基于缸內(nèi)壓力重構(gòu)的船舶柴油機(jī)燃燒起終點(diǎn)識別

吳剛 江國和 樓海軍 賀獻(xiàn)忠 楊智遠(yuǎn)

摘要：為對船舶柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行快速診斷，提出一種船舶柴油機(jī)燃燒起終點(diǎn)識別的新方法。該方法通過構(gòu)建韋伯燃燒模型模擬缸內(nèi)壓力曲線，然后建立缸內(nèi)燃燒和散熱模型。根據(jù)計(jì)算出的燃燒放熱率、缸內(nèi)溫度和缸內(nèi)壓力升高率，分析其燃燒起點(diǎn)，并通過缸內(nèi)壓力變異分析研究燃燒終點(diǎn)。結(jié)果表明：與實(shí)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(xiàn)出較好的相似性，可替代實(shí)測壓力對其波動進(jìn)行修正，且計(jì)算時間短。船舶柴油機(jī)瞬時燃燒放熱率、缸內(nèi)溫度、缸內(nèi)壓力升高率均能提供燃燒起點(diǎn)特征信息;在燃燒終點(diǎn)缸內(nèi)壓力變異系數(shù)有突變現(xiàn)象;瞬時傳熱對燃燒起點(diǎn)無直接影響。兩種傳熱模型均表明船舶柴油機(jī)樣機(jī)缸內(nèi)燃燒的速燃期和緩燃期均由兩個階段組成。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī); 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(xiàn)標(biāo)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(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)，船舶壓燃式內(nèi)燃機(jī)在燃燒時并無明確起點(diǎn)。受燃油物理特性和缸內(nèi)環(huán)境等多因素影響，燃燒起終點(diǎn)常常變化且燃燒特性不易評估。一方面，缸內(nèi)的燃燒過程極短且發(fā)生在缸內(nèi)不易觀察;另一方面，燃燒的起點(diǎn)和終點(diǎn)會影響缸內(nèi)燃燒過程，不正確的燃燒正時往往會產(chǎn)生異常壓力和燃燒敲擊，進(jìn)而引起缸內(nèi)燃燒不良，燒傷活塞頂，損壞發(fā)動機(jī)部件等：因此，找到一種有效的監(jiān)測方法對船舶柴油機(jī)燃燒的起終點(diǎn)識別將十分有益。

目前，可利用振動信號變換方法對機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行檢測，但基于時頻域的內(nèi)燃機(jī)故障診斷方法有一定的不穩(wěn)定性，這是因?yàn)闅飧咨w的振動響應(yīng)來自燃油在缸內(nèi)迅速燃燒膨脹所導(dǎo)致的壓力變化，即受燃燒過程的影響，而燃燒過程本身持續(xù)時間短，又是一個包含物理、化學(xué)、流動、傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜過程，同時也受外界條件（如燃油供油規(guī)律、燃油霧化情況、缸內(nèi)空氣運(yùn)動等因素）的影響。因此，即使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率保持穩(wěn)定，每一個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力變化過程也存在著一定的隨機(jī)性。

利用缸內(nèi)壓力來評估燃燒過程可得到更接近真實(shí)的燃燒信息，再經(jīng)過變換可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)故障自診，并得到更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，例如：文獻(xiàn)[1]做了基于缸內(nèi)壓力控制的熱力學(xué)研究，在一個點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)上利用缸內(nèi)壓力估算空燃比來進(jìn)行失火檢測預(yù)測;文獻(xiàn)[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(xiàn)[3]重點(diǎn)考慮了摩擦、平均有效壓力和燃油霧化的影響，模擬發(fā)動機(jī)燃用生物柴油的燃燒過程，并在0%、50%和100%負(fù)載條件下進(jìn)行試驗(yàn)，通過對氣相色譜-質(zhì)譜結(jié)果的分析，標(biāo)定了排氣中碳、氫、氧的含量。

國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域也做了大量研究，如：文獻(xiàn)[4]利用了缸內(nèi)壓力和曲軸瞬時轉(zhuǎn)速估計(jì)各缸指示轉(zhuǎn)矩，消除誤差結(jié)果，評估各缸平均指示轉(zhuǎn)矩狀態(tài)參數(shù);文獻(xiàn)[5]根據(jù)高海拔工況下的柴油機(jī)燃燒特性試驗(yàn)，利用零維模型和韋伯函數(shù)擬合了燃燒放熱規(guī)律，修正了高海拔工況下工質(zhì)的成分和供油策略;文獻(xiàn)[6]提出了一種基于缸內(nèi)壓力的雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒評價方法，通過對缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的修正，發(fā)現(xiàn)了變異系數(shù)在燃燒過程中有一個明顯的跳躍現(xiàn)象，使得雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒過程能清晰顯示。

由于測壓通道測量的缸內(nèi)壓力有滯后現(xiàn)象，文獻(xiàn)[7]提出了基于數(shù)字信號處理理論的數(shù)字濾波法對測量的缸內(nèi)壓力進(jìn)行預(yù)處理，設(shè)計(jì)了復(fù)合帶阻濾波，并將示功圖劃分為3個相加部分，在基本構(gòu)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(yīng)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(jìn)行衰減;依據(jù)測壓通道長短對頻域相位進(jìn)行校正;采用逆濾波加選頻濾波或計(jì)算通道系統(tǒng)的平均傳遞函數(shù)進(jìn)行研究：方法略為復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]建立了測壓通道內(nèi)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(shí)測各分缸缸內(nèi)壓力可構(gòu)建韋伯燃燒模型，進(jìn)一步通過燃燒放熱規(guī)律、缸內(nèi)壓力變化和壓力數(shù)值變異來識別壓縮燃燒起點(diǎn)和終點(diǎn)，并考慮影響缸內(nèi)散熱的因素。

1 模型描述

1.1 模型原理與假設(shè)

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

根據(jù)缸內(nèi)燃燒實(shí)際過程，在零維模型的基礎(chǔ)上將缸內(nèi)區(qū)域劃分為可燃區(qū)和未燃區(qū)，將氣體視為理想氣體，不考慮高壓氣體的超臨界變化。假設(shè)壓力在缸內(nèi)均勻分布，噴入缸內(nèi)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(nèi)動力學(xué)模型

通過圖2發(fā)現(xiàn)：累計(jì)燃燒放熱率在上止點(diǎn)前某一角度迅速上升;從該時刻起，缸內(nèi)溫度迅速升高，由此相信，累計(jì)燃燒放熱率和缸內(nèi)溫度的迅速升高由燃油壓縮達(dá)到可燃條件所致，進(jìn)而可判定該時刻為燃燒起點(diǎn)。該時刻前缸內(nèi)溫度的升高由缸內(nèi)體積被壓縮所致。

未完全燃燒的可燃?xì)怏w存在后燃的現(xiàn)象，因此無法有效表征著火結(jié)束時刻。缸內(nèi)實(shí)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(diǎn)

缸內(nèi)壓力變化同樣可提供有效特征表征燃燒起點(diǎn)，如圖3為累計(jì)燃燒放熱率對缸內(nèi)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(nèi)徑、噴油器彈簧預(yù)緊力、噴孔流量系數(shù)、不同燃油的汽化吸熱等的改變都會致使壓力升高率發(fā)生變化。此外不同噴油時刻也會影響壓力升高率。這是因?yàn)槿粞雍髧娪蜁r刻，則會使燃油壓力波傳播的時間增長，增加燃油在油管內(nèi)的黏性阻力損失，使得噴油壓力下降，導(dǎo)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(zhuǎn)速的增加，噴油壓力也會明顯增加，并導(dǎo)致最大壓力升高率發(fā)生相應(yīng)的變化。

由圖3可知：受缸內(nèi)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(diǎn)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(jì)燃燒放熱率迅速增加時刻為同一時刻，進(jìn)一步驗(yàn)證了燃燒起點(diǎn);在活塞通過上止點(diǎn)后壓力升高率達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，表現(xiàn)為燃燒氣體對活塞做正功，直至壓力升高率變?yōu)樨?fù)值。

3.3 利用瞬時燃燒放熱率特征識別燃燒起點(diǎn)

由上述可知，無論是利用缸內(nèi)溫度還是缸內(nèi)壓力升高率都可對燃燒起點(diǎn)進(jìn)行評估。利用瞬時燃燒放熱率特征可更精確地對燃燒相進(jìn)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(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)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(jié)果與第3.1、3.2節(jié)得到的燃燒起點(diǎn)一致。

結(jié)合缸內(nèi)壓力特征可進(jìn)一步確立滯燃期、緩燃期和后燃期，進(jìn)一步驗(yàn)證燃燒過程對缸內(nèi)溫度和壓力變化的影響機(jī)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(jù)柴油機(jī)本身噴油時刻重新標(biāo)定柴油機(jī)著火燃燒時的滯燃期著火角。

3.4 瞬時傳熱系數(shù)影響因素

標(biāo)定噴油時刻后，重新標(biāo)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(shù)和Sitkei傳熱系數(shù)進(jìn)行對比研究，結(jié)果見圖5。

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

采用兩種傳熱系數(shù)得到的瞬時燃燒放熱率基本相似。通過分析發(fā)現(xiàn)，速燃期和緩燃期均可進(jìn)一步分為兩個階段?？赏茰y出：速燃期的兩個階段為火焰的傳播擴(kuò)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(tuán)空氣卷吸階段。

同時，相較于采用Sitkei傳熱系數(shù)，采用Woschni傳熱系數(shù)的結(jié)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(yàn)臺架機(jī)的評估較為保守，而采用Sitkei傳熱系數(shù)的結(jié)果更接近真實(shí)值。

3.5 燃燒終點(diǎn)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(huán)境下繼續(xù)裂解產(chǎn)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(jì)燃燒放熱率上的表現(xiàn)更為平穩(wěn)，并沒有明顯的拐點(diǎn)。實(shí)際上，無論是對瞬時燃燒放熱率還是對累計(jì)燃燒放熱率的分析，都無法直觀得到像燃燒起點(diǎn)特征一樣的燃燒終點(diǎn)信息，因此需進(jìn)行更多分析。

缸內(nèi)壓力是匯集缸內(nèi)所有現(xiàn)象后的對外表現(xiàn)結(jié)果，受缸內(nèi)燃燒過程、缸內(nèi)傳熱損失、缸內(nèi)水霧蒸發(fā)等因素影響，因此考慮利用缸內(nèi)壓力探索燃燒終點(diǎn)的特征。

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

由圖6可知，缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)在上止點(diǎn)前后的同一轉(zhuǎn)角時刻各有兩個突變點(diǎn)，且缸內(nèi)壓力變異系數(shù)比缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差有更明顯的突變。圖7為缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差、缸內(nèi)壓力變異系數(shù)與累計(jì)燃燒放熱率三者對比圖。

分析圖7可知，缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差與缸內(nèi)壓力變異系數(shù)的第二個起跳點(diǎn)接近累計(jì)燃燒放熱率末端。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該起跳點(diǎn)在曲軸轉(zhuǎn)角上稍提前于累計(jì)燃燒放熱率結(jié)束點(diǎn)，曲軸轉(zhuǎn)角的誤差為1.46°。第一個起跳點(diǎn)可能與混合氣體的混合過程有關(guān)。比較柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作過程發(fā)現(xiàn)，該奇點(diǎn)附近的關(guān)鍵柴油機(jī)動作為進(jìn)氣閥關(guān)閉，柴油機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉角為上止點(diǎn)前32°，起跳點(diǎn)為上止點(diǎn)前27°，曲軸轉(zhuǎn)角的誤差為5°。當(dāng)進(jìn)氣閥關(guān)閉后，隨著活塞運(yùn)動，缸內(nèi)壓力上升迅速，缸內(nèi)壓力變異系數(shù)從減小轉(zhuǎn)為增大，出現(xiàn)奇點(diǎn)。受閥的彈簧預(yù)緊力、閥的密封性和氣體壓力傳遞時間等共同影響，奇點(diǎn)可能存在一定的誤差。

5 結(jié) 論

與實(shí)測壓力相比，韋伯燃燒模擬結(jié)果在燃燒相和膨脹相上呈現(xiàn)出較好的相似性，可替代實(shí)測壓力曲線進(jìn)行預(yù)測，修正實(shí)測壓力波動等問題，同時其計(jì)算時間短，這體現(xiàn)了熱力學(xué)模型的優(yōu)勢。

壓縮燃油達(dá)到其可燃條件后，累計(jì)燃燒放熱率迅速升高，可評估該時刻為燃燒起點(diǎn)，同時引起缸內(nèi)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(diǎn)的評估，可進(jìn)一步驗(yàn)證累計(jì)燃燒放熱率評估結(jié)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(diǎn)無直接影響。試驗(yàn)臺架機(jī)缸內(nèi)燃燒速燃期和緩燃期均可進(jìn)一步分為兩個階段。缸內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)差與缸內(nèi)壓力變異系數(shù)的第二個起跳點(diǎn)接近累計(jì)燃燒放熱率末端，利于燃燒終點(diǎn)評估。

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（編輯 趙勉）