汽油機瞬變工況各缸差異性的試驗研究*

付建勤,舒 俊,劉敬平,趙智超,段雄波

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082)

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汽油機瞬變工況各缸差異性的試驗研究*

付建勤,舒 俊,劉敬平,趙智超,段雄波

(1.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082； 2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082)

采用動態(tài)壓力實測與數(shù)值模擬相結合的方法，對一臺車用汽油機各缸參數(shù)瞬變值進行連續(xù)檢測，得到各缸參數(shù)的變化范圍、變化規(guī)律和各缸差異程度。通過對比分析得出各缸差異性的影響因素及其對汽油機瞬變狀態(tài)下熱功轉換過程的影響。結果表明：在瞬變工況下，各缸充氣效率相對偏差在±5%以內(nèi)，在中低轉速時主要受進氣平均壓力影響，高轉速時主要受壓力波和缸內(nèi)殘余廢氣量影響；各缸RGF和充氣效率的差異性呈現(xiàn)對稱關系；在中低轉速時，各缸PMEP差異性主要受進氣平均壓力影響，而在高轉速時則主要受RGF影響；IMEP相對偏差是充氣效率和RGF等參數(shù)綜合影響的結果，最大值達到±30%以上。以上規(guī)律為縮小多缸汽油機瞬變工況下各缸差異性提供了依據(jù)。

汽油機；瞬變工況；各缸差異性；殘余廢氣系數(shù)；充氣系數(shù)；進氣平均壓力

前言

各缸工作性能的差異性(或不均勻性)是評價多缸發(fā)動機性能的一個重要指標。由于進氣系統(tǒng)結構不規(guī)則、進排氣過程存在壓力波動和λ閉環(huán)控制只能反映各缸過量空氣系數(shù)的平均值等原因，既使是在穩(wěn)態(tài)工況下多缸發(fā)動機各缸的進氣量、空燃比和殘余廢氣分量(residual gas fraction, RGF)等參數(shù)也會不可避免地出現(xiàn)差異性[1-2]。在瞬變工況下，發(fā)動機工況的無規(guī)則變化加劇了進排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動，導致發(fā)動機各缸參數(shù)差異性增大，從而影響發(fā)動機性能和工作穩(wěn)定性，還會影響后處理系統(tǒng)的催化轉化效率[3-4]。進氣不均勻性對直噴汽油機稀薄燃燒的影響尤為嚴重，導致排放惡化(HC和NOx增多)，且降低燃燒效率[5]。

針對發(fā)動機各缸工作差異性，許多學者開展了相關的研究。文獻[6]中通過實測多缸柴油機各缸壓力，分析了柴油機各缸工作不均勻性對NOx排放的影響。文獻[7]中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。文獻[8]中提出了一種利用曲軸瞬時角加速度波動的不均勻性來表征多缸發(fā)動機工作不均勻性。但現(xiàn)有的研究大多是針對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況，主要依賴實測缸壓而進行分析，沒有對發(fā)動機進氣參數(shù)、缸內(nèi)RGF等參數(shù)進行耦合研究。本文中采用動態(tài)壓力實測與數(shù)值模擬相結合的方法，對一臺車用多缸汽油機各缸參數(shù)瞬變過程進行連續(xù)檢測，在此基礎上開展對瞬變工況汽油機各缸工作參數(shù)差異性的研究。

1 多缸發(fā)動機各缸差異性理論基礎

為便于對多缸發(fā)動機各缸工作性能的差異性進行研究，有必要建立一套評價體系和標準。本文中引入相對偏差量作為評價參數(shù)，來對諸參數(shù)在不同缸之間的差異性進行評價，其定義為一個工作循環(huán)中，某一缸的參數(shù)α相對于各缸平均值的偏差與各缸平均值的比值，即

(1)

(2)

2 瞬變工況下發(fā)動機缸內(nèi)參數(shù)檢測

2.1 檢測方法介紹

本文中采用的基于動態(tài)壓力實測與數(shù)值模擬相結合的瞬變狀態(tài)下發(fā)動機多參數(shù)連續(xù)檢測方法，詳見文獻[9]和文獻[10]。其基本原理為：將進排氣道的流動過程以1維氣體動力學模擬，缸內(nèi)工作過程以0維熱力學模擬；通過實測進排氣道和缸內(nèi)動態(tài)壓力，為數(shù)值模擬提供邊界條件，從而實現(xiàn)發(fā)動機瞬態(tài)工作過程的數(shù)值模擬。圖1為采用該方法對發(fā)動機瞬變過程各項參數(shù)進行實測時各種傳感器的布置示意。

2.2 汽油機瞬變工況測試

以一臺4缸、氣道噴射、雙VVT的乘用車汽油機為研究對象，該汽油機的主要參數(shù)如表1所示。對搭載該汽油機的乘用車進行道路試驗，測試發(fā)動機各參數(shù)的連續(xù)變化。測試儀器的信息如表2所示。此外，還實測了每個循環(huán)的發(fā)動機轉速、進排氣閥VVT位置、點火提前角、噴油量和瞬態(tài)空燃比等參數(shù)。將實測的進排氣動態(tài)壓力和缸內(nèi)動態(tài)壓力作為數(shù)值計算的邊界條件，輸入到自行開發(fā)的數(shù)值求解器中進行求解[10]，得到發(fā)動機各缸瞬變過程的狀態(tài)與性能參數(shù)。

2.3 檢測結果精度驗證

圖2給出了應用本檢測方法連續(xù)“跟蹤”發(fā)動機瞬變工況2 000個工作循環(huán)的缸內(nèi)新鮮充量檢測結果(模擬計算)與實測數(shù)據(jù)的對比。需要指出的是，實測的缸內(nèi)新鮮充量是通過實測的過量空氣系數(shù)(由氧傳感器的實測值通過過量空氣系數(shù)分析儀轉換得到)與從發(fā)動機ECU讀出的循環(huán)噴油量間接得到。從圖中可以看到，采用該檢測方法得到的結果(模擬計算)與實測結果吻合較好。由此可見，采用該檢測方法對發(fā)動機瞬變工況下運行與性能參數(shù)進行連續(xù)檢測具有較高的精度，完全滿足研究和工程應用的要求。

表1 發(fā)動機基本參數(shù)

表2 主要的測試儀器

3 試驗結果分析

3.1 各缸充氣效率差異性

圖3給出了瞬變工況下發(fā)動機各缸充氣效率隨循環(huán)數(shù)的變化。可以看到，在0～1 780個循環(huán)內(nèi)，各缸充氣效率比較接近；但在1 781～2 000個循環(huán)，1缸和4缸的充氣效率與2缸和3缸的充氣效率相差較大。從圖4可知，在第1 781～2 000個循環(huán)對應的高速(轉速大于4 000r/min)、高負荷(NMEP大于1.1MPa)工況下，進氣量較大，各缸進氣歧管壓力波的不均勻性也較大，導致各缸充氣效率偏差較大。由于進氣歧管布置形式具有對稱性，故2缸和3缸進氣壓力和充氣效率相似，1缸和4缸也相似。圖5給出了各缸充氣效率相對偏差隨循環(huán)數(shù)的變化。由圖可見，在絕大多數(shù)工作循環(huán)，各缸充氣效率相對偏差在±5%以內(nèi)。在中低轉速區(qū)域，1缸和4缸的充氣效率稍低于各缸平均值，2缸和3缸的充氣效率高于各缸平均值。在高轉速工況下，情況剛好相反?？偟膩碚f，第3缸的進氣均勻性最差，不僅表現(xiàn)在充氣效率相對偏差的變化范圍較大(個別循環(huán)相對偏差超過10%)，而且前后循環(huán)之間充氣效率相對偏差不連續(xù)性較大。

為分析各缸充氣效率產(chǎn)生差異性的原因，圖6示出了瞬變工況各缸進氣平均壓力。可以看到，在瞬變工況下，4個缸的進氣平均壓力差異性很小，壓力曲線基本重合。圖7進一步展示了各缸進氣平均壓力相對偏差隨循環(huán)數(shù)的變化。由圖可見，各缸進氣平均壓力相對偏差都比較小。在大多數(shù)情況下，1缸和4缸的進氣平均壓力低于2缸和3缸。各缸進氣平均壓力相對偏差的較大值出現(xiàn)在進氣平均壓力較小的區(qū)域，即發(fā)動機低負荷工況區(qū)域。這是因為在圖示所有循環(huán)各缸進氣平均壓力的絕對偏差量相差不大，于是相對偏差的峰值出現(xiàn)在進氣平均壓力較小的工況區(qū)域。與充氣效率相對偏差截然相反，進氣平均壓力均勻性最好出現(xiàn)在第3缸(最大相對偏差小于1%)，最差出現(xiàn)在第2缸(最大相對偏差達到3.5%)。對比圖5與圖7可知，各缸進氣平均壓力相對偏差小于充氣效率相對偏差，在大多數(shù)情況下前者大約為后者的一半。

通過上述分析可以得出幾點結論：(1)總的來說，充氣效率和進氣平均壓力的各缸差異性都比較小，前者相對偏差在±5%以內(nèi)，后者相對偏差在±3.5%以內(nèi)；(2)在大部分工況下，進氣平均壓力分布不均是引起各缸充氣效率差異性的主要原因之一，充氣效率相對偏差大于進氣平均壓力相對偏差，這是因為瞬變過程各缸進氣壓力波、缸內(nèi)RGF等參數(shù)的差異性也對進氣過程產(chǎn)生影響，加劇了各缸充氣效率的不均勻性；(3)進氣平均壓力相對偏差的最大值與充氣效率相對偏差最大值并不對應(例如第3缸)，這說明進氣平均壓力對各缸充氣效率不均勻性的貢獻量是有限的；(4)進氣平均壓力相對偏差的循環(huán)變動較小，而充氣效率的循環(huán)變動較大；(5)在高速高負荷區(qū)域，進氣平均壓力與充氣效率的對應關系被打破，1缸和4缸充氣效率相對偏差為正值，但是其進氣平均壓力相對偏差為負值，2缸和3缸的情況剛好相反，這說明高速高負荷時決定充氣效率最重要的因素不是進氣平均壓力，在高速高負荷時，進排氣壓力波明顯增強，對發(fā)動機換氣性能的影響更大[11]。由圖8和圖9所示的進排氣壓力波(0為壓縮上止點)可知，在排氣閥關閉前(氣閥疊開)，2缸和3缸的排氣壓力明顯大于1缸和4缸，于是2缸和3缸排氣倒流量也更多，最終導致2缸和3缸的殘余廢氣量高于1缸和4缸。雖然2缸和3缸進氣壓力稍大，但是缸內(nèi)殘余廢氣的影響更大，也就是說，在高速高負荷時，排氣壓力波和缸內(nèi)殘余廢氣量對充氣效率的影響更大。

另外，在各缸噴油量一致的前提下，過量空氣系數(shù)完全取決于進氣量(充氣效率)。因此，各缸過量空氣系數(shù)相對偏差與充氣效率相對偏差的變化規(guī)律相似，后面不再進行單獨分析。

3.2 各缸RGF差異性

各缸RGF的不均勻性是引起各缸進氣量、IMEP、PMEP、指示熱效率等參數(shù)出現(xiàn)差異性的重要因素。圖10為瞬變工況下各缸RGF隨循環(huán)數(shù)的變化?？梢钥吹?，各缸RGF的偏差量明顯大于進氣平均壓力和充氣效率。RGF偏差量的最大值出現(xiàn)在高速高負荷區(qū)域。與充氣效率一樣，在高速高負荷區(qū)域，1缸與4缸的RGF比較接近，2缸與3缸的RGF比較相近。但區(qū)別在于，就充氣效率而言，1缸和4缸高于2缸和3缸；但就RGF而言，1缸和4缸低于2缸和3缸。這正好印證了前面分析的正確性。從圖11所示的各缸RGF相對偏差隨循環(huán)數(shù)的變化可以看到，在0～1 780個循環(huán)，各缸相對偏差在±10%以內(nèi)，隨循環(huán)數(shù)出現(xiàn)劇烈振蕩。在高速高負荷區(qū)域，各缸RGF相對偏差出現(xiàn)較大值：1缸和4缸的RGF相對偏差接近-20%，2缸和3缸的RGF相對偏差接近20%。原因有兩個：一方面，此時RGF的絕對偏差量較大，見圖10；另一方面，在該工況區(qū)域各缸RGF都非常低，于是導致RGF相對偏差較大。

3.3 各缸IMEP的差異性

各缸進氣量、RGF等參數(shù)的差異，最終反映為發(fā)動機各缸性能參數(shù)的不均勻性。圖12示出了各缸高壓循環(huán)IMEP，其中圖12(b)～圖12(e)為圖12(a)中A，B，C，D處的局部放大圖。在圖示實線方框區(qū)域(1 780～2 000個循環(huán))，各缸IMEP相差較大，尤其是當循環(huán)數(shù)大于1 970后，各缸差異性更為明顯；在其他區(qū)域各缸IMEP絕對偏差量較小。圖13為各缸高壓循環(huán)IMEP相對偏差隨循環(huán)數(shù)的變化。由圖可見，在絕大多數(shù)工況下，各缸IMEP的均勻性比較好，變化范圍在±5%以內(nèi)。但在圖12(a)中4個虛線方框區(qū)域，各缸IMEP相對偏差卻很大(最大值達到±60%)。在這些區(qū)域，IMEP本身較小，于是在各缸IMEP絕對偏差量稍微增加的前提下，導致各缸IMEP相對偏差急劇增大。此外，在圖12(a)中4個虛線方框區(qū)域各缸IMEP隨循環(huán)數(shù)振蕩較大，導致各缸IMEP相對偏差隨循環(huán)數(shù)上下“跳動”的現(xiàn)象十分明顯(正負值交替)。原因有：(1)在該工況區(qū)域，各缸IMEP比較?。?2)在低負荷時燃燒循環(huán)變動較大，各缸不均勻性被“加劇”了。由此可見，燃燒不穩(wěn)定是加劇各缸不均勻性的重要原因之一。

在圖12(a)中三角形所示區(qū)域，各缸IMEP相對偏差超過±30%。這3個區(qū)域對應負荷急劇變化的工況，各缸IMEP絕對偏差量比較大，從而導致各缸IMEP相對偏差較大。由此可見，負荷急劇變化是引起各缸IMEP產(chǎn)生較大偏差的誘因之一。

由圖12(b)可知，就高壓循環(huán)IMEP而言，第1缸的參數(shù)組合產(chǎn)生的效果最佳。而由表3可見，與第2缸相比，第1缸的充氣效率和RGF均低于第2缸。其中，過量空氣系數(shù)(取決于充氣效率)和RGF是影響燃燒放熱過程的關鍵參數(shù)[12]，進而影響循環(huán)熱效率。對于高壓循環(huán)，缸內(nèi)殘余廢氣對循環(huán)熱效率有兩方面的影響：一方面，殘余廢氣增加混合氣比熱，從而降低最高燃燒溫度和傳熱損失，這對燃燒做功循環(huán)有利；另一方面，殘余廢氣過多會過度減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，增大燃燒持續(xù)期，甚至使缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，這對燃燒做功不利。至于最終表現(xiàn)為正面影響還是負面影響，關鍵取決于RGF的大小。在“A”區(qū)域，發(fā)動機工作在2 000r/min、中等負荷，此時RGF過高，嚴重影響缸內(nèi)燃燒做功過程，因此第1缸較低的RGF對高壓循環(huán)熱效率是有利的。此外，第1缸的混合氣稍濃于第2缸，從經(jīng)濟性的角度來說這是不利的。但此時混合氣稍濃可以加快燃燒速度，反而有利于提高發(fā)動機的熱功轉換效率。

表3 各缸參數(shù)與平均值的比較

注：大于平均值用“+”表示，小于平均值用“-”表示，數(shù)據(jù)來源于區(qū)域A。

3.4 各缸PMEP的差異性

圖14為發(fā)動機各缸PMEP隨循環(huán)數(shù)的變化。由圖可見，各缸PMEP絕對偏差量較小，且各缸PMEP的大小關系比較明朗。在絕大部分工況下，各缸PMEP大小順序為：1缸≈4缸>3缸>2缸。從圖15所示的各缸PMEP相對偏差可以清晰地看出該關系。在絕大多數(shù)工況，1缸和4缸相對偏差為正值，2缸相對偏差為負值，3缸相對偏差在0附近上下波動。各缸PMEP相對偏差與進氣平均壓力相對偏差有很好的對應關系(因泵氣損失代表負功，故進氣平均壓力相對偏差為正對應PMEP相對偏差為負)。

這說明各缸PMEP相對偏差主要由進氣平均壓力(或進排氣平均壓力差)決定。但仔細觀察發(fā)現(xiàn)，二者之間有一些區(qū)別：(1)各缸PMEP相對偏差大于對應的進氣平均壓力相對偏差(例如，第2缸進氣平均壓力相對偏差最大為3.5%，但PMEP相對偏差最大值接近-8%)；(2)進氣平均壓力相對偏差隨循環(huán)數(shù)變化很小(曲線光滑)，但是PMEP相對偏差振蕩較強，這歸結于壓力波和缸內(nèi)RGF等參數(shù)的影響；(3)在高速高負荷區(qū)域，進氣平均壓力相對偏差很小，但此時PMEP相對偏差很大，這時引起PMEP各缸差異性的主要因素是進排氣流動損失、缸內(nèi)RGF等；(4)PMEP與IMEP相對偏差的變化規(guī)律相反，由此可知PMEP在一定程度上緩解了各缸指示熱效率的相對偏差。

4 結論

在中低轉速和負荷，各缸充氣效率差異性與進氣平均壓力差異性相似，此時充氣效率主要受進氣平均壓力影響；在高速高負荷，引起各缸充氣效率偏差的主要因素不是進氣平均壓力，而是排氣壓力波和缸內(nèi)殘余廢氣量。高速高負荷時壓力波(尤其是排氣壓力波)的增強是加劇各缸不平衡的主要誘因之一。

各缸RGF差異性和充氣效率差異性呈現(xiàn)對稱關系，說明各缸RGF差異性的主要影響因素是進氣量。RGF相對偏差最大值出現(xiàn)在高速高負荷區(qū)域。

各缸PMEP相對偏差大于對應的進氣平均壓力相對偏差，且出現(xiàn)較大振蕩。高速高負荷時PMEP各缸差異性主要影響因素不是進氣平均壓力，而是RGF等其他因素。

各缸IMEP相對偏差是充氣效率和RGF等參數(shù)相對偏差綜合影響的結果，其值遠大于二者之和，達到±30%以上。

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An Experimental Study on the Differences Between Cylinders ina Gasoline Engine Under Transient Conditions

Fu Jianqin, Shu Jun, Liu Jingping, Zhao Zhichao & Duan Xiongbo

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.ResearchCenterforAdvancedPowertrainTechnologies,HunanUniversity,Changsha410082

The transient values of parameters in each cylinder of a vehicle gasoline engine are continuously measured by adopting a method of combining dynamic pressure masurement with numerical simulation, so the varying range, the law of variation of parameters in each cyliner and the degrees of their differences between cylinders are obtained. Through comparative analyses, the affecting factors of differences between cylinders and their effects on the conversion process from thermal energy to work under the transient states of gasoline engine are obtained. The results show that under transient conditions, the relative deviation of volumetric efficiency betweeen cylinders is within ±5%, and it is mainly affected by average intake pressure at low and medium speeds, while it is influenced by pressure wave and in-cylinder residual gas fraction (RGF) at high speeds. There appears a symmetry relationship between the differences in RGF and the differences in volumetric efficiency. The relative deviation of PMEP betweeen cylinders is mainly affected by average intake pressure at low and medium speeds, and is influenced by RGF at high speeds. The ralative deviation in IMEP reaches over ±30% at most and is the result of concurrent effects of volumetric efficiency and RGF etc. The law mentioned above provides a basis for reducing the discrepancy between cylinders of gasolie engine under transient conditions.

gasoline engine; transient conditions; differences between cylinders; RGF; volumetric efficiency; average intake pressure

*國家自然科學基金(51376057和51506050)和國家科技支撐計劃(2014BAG09B01)資助。

原稿收到日期為2015年6月15日，修改稿收到日期為2015年9月1日。