內燃機燃燒分析系統設計開發及試驗驗證

何烈永 鄭曉豐 馬國海 王樹勇 周大權 張剛健

摘要：為研究如何提高內燃機的熱效率，深入研究內燃機缸內燃燒過程，燃燒分析系統的設計和試驗是關鍵。基于NI CRIO硬件平臺、LabVIEW虛擬儀器軟件開發的燃燒分析系統可以實現汽油、柴油發動機的p-V圖、放熱率、缸內溫度、IMEP、COV、爆震因子等參數的計算。開發出的系統在汽油發動機臺架上試驗，對比結果表明參數計算算法合理，精度符合要求，界面直觀操作方便。

Abstract： In order to study how to improve the thermal efficiency of internal combustion engine and the combustion process in cylinder， the design and test of combustion analysis system is the key.Based on NI CRIO hardware platform and LabVIEW virtual instrument software development， the combustion analysis system can realize the calculation of p-V diagram， heat release rate， cylinder temperature， IMEP， COV， knock factor and other parameters of gasoline and diesel engines.The system is tested on the gasoline engine bench， and the comparison results show that the parameter calculation algorithm is reasonable， the precision meets the requirements， and the interface is intuitive and easy to operate.

關鍵詞：汽油、柴油發動機;燃燒分析;測控系統;算法;軟件實現與界面設計

Key words： gasoline and diesel engines;combustion analysis;measurement and control system;algorithm;software implementation and interface design

中圖分類號：TK435? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0008-03

0? 引言

隨著國家節能減排法規日益加嚴，傳統內燃機領域希望提高內燃機的熱效率，大幅度實現節能減排效果。基于此，國內各大高校、企業對燃燒分析儀進行自主研發。由于國外燃燒分析儀價格昂貴，國內燃燒分析儀的規模化應用、用戶體驗有待提高，同時計算機、傳感器、信號處理等技術與時俱進，基于此，文章開發了一款內燃機燃燒分析系統，目前正處于定型生產階段，預計于2021年年初上市。

1? 項目目標確定及系統組成

本項目的目標是設計和開發一款內燃機燃燒分析系統，滿足國內化生產需求，達到技術協議要求的精度、性能的工程目標。該系統主要技術特征包括：汽油、柴油發動機單個和每個試驗循環的p-V圖、p-Φ圖、瞬時燃燒放熱率、累計放熱量、缸內溫度、IMEP、COV、最大缸壓、缸壓升高率、爆震信號處理等參數的計算和圖形化顯示。

該款燃燒分析系統的算法和軟件實現適用于柴油、汽油發動機臺架試驗。

2? 燃燒分析系統算法

燃燒分析軟件主要由缸壓采集、實時顯示、分析后處理、界面顯示組成。

燃燒分析軟件NI LabVIEW是基于數據流驅動的開發環境，可以兼顧其自身強大的數據流應用能力、虛擬儀器面板軟件開發方便以及Matlab強大的數值計算、算法開發能力等優點。且避免了LabVIEW在算法上的復雜操作和Matlab在工業采集數據流方面的不方便。

2.1 燃燒參數計算理論

從采集的p-Φ圖計算燃燒放熱率的出發點是熱力學第一定律。燃料燃燒放出的熱量一部分傳給工質，用于增加工質的內能并對外做功，一部分通過燃燒室壁面散失到冷卻水中。

即氣缸內的能量守恒方程進行計算：

式中，QB、Q、Qw分別代表燃料放熱量、？駐U工質吸熱量和散熱量，W為工質內能變化，為工質對活塞所作的機械功。

對曲軸轉角？漬取微分，得：

在數值計算中常用差商代替微商，在一個工作循環的步長曲軸轉角？駐？漬內：

因此根據實測的p-Φ圖示功圖及有關參數，分別計算出？駐U、？駐W、？駐QW，從而計算？駐？漬步長內的燃燒放熱量？駐QB。

為將公式（3）計算數值化，采用如下方法：

①單換能器方法THE SINGLE TRANSDUCER METHOD[4]——假設在周期開始關閉閥門后，不會有質量通過系統邊界傳遞。凈放熱速率（包括做功和熱能增加）可表示為如下公式：

公式（4）用于計算單換能器法的熱釋放率Qn，使用測量量P和V及其導數。其中比熱容公式為[5]：

當T<1000K時：

其中：n：發動機轉速;A：換熱面積;T：氣缸內工質瞬時溫度;Tw：壁面的平均溫度;ag：瞬時平均換熱系數。

2.2 爆震因子

爆震因子是爆震識別的重要方法，Siemens公司設計的VDO算法因為計算準確可靠而得到廣泛工程應用[6]。采用VDO算法計算爆震因子的公式如下：

本文在VDO算法基礎上進行改進應用，主要改進措施是采用適配的濾波算法和閾值濾波等方法。當爆震因子大于3（設定的門檻值）則判定為爆震事件，當爆震事件個數占總循環的比值來衡量爆震強度KI。當KI<1%，判定為無爆震;當1%<KI<5%，判定為輕微爆震;當5%<KI<10%，判定為輕爆震;當KI>10%，判定為強爆震。

2.3 IMEP COV

指示平均有效壓力IMEP是對p-Φ圖求積分，反應發動機的燃燒穩定性，即Pi的變化系數，計算公式如下：

其中STD為標準偏差，單位[bar];MEAN為平均值，單位[bar]。

軟件自動計算出每個循環的IMEP值并顯示曲線，IMEP平均值，樣本標準偏差，得到COV_IMEP。當COV_IMEP小于5%說明發動機燃燒穩定，當COV_IMEP大于5%則燃燒不穩定。

3? 數據對比

該試驗發動機為一臺兩缸4沖程排量750cc的汽油發動機。通過設置發動機參數作為燃燒分析軟件的界面輸入。將自主研發的燃燒分析系統與奇石樂KiBox和上位機KiBoxCockpit軟件的數據進行對比。

3.1 最大爆壓及對應角度

每個循環單缸最大爆壓如圖1所示。最大爆壓及對應角度的平均值對比結果如表1所示。

3.2 缸內溫度

發動機轉速為4000rpm下計算得到瞬時缸內溫度對比數據如圖2所示，每個循環下最大缸溫如圖3所示。

3.3 爆震因子

通過計算爆震因子以及信號峰值等參數，每個循環下爆震因子如圖4所示。

4? 結論

文章對內燃機燃燒分析系統進行仿真計算、軟硬件設計和相關試驗開發驗證。并在汽油發動機臺架上將自主研發的燃燒分析系統與奇石樂的Kibox進行對比試驗，結果表明自研系統新增了缸內溫度等參數，其余參數計算算法合理，精度符合要求，界面直觀操作方便。

參考文獻：

[1]王兆文，郭凱，武文杰，等.基于實時性優化的內燃機燃燒分析系統研究[J].農業機械學報，2020，51（01）：372-382.

[2]武文杰.柴油機燃燒放熱率實時分析系統的設計與開發[D].武漢：華中科技大學，2018.

[3]朱訪君，吳堅.內燃機工作過程數值計算及其優化[M].北京：國防工業出版社，1997.

[4]Grimm， B. M.， Johnson， R. T.， 1990， “Review of Simple Heat Release Computations”， SAE Technical Paper Series 900445.

[5]Hayes， T. K.， Savage， L. D.， Sorenson， S. C.， 1986， “Cylinder Pressure Data Acquisition and Heat Release Analysis on a Personal Computer”， SAE Technical Paper Series 860029.

[6]康健.基于動態窗口及統計方式的汽油機爆震識別方法[D].重慶：重慶大學，2010.

[7]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2017.