基于概率統(tǒng)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)位置影響因素試驗(yàn)研究

盛利,劉志治,張文,石磊，王俊席

1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005;2.上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;3.上海海能汽車電子有限公司，上海 201806

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，待車輛具有繼續(xù)行駛的要求時(shí)迅速重新起動(dòng)的技術(shù)。快速起停技術(shù)能夠降低怠速過程總排放和油耗，受到了車企的密切關(guān)注。Moritaka等[1]認(rèn)為怠速時(shí)間超過7 s，停機(jī)再起動(dòng)要比怠速燃油消耗少。研究表明，采用起停技術(shù)在國內(nèi)城市典型工況下可節(jié)約燃料7%～27%[2-3]，在交通擁堵嚴(yán)重的城市節(jié)約更多；在新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)(new European driving cycle,NEDC)駕駛試驗(yàn)中，具備起停技術(shù)車輛的CO2排放降低了5%～8%[4]。實(shí)現(xiàn)停機(jī)位置控制有利于獲得更短的起動(dòng)時(shí)間，是目前研究的重點(diǎn)。

停機(jī)時(shí)刻曲軸位置分布影響發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)時(shí)間，對發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有重要作用。目前，國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)行為和曲軸位置進(jìn)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(jī)位置監(jiān)測系統(tǒng)，并對反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了研究；李學(xué)軍等[6]通過建立活塞的動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)出熄火后缸內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器來預(yù)估曲軸停機(jī)角度的方法；許楠等[8]建立了直噴發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過程的反轉(zhuǎn)行為；蘇巖等[9]研究了不同停機(jī)位置對正反轉(zhuǎn)起動(dòng)模式的影響；韓立偉等[10]研究了停機(jī)過程中缸內(nèi)氣體壓力對曲軸反轉(zhuǎn)的影響以及曲軸位置對起停技術(shù)的重要作用；國內(nèi)外學(xué)者也對發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、停機(jī)過程以及在起動(dòng)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(tài)過程中的工作特性[11-13]。

目前國內(nèi)外研究主要集中在對停機(jī)過程特性以及對再起動(dòng)的影響，尚未開展對停機(jī)位置概率分布以及影響的研究。為了探究停機(jī)位置的分布規(guī)律，基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行大量停機(jī)試驗(yàn)，通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，研究不同停機(jī)條件對發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)位置分布的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)臺(tái)架與方案

本文中在某2 L直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上開展反復(fù)起停試驗(yàn)研究，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)架采用歐姆龍E6C3-AG5C絕對值編碼器獲取停機(jī)準(zhǔn)確位置，使用Kistler公司的6125b 型缸壓傳感器獲取停機(jī)過程氣缸壓力，并通過數(shù)據(jù)采集卡對停機(jī)過程的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門后壓力等信號(hào)進(jìn)行采集。臺(tái)架試驗(yàn)信號(hào)采集布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架信號(hào)采集布置示意圖

試驗(yàn)中控制停機(jī)過程中的節(jié)氣門開度和停機(jī)前轉(zhuǎn)速，通過在不同的停機(jī)條件下重復(fù)進(jìn)行停機(jī)試驗(yàn)，得到大量的停機(jī)位置數(shù)據(jù)，分析不同參數(shù)對停機(jī)位置分布規(guī)律的影響。節(jié)氣門開度按照0、20%、40%、60%、80%、100%開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速按照700、800、1000、1200 r/min進(jìn)行調(diào)節(jié)。每個(gè)停機(jī)工況進(jìn)行100次停機(jī)試驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析。本文中采用概率集中度和停機(jī)區(qū)域?qū)νC(jī)位置概率進(jìn)行分析。停機(jī)區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)壓縮沖程中停機(jī)概率大于0的停機(jī)區(qū)間寬度，停機(jī)區(qū)域可以用來表征停機(jī)分布在整個(gè)壓縮沖程中的分散程度，停機(jī)區(qū)域小表明停機(jī)點(diǎn)聚攏在一起；概率集中度為在具有停機(jī)點(diǎn)分布的區(qū)間停機(jī)概率的標(biāo)準(zhǔn)差。

概率集中度(標(biāo)準(zhǔn)差)

概率集中度可以用來表征停機(jī)點(diǎn)在整個(gè)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(jī)點(diǎn)聚集在小區(qū)間內(nèi)，停機(jī)位置規(guī)律性更強(qiáng)。

2 節(jié)氣門開度對停機(jī)位置的影響

試驗(yàn)主要考察停機(jī)過程中節(jié)氣門開度對停機(jī)位置分布的影響。停機(jī)前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在750 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩為1 N·m, 停機(jī)過程冷卻水溫穩(wěn)定在90 ℃，分別將節(jié)氣門開度設(shè)定為0、20%、40%、60%、80%和100%進(jìn)行停機(jī)，每組試驗(yàn)起停發(fā)動(dòng)機(jī)100次。不同節(jié)氣門開度下停機(jī)位置分布如2所示(圖中壓縮缸曲軸停機(jī)位置均為上止點(diǎn)前(before top dead center,BTDC)曲軸轉(zhuǎn)角)。

由圖2可知：當(dāng)節(jié)氣門開度為0時(shí)，停機(jī)位置的分布呈現(xiàn)分散型，在整個(gè)壓縮沖程均有分布，各個(gè)區(qū)間的停機(jī)概率差異較小，停機(jī)點(diǎn)分布比較均勻；當(dāng)節(jié)氣門開度為20%及以上時(shí)，停機(jī)位置分布差異很小，均呈現(xiàn)集中分布的特征，停機(jī)點(diǎn)大部分聚集在上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～100°。因此，節(jié)氣門開度為0時(shí)的停機(jī)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(jié)氣門開度下停機(jī)區(qū)域和概率集中度對比如圖3所示。由圖3可知：節(jié)氣門開度為0時(shí)的參數(shù)與其它開度顯著不同，在節(jié)氣門開度為0時(shí)停機(jī)區(qū)域很大且概率集中度較小，說明在節(jié)氣門開度為0時(shí)的停機(jī)分布特征為均勻分散型；其余5組的分布情況一致，停機(jī)區(qū)域小且概率集中度較大，說明停機(jī)分布非常集中。

圖2 節(jié)氣門開度對停機(jī)位置分布影響

圖3 不同節(jié)氣門開度下的停機(jī)區(qū)域和概率集中度

本文中針對不同節(jié)氣門開度停機(jī)過程進(jìn)行測試分析，試驗(yàn)中，只改變停機(jī)時(shí)的節(jié)氣門開度，停機(jī)前各參數(shù)保持不變。停機(jī)前調(diào)整節(jié)氣門開度至適宜值(約為12%)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在1050 r/min怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)過程維持水溫高于80 ℃。變節(jié)氣門開度停機(jī)過程各參數(shù)變化如圖4所示。

圖4 變節(jié)氣門開度停機(jī)過程各參數(shù)變化

由圖4可知，在停機(jī)時(shí)刻之前，每個(gè)工況條件下各變量有較好的一致性。因?yàn)榭刂屏送C(jī)前節(jié)氣門開度，所以停機(jī)前的節(jié)氣門后壓力基本相同，為40 kPa。與相同的節(jié)氣門后壓力對應(yīng)，最高缸壓和最低缸壓也基本相同，分別約為680、50 kPa。在停機(jī)時(shí)刻，改變節(jié)氣門開度，同時(shí)令發(fā)動(dòng)機(jī)立即停機(jī)。在停機(jī)過程中，停機(jī)時(shí)節(jié)氣門開度較小的試驗(yàn)工況，節(jié)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?yàn)楣?jié)氣門開度突然變小，進(jìn)氣量減少，壓力降低；停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速不斷降低，進(jìn)氣時(shí)間延長，通過節(jié)氣門氣體的節(jié)流效應(yīng)變?nèi)酰M(jìn)氣量增加，壓力升高。對于停機(jī)時(shí)節(jié)氣門開度較大的試驗(yàn)工況，由于不存在停機(jī)時(shí)節(jié)氣門開度突然變小的因素，在停機(jī)過程中其節(jié)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(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)活塞停止時(shí)刻趨于某固定位置附近，因此隨節(jié)氣門開度增大，停機(jī)位置更加趨于集中。

3 轉(zhuǎn)速對停機(jī)位置的影響

進(jìn)一步分析停機(jī)前怠速轉(zhuǎn)速對停機(jī)位置分布的影響。試驗(yàn)過程中分別將轉(zhuǎn)速設(shè)為700、800、1000、1200 r/min，每組試驗(yàn)起停發(fā)動(dòng)機(jī)100次。停機(jī)位置分布如圖5所示(圖中壓縮缸曲軸停機(jī)位置均為BTDC的曲軸轉(zhuǎn)角)。

圖5 轉(zhuǎn)速對停機(jī)位置分布影響

由圖5可知：不同怠速轉(zhuǎn)速下4組數(shù)據(jù)的停機(jī)位置分布基本相似，大量的停機(jī)點(diǎn)主要分布在上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～72°，但是停機(jī)點(diǎn)分布范圍較大，分布呈現(xiàn)分散特征。此外，在各個(gè)區(qū)間的停機(jī)概率分布不均勻，少數(shù)區(qū)間上概率比較大，表現(xiàn)出偏正態(tài)分布特征。不同怠速轉(zhuǎn)速下的停機(jī)區(qū)域和概率集中度變化很小，表明怠速轉(zhuǎn)速對停機(jī)位置分布影響不大。

4 結(jié)論

開展了大量發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，研究了停機(jī)過程節(jié)氣門開度、怠速轉(zhuǎn)速對停機(jī)位置分布的影響。

1)在節(jié)氣門開度為20%及以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)位置主要分布區(qū)域的上止點(diǎn)前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～100°，且該概率較為集中；隨著停機(jī)條件的改變，停機(jī)位置分布變化不大。

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

3)轉(zhuǎn)速對發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)位置影響較小，在一定的怠速范圍內(nèi)，停機(jī)位置概率變化較小。