邵永松

（鎮(zhèn)江潤(rùn)欣科技信息有限公司 212009）

論汽缸燃燒殘留氣體對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比評(píng)估的影響

邵永松

（鎮(zhèn)江潤(rùn)欣科技信息有限公司 212009）

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析評(píng)估系統(tǒng)的研究起步較晚，與國(guó)際水平相比還有較大差距?；诖?，本文在對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析評(píng)估系統(tǒng)詳實(shí)把握的基礎(chǔ)之上，通過(guò)分析目前發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估分析系統(tǒng)存在的缺陷，深入探討了汽缸燃燒殘留氣體對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比評(píng)估的影響，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，使得后期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估更加準(zhǔn)確。

發(fā)動(dòng)機(jī)；空燃比評(píng)估；燃燒殘留

引言

目前隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際化水平的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能評(píng)估系統(tǒng)現(xiàn)已達(dá)到高準(zhǔn)確度、靈敏度以及適用性強(qiáng)等水平，現(xiàn)代化以及專業(yè)化水平得到極大程度上的提升。相比較而言，國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能評(píng)估水平較國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距，究其原因是，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)綜合性汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試設(shè)備廠商，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試大多靠引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)測(cè)試設(shè)備來(lái)完成，缺乏自主創(chuàng)新化研究；且評(píng)估測(cè)試方法也有一定的局限性，準(zhǔn)確度及效率較低。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析系統(tǒng)中，一般不考慮汽缸內(nèi)殘留氣體對(duì)下一次燃燒的影響，對(duì)每個(gè)周期空燃比的計(jì)算不夠精確。而空燃比是性能分析中的重要參數(shù)，不考慮其變化的計(jì)算將導(dǎo)致后續(xù)的性能分析結(jié)果不能真實(shí)反映實(shí)際工況，從而導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估出現(xiàn)誤差，最終嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠質(zhì)量。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析評(píng)估

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析評(píng)估系統(tǒng)主要包括下列評(píng)價(jià)指標(biāo)：動(dòng)力性能指標(biāo)（包括有效功率、有效轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及活塞平均速度等）、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)（包括有效熱功率及有效燃油消耗等）、強(qiáng)化指標(biāo)（包括升功率及強(qiáng)化系數(shù)等）、有害物質(zhì)排放指標(biāo)（包括CO、HC、NOx及微粒等）、其他運(yùn)行性能指標(biāo)（包括噪聲及冷起動(dòng)等）以及使用性能指標(biāo)（包括可靠性、耐久性及便捷維修特性等）。

一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能分析系統(tǒng)包括運(yùn)行信息的捕獲、處理、計(jì)算機(jī)及測(cè)控分析等內(nèi)容。其中，信息捕獲系統(tǒng)的任務(wù)是用各種傳感器拾取發(fā)動(dòng)機(jī)被測(cè)點(diǎn)的信號(hào)參數(shù)值；信息預(yù)處理系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其作用相當(dāng)于多路測(cè)試系統(tǒng)中的多功能二次儀表的集合，它可將測(cè)控系統(tǒng)中的所有傳感器輸出信號(hào)經(jīng)衰減、濾波、放大、整形后輸入計(jì)算機(jī)的高速輸入端。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)上裝配的傳感器是控制和判斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障的關(guān)鍵部件，但其輸出的電信號(hào)千差萬(wàn)別，無(wú)法直接被計(jì)算機(jī)應(yīng)用，可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理系統(tǒng)處理后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。

2 汽缸燃燒殘留氣體對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比評(píng)估的影響

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比即為氣缸燃?xì)庵锌諝赓|(zhì)量A與燃料質(zhì)量F間的混合配比關(guān)系：A/F（A：air-空氣，F(xiàn)：fuel-燃料）?？杖急仍诎l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能評(píng)估系統(tǒng)中發(fā)揮重要的功效，它對(duì)尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。

在實(shí)測(cè)分析過(guò)程中，為保證較高水平的廢氣催化率，要求排氣管內(nèi)安裝氧傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備并可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，氣體中氧氣濃度可由氧傳感器采集得到，同時(shí)將采集的信息進(jìn)行預(yù)處理，以電信號(hào)的形式通過(guò)ECU對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比進(jìn)行一定的控制，最大限度接近理想情況。如果空燃比過(guò)高，會(huì)極大地影響氮氧化物轉(zhuǎn)化率，而對(duì)于CO和HC的轉(zhuǎn)化率略有提高，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比需通過(guò)正常的氧傳感器使其控制在一定的合理范圍內(nèi)。如果燃油中含鉛、硅就會(huì)造成氧傳感器中毒。此外，若設(shè)備使用不當(dāng)，還會(huì)造成氧傳感器積碳、陶瓷碎裂、加熱器電阻絲燒斷、內(nèi)部線路斷脫等故障。氧傳感器在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的數(shù)據(jù)采集作用，其性能直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的控制水平以及排氣性能，氧傳感器功效的缺失將極大地減弱催化轉(zhuǎn)化器效率，長(zhǎng)期性的功能缺失也會(huì)降低催化轉(zhuǎn)化器的使用期限。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，氣缸內(nèi)由于燃燒不完全的燃油以及竄入燃燒室的機(jī)油與外部其它雜質(zhì)在氧氣和高溫作用下，凝聚在燃燒室壁面及活塞頂部，形成燃燒殘留，積碳其厚度可達(dá)幾毫米。不宜傳熱，溫度較高，在進(jìn)氣、壓縮過(guò)程中不斷加熱混合氣，使溫度升高很快；考慮燃燒殘留自身體積影響，占據(jù)燃燒器內(nèi)相應(yīng)位置，使系統(tǒng)壓比上升，在一定程度上擴(kuò)展激冷區(qū)域，進(jìn)而使HC排量上升。這種現(xiàn)象在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)、怠速和暖機(jī)時(shí)對(duì)于碳?xì)浠衔锏呐欧帕坑绊戄^大；同時(shí)壓縮比的升高，使得最高燃燒溫度增加，氮氧化物的排放量增加，這些因素也都會(huì)促使爆燃傾向增加；此外，較高的溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)表層易產(chǎn)生熾熱點(diǎn)，導(dǎo)致點(diǎn)火現(xiàn)象發(fā)生，引發(fā)安全事故。

3 本項(xiàng)目研究進(jìn)展

（1）吸入新氣量是對(duì)吸氣口等的傳熱，殘留的氣體在風(fēng)向倒轉(zhuǎn)和再吸入期間在氣缸內(nèi)的傳熱，而新氣吸入期間會(huì)在氣缸內(nèi)傳熱。通常來(lái)說(shuō)，所有吸氣對(duì)活塞工作過(guò)程中都是有影響的。

（2）上述的影響對(duì)于吸氣口的傳熱影響最大為30%左右，在發(fā)動(dòng)機(jī)全開的情況下，氣缸內(nèi)的傳熱影響在±1%左右，而低負(fù)荷時(shí)為+5%左右，同時(shí)該影響對(duì)新氣量也有一定作用。

（3）采用新的計(jì)算方式，用實(shí)際測(cè)量值，通過(guò)提高吸入新氣量的精度，可對(duì)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)空燃比進(jìn)行精確的計(jì)算。

本項(xiàng)目通過(guò)模擬技術(shù)從每次實(shí)時(shí)的計(jì)算中得到本次殘留的可能情況，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)的采集得到殘留的數(shù)據(jù)，再通過(guò)綜合分析得到實(shí)際的殘留工況，結(jié)合下次采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算空燃比的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，使用動(dòng)態(tài)的高精度空燃比進(jìn)行分析計(jì)算。該計(jì)算方式在分析精度上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用現(xiàn)有方法計(jì)算的系統(tǒng)，使得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估更加準(zhǔn)確。

通過(guò)考慮殘留工況，在ECU的控制發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略上（控制點(diǎn)火時(shí)間和噴油量），提高了空燃比的計(jì)算精度，也提高了熱平衡的計(jì)算精度。試驗(yàn)證明，與原來(lái)的控制策略相比，本項(xiàng)目可減少（CO等）排放量4%左右。

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2016-3-1