%～90%燃燒持續(xù)期隨負荷的變化Fig.17 10%-90%combustion duration of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

當轉速為2 000 r/min 時，各缸50%燃燒點位置隨負荷變化如圖18所示。從圖18可見：總體來說，各缸50%燃燒點位置的不均勻性較大，尤其在低負荷時更加明顯，這也是造成低負荷時各缸pIME相對偏差較大的原因之一；在很小負荷時，第2缸的50%燃燒點位置明顯比其他3缸(更靠近上止點，見虛線圓圈標記處)早，并且該缸的燃燒循環(huán)變動率較小(見圖11)，最終導致該缸的pIME較大；此外，第1缸的50%燃燒點位置在絕大部分負荷下比較滯后(偏離上止點更遠)，從而導致第1 缸的最高爆發(fā)壓力、最大缸壓升高率以及pIME都較低。因此，50%燃燒點位置對各缸燃燒不均勻性的影響要明顯比10%～90%燃燒持續(xù)期的影響大。

圖18 轉速為2 000 r/min時各缸50%燃燒點位置隨負荷的變化Fig.18 50%combustion position of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

3 結論

1)在外特性下，隨著汽油機轉速增加，各缸平均指示壓力pIME的不均勻性增加，各缸泵氣平均有效壓力pPME的不均勻性變化不明顯。各缸pIME相對偏差基本在6%以內。除最高轉速外，第2 和第4缸的pIME明顯比第1和第3缸的大。

2)在部分負荷下，各缸pIME、最高爆發(fā)壓力、pPME、最大缸壓升高率的不均勻性隨著負荷的增加逐漸上升，但各缸燃燒循環(huán)變動率、50%燃燒點位置的不均勻性隨著負荷增加基本不變；各缸10%～90%燃燒持續(xù)期的不均勻性隨著負荷增加而下降。

3)不論是在外特性下還是在部分負荷特性下，各缸pPME的不均勻性的變化規(guī)律始終與各缸pIME的不均勻性的變化規(guī)律相反，因此，各缸pPME的不均勻性在一定程度上抑制了各缸pIME的不均勻性。

4)在低負荷時，汽油機的燃燒循環(huán)變動率較大且各缸燃燒循環(huán)變動率的不均勻性很明顯，從而加劇了各缸pIME的不均勻性，這也是導致在低負荷時汽油機各缸pIME出現較大相對偏差的重要因素之一。