基于概率統計的發動機停機位置影響因素試驗研究

盛利,劉志治,張文,石磊，王俊席

1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005;2.上海交通大學 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240;3.上海海能汽車電子有限公司，上海 201806

0 引言

發動機起停技術是指車輛在較長的怠速工況下，如等待紅燈和交通擁堵等，發動機自動熄火，待車輛具有繼續行駛的要求時迅速重新起動的技術。快速起停技術能夠降低怠速過程總排放和油耗，受到了車企的密切關注。Moritaka等[1]認為怠速時間超過7 s，停機再起動要比怠速燃油消耗少。研究表明，采用起停技術在國內城市典型工況下可節約燃料7%～27%[2-3]，在交通擁堵嚴重的城市節約更多；在新歐洲標準行駛循環(new European driving cycle,NEDC)駕駛試驗中，具備起停技術車輛的CO2排放降低了5%～8%[4]。實現停機位置控制有利于獲得更短的起動時間，是目前研究的重點。

停機時刻曲軸位置分布影響發動機再次起動時間，對發動機系統有重要作用。目前，國內外學者對發動機停機行為和曲軸位置進行了研究。Dong等[5]研究了利用曲軸和凸輪軸傳感器建立停機位置監測系統，并對反轉現象進行了研究；李學軍等[6]通過建立活塞的動力學模型，推導出熄火后缸內氣體力矩和曲軸的輸出力矩公式；Mueller[7]研究得到了一種利用發動機轉速傳感器來預估曲軸停機角度的方法；許楠等[8]建立了直噴發動機停機試驗臺架，研究了發動機停機過程的反轉行為；蘇巖等[9]研究了不同停機位置對正反轉起動模式的影響；韓立偉等[10]研究了停機過程中缸內氣體壓力對曲軸反轉的影響以及曲軸位置對起停技術的重要作用；國內外學者也對發動機怠速、停機過程以及在起動過程中的油耗與排放問題開展了深入研究，揭示了這些瞬態過程中的工作特性[11-13]。

目前國內外研究主要集中在對停機過程特性以及對再起動的影響，尚未開展對停機位置概率分布以及影響的研究。為了探究停機位置的分布規律，基于發動機臺架進行大量停機試驗，通過對大量數據進行概率統計分析，研究不同停機條件對發動機停機位置分布的影響規律。

1 試驗臺架與方案

本文中在某2 L直噴發動機上開展反復起停試驗研究，發動機主要參數如表1所示。

表1 臺架試驗發動機主要參數

試驗臺架采用歐姆龍E6C3-AG5C絕對值編碼器獲取停機準確位置，使用Kistler公司的6125b 型缸壓傳感器獲取停機過程氣缸壓力，并通過數據采集卡對停機過程的轉速、節氣門后壓力等信號進行采集。臺架試驗信號采集布置如圖1所示。

圖1 試驗臺架信號采集布置示意圖

試驗中控制停機過程中的節氣門開度和停機前轉速，通過在不同的停機條件下重復進行停機試驗，得到大量的停機位置數據，分析不同參數對停機位置分布規律的影響。節氣門開度按照0、20%、40%、60%、80%、100%開度進行調節，轉速按照700、800、1000、1200 r/min進行調節。每個停機工況進行100次停機試驗，對數據進行概率統計分析。本文中采用概率集中度和停機區域對停機位置概率進行分析。停機區域為整個壓縮沖程中停機概率大于0的停機區間寬度，停機區域可以用來表征停機分布在整個壓縮沖程中的分散程度，停機區域小表明停機點聚攏在一起；概率集中度為在具有停機點分布的區間停機概率的標準差。

概率集中度(標準差)

概率集中度可以用來表征停機點在整個壓縮沖程分布的均勻程度，概率集中度越高表明大部分的停機點聚集在小區間內，停機位置規律性更強。

2 節氣門開度對停機位置的影響

試驗主要考察停機過程中節氣門開度對停機位置分布的影響。停機前轉速穩定在750 r/min，發動機輸出扭矩為1 N·m, 停機過程冷卻水溫穩定在90 ℃，分別將節氣門開度設定為0、20%、40%、60%、80%和100%進行停機，每組試驗起停發動機100次。不同節氣門開度下停機位置分布如2所示(圖中壓縮缸曲軸停機位置均為上止點前(before top dead center,BTDC)曲軸轉角)。

由圖2可知：當節氣門開度為0時，停機位置的分布呈現分散型，在整個壓縮沖程均有分布，各個區間的停機概率差異較小，停機點分布比較均勻；當節氣門開度為20%及以上時，停機位置分布差異很小，均呈現集中分布的特征，停機點大部分聚集在上止點前曲軸轉角為60°～100°。因此，節氣門開度為0時的停機分布與其余5組存在著明顯差異，而其余5組差異很小。不同節氣門開度下停機區域和概率集中度對比如圖3所示。由圖3可知：節氣門開度為0時的參數與其它開度顯著不同，在節氣門開度為0時停機區域很大且概率集中度較小，說明在節氣門開度為0時的停機分布特征為均勻分散型；其余5組的分布情況一致，停機區域小且概率集中度較大，說明停機分布非常集中。

圖2 節氣門開度對停機位置分布影響

圖3 不同節氣門開度下的停機區域和概率集中度

本文中針對不同節氣門開度停機過程進行測試分析，試驗中，只改變停機時的節氣門開度，停機前各參數保持不變。停機前調整節氣門開度至適宜值(約為12%)，以保證發動機在1050 r/min怠速運轉，整個過程維持水溫高于80 ℃。變節氣門開度停機過程各參數變化如圖4所示。

圖4 變節氣門開度停機過程各參數變化

由圖4可知，在停機時刻之前，每個工況條件下各變量有較好的一致性。因為控制了停機前節氣門開度，所以停機前的節氣門后壓力基本相同，為40 kPa。與相同的節氣門后壓力對應，最高缸壓和最低缸壓也基本相同，分別約為680、50 kPa。在停機時刻，改變節氣門開度，同時令發動機立即停機。在停機過程中，停機時節氣門開度較小的試驗工況，節氣門后壓力、最高缸壓和最低缸壓先下降，然后逐漸升高。這是因為節氣門開度突然變小，進氣量減少，壓力降低；停機過程中轉速不斷降低，進氣時間延長，通過節氣門氣體的節流效應變弱，進氣量增加，壓力升高。對于停機時節氣門開度較大的試驗工況，由于不存在停機時節氣門開度突然變小的因素，在停機過程中其節氣門后壓力、最高缸壓和最低缸壓一直升高。由于氣缸壓力的增大導致發動機活塞停止時刻趨于某固定位置附近，因此隨節氣門開度增大，停機位置更加趨于集中。

3 轉速對停機位置的影響

進一步分析停機前怠速轉速對停機位置分布的影響。試驗過程中分別將轉速設為700、800、1000、1200 r/min，每組試驗起停發動機100次。停機位置分布如圖5所示(圖中壓縮缸曲軸停機位置均為BTDC的曲軸轉角)。

圖5 轉速對停機位置分布影響

由圖5可知：不同怠速轉速下4組數據的停機位置分布基本相似，大量的停機點主要分布在上止點前曲軸轉角為60°～72°，但是停機點分布范圍較大，分布呈現分散特征。此外，在各個區間的停機概率分布不均勻，少數區間上概率比較大，表現出偏正態分布特征。不同怠速轉速下的停機區域和概率集中度變化很小，表明怠速轉速對停機位置分布影響不大。

4 結論

開展了大量發動機停機試驗，進行概率統計分析，研究了停機過程節氣門開度、怠速轉速對停機位置分布的影響。

1)在節氣門開度為20%及以上時，發動機停機位置主要分布區域的上止點前曲軸轉角為60°～100°，且該概率較為集中；隨著停機條件的改變，停機位置分布變化不大。

2)停機過程中節氣門開度對停機位置的分布具有顯著影響，從節氣門開度為0逐漸增大節氣門開度，停機位置的分布更加趨向于壓縮沖程的中間區間；但節氣門開度達到20%以后，隨著開度繼續增加，停機位置分布受到的影響很小。

3)轉速對發動機停機位置影響較小，在一定的怠速范圍內，停機位置概率變化較小。