多缸柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與各缸一致性分析

王海，彭憶強(qiáng)，韓志強(qiáng)，張少朋

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610039）

多缸柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與各缸一致性分析

王海，彭憶強(qiáng)，韓志強(qiáng)，張少朋

（西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610039）

為使ECU通過提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速完成發(fā)動機(jī)各缸一致性控制，提出每隔30℃A提取一個發(fā)動機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，并以DK4A多缸柴油機(jī)為試驗(yàn)平臺，測量發(fā)動機(jī)在1 600 r/min穩(wěn)態(tài)工況下，不同負(fù)荷下常用的每隔6℃A和提出的每隔30℃A的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。每隔30℃A得到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線能很好地表征瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動性，提取曲線上的特征參數(shù)，得到各缸一致性和每隔6℃A結(jié)論基本一致，說明每隔30℃A提取穩(wěn)態(tài)工況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速也能準(zhǔn)確判斷各缸一致性，節(jié)約ECU的運(yùn)算資源。

多缸柴油機(jī)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；各缸一致性

本文在一臺渦輪增壓4缸柴油機(jī)上，通過測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r/min的條件下，不同負(fù)荷的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，分析負(fù)荷與柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及表征各缸一致性的特征參數(shù)，如：各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的最大值、最小值、波動率、循環(huán)波動率之間的關(guān)系，通過特征參數(shù)判斷發(fā)動機(jī)各缸一致性。同時(shí)，對比間隔不同曲軸轉(zhuǎn)角測量到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，發(fā)現(xiàn)每隔30℃A提取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也能很好地表征瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動性，通過提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線的特征參數(shù)也能很好地判斷各缸一致性，降低了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的運(yùn)算量，有助于將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法判斷各缸一致性運(yùn)用于實(shí)車。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)包括ET2000測控系統(tǒng)、電力測功機(jī)、曲軸信號傳感器、信號處理電路板（實(shí)現(xiàn)濾波、整形）、NI-6259數(shù)據(jù)采集卡、渦輪增壓4缸柴油機(jī)。試驗(yàn)臺架配置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺架配置圖

在試驗(yàn)過程中，缸內(nèi)壓力的獲取采用自行研發(fā)的缸壓采集系統(tǒng)，ET2000測控系統(tǒng)采用N/P（定轉(zhuǎn)速/定油門開度）模式，控制發(fā)動機(jī)平均轉(zhuǎn)速為1600 r/min，油門開度從20%增加到80%，增加的步長為20%，所設(shè)定試驗(yàn)工況的參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

2 特征參數(shù)處理方法

對于多缸發(fā)動機(jī)各缸一致性，主要采用最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、各缸波動率、各缸循環(huán)波動率等特征參數(shù)來評價(jià)，波動率δ（i）、循環(huán)波動率Coνn（i）的計(jì)算方法為

式中：nmean（i）——第i缸做功階段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速平均值；

ni（j）——第i缸做功階段第j個瞬時(shí)轉(zhuǎn)速值；

σn（i）——第i缸做功階段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)偏差；

Coνn（i）——第i缸做功階段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速循環(huán)波動率；

nmax（i）——第i缸做功階段最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；

nmin（i）——第i缸做功階段最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；

δ（i）——第i缸做功階段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動率[7]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 同轉(zhuǎn)速不負(fù)荷瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形分析

通過NI采集卡USB-6259，每隔6℃A和30℃A采集一個瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號；每隔0.5℃A采集一個第一缸的缸壓信號。為了減小循環(huán)變動的影響，在穩(wěn)定工況下連續(xù)采集10個工作循環(huán)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均后再計(jì)算分析，各試驗(yàn)工況的發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。從表中可以看出隨著負(fù)荷從18N·m增大到196 N·m，進(jìn)氣量從83.0 kg/h增大到167.4 kg/h，說明負(fù)荷越大進(jìn)氣量越大。進(jìn)氣量越大，壓縮沖程中壓縮阻力越大，對活塞的減速作用更大，造成最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速減小。

表2 發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)1）

圖2和圖3為發(fā)動機(jī)在平均轉(zhuǎn)速為1600 r/min，分別工作于不同負(fù)荷下的每隔6℃A和30℃A采集的一個瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號，從而得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動曲線。圖中曲軸轉(zhuǎn)角0°表示發(fā)動機(jī)處于第一缸壓縮上止點(diǎn)。

從圖中可以看出，同轉(zhuǎn)速下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動曲線基本一致，但隨著負(fù)荷從18N·m增大到196N·m，缸內(nèi)的平均有效指示壓力從2.2 bar（1 bar=105Pa）增大到11.0 bar，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線的波峰值增大，波谷值減小。其最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速都在氣缸做功沖程內(nèi)，負(fù)荷越大平均指示有效功的值越大，說明氣缸在做工沖程中做功越大，造成最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速越大；而最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速都在氣缸壓縮沖程內(nèi)。對比圖2和圖3可以看出，圖3由于每個循環(huán)測量點(diǎn)少，造成曲線的連續(xù)性不如圖2，但是瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動趨勢基本保持一致，說明圖3在一定程度上表征了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的特性。

圖2 每隔6°CA瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

圖3 每隔30°CA瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

3.2 提取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速特征參數(shù)判讀各缸一致性

表3為分別提取某一缸在每6℃A和每30℃A，發(fā)動機(jī)在平均轉(zhuǎn)速為1600 r/min時(shí)，不同負(fù)荷瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線上的特征參數(shù)值，其中工況序號如表2所示。從表3可以看出：同轉(zhuǎn)速下隨著指示有效壓力（IMEP）從2.2 bar增大到11 bar，該缸的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速從1 610.8 r/min增大到1 699.7 r/min；最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速從1 587.3 r/min減小到1 500.9 r/min；波動率從1.47%增大到12.4%，循環(huán)變動率從0.47%增加到4.78%，說明在同轉(zhuǎn)速下各缸特征參數(shù)值會隨著負(fù)荷變化而變化。

對比表3中每隔6℃A和30℃A提取的某一缸特征參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)：前者的特征參數(shù)普遍比后者大，相對誤差基本為負(fù)；但最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的相對誤差都小于±0.5%，循環(huán)波動率最大相對誤差為3.76%，都在誤差允許范圍以內(nèi)。這說明每隔30℃A提取的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速能等同于6℃A提取到的最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。兩種不同采集曲軸間隔角度下，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動率的最大相對誤差為-14.9%，最小相對誤差為-5.13%；倒拖工況的波動率相對誤差最大，40%油門開度下波動率相對誤差最小，其中倒拖不屬于正常工況。表中可以看出，隨著負(fù)荷增大到40%，波動率的相對誤差減小；負(fù)荷增大，波動率相對誤差基本保持不變，那么波動率相對誤差最大誤差應(yīng)該在小負(fù)荷下。而第2個工況點(diǎn)為發(fā)動機(jī)工作在油門開度20%下，其波動率相對誤差-8.29%，雖不是1600 r/min下的最小負(fù)荷點(diǎn)，但其負(fù)荷已經(jīng)很小，并且通過油門開度在40%時(shí)，其波動率相對誤差為-5.13%。按等差預(yù)估，發(fā)動機(jī)在1 600 r/min正常工況下最大波動率誤差在11%左右，誤差偏大。

表3 不同曲軸間隔角某一缸特征參數(shù)

對比表4中每隔6℃A和30℃A提取的各缸特征參數(shù)的大小關(guān)系，可以看出，在除倒拖工況的其他工況下，特征參數(shù)大小關(guān)系基本一致。除去表4中1號工況的特征參數(shù)，其余4個工況的16個特征參數(shù)中14個特征參數(shù)的大小關(guān)系保持一致，相同率87.5%，準(zhǔn)確率比較高。并且最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、波動率、循環(huán)波動率的大小關(guān)系完全一致，雖然波動率的測量誤差相對較大，波動率的大小關(guān)系并不改變。那么用最小瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和波動率來判斷各缸的一致性，兩種方法得出的結(jié)論完全相同，說明提取每隔30℃A瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線上的特征參數(shù)依然能很好地判斷各缸一致性。而常用的每隔6℃A提取一個瞬時(shí)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，在一個工作循環(huán)內(nèi)需測量120個點(diǎn)，而每隔30℃A提取一個瞬時(shí)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，則只需在一個工作循環(huán)內(nèi)測量24個點(diǎn)，可大大節(jié)省ECU的運(yùn)算資源。

表4 特征參數(shù)大小關(guān)系是否相同

4 結(jié)束語

通過試驗(yàn)研究可得出如下結(jié)論：

同轉(zhuǎn)速下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動曲線基本一致，但隨著負(fù)荷增大，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速由于氣體做功而增大，波峰值增大；隨著進(jìn)氣量增大，壓縮阻力增大，波谷值減小，波動率增大。

對比在1 600 r/min穩(wěn)定工況下每隔6℃A和每隔30℃A得到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線上的特征參數(shù)，雖然兩者得到的特征值存在一定誤差，但4個缸的特征參數(shù)大小關(guān)系基本一致，表明提取每隔30℃A瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線上的特征參數(shù)也能很好的判斷各缸一致性，并且可大大節(jié)約ECU的運(yùn)算資源。

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Analysis the transient speed and the uniform ity of multi-cylinder diesel engine

WANG Hai，PENG Yiqiang，HAN Zhiqiang，ZHANG Shaopeng
（Key Lab of Automotive Measurement and Control and Satety of Sichuan Province，School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The transient speed of a crankshaft was used tocontrol the uniformity of each cylinder every 30℃A.Inexperiment，the transient speeds weremeasured under different loads at a steadystate condition of 1 600 r/min based on a DK4A multi-cylinder diesel engine every 6℃A and 30℃A.It is shown that，when the transient speedwas acquisitioned at the interval of 30℃A，the feature parameter can also be used to judge the uniformity of the cylinder.Therefore，the transient speed at the interval of 30℃A can be usedtoestimate the cylinder-by-cylinder uniformity so as to reduce the computation load of the electric control unit（ECU）.

multi-cylinder diesel engine；transient speed；cylinder-by-cylinder uniformity

A文章編號：1674-5124（2015）08-0122-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.028

0 引言

多缸發(fā)動機(jī)各缸工作不一致會降低柴油機(jī)運(yùn)行的動力性和經(jīng)濟(jì)性，還將引起振動噪聲、零部件磨損以及受熱部件的熱負(fù)荷加劇[1-3]。為了檢測各缸工作一致性，目前常用檢測方法有單缸熄火法[4]、排氣噪聲法[5]、轉(zhuǎn)速波動法[6]等。杜巍等[6]通過測量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，提取峰值信號修正各缸的噴油控制信號，提高發(fā)動機(jī)各缸一致性。Yang Jianguo和M.Lamraoui實(shí)現(xiàn)了基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的故障診斷[7-8]，但這些方法需要很高的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速運(yùn)算能力，只能在臺架試驗(yàn)中利用計(jì)算機(jī)完成瞬時(shí)轉(zhuǎn)速運(yùn)算，并不適合在實(shí)車上運(yùn)用。

2014-08-15；

2014-10-08

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（11ZA284）

四川省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（KYTD201003）

王海（1988-），男，四川眉山市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)電控。