车用柴油机在线动力性能监测方法研究

2014-10-31赵春生张志军刘艳利李耀宗

小型内燃机与车辆技术 2014年3期

赵春生张志军刘艳利李耀宗

(中国北方发动机研究所天津 300400)

引言

柴油机是车辆的“心脏”，其运行状态的好坏，直接影响到车辆的工作状态。因此，对其进行状态监测和故障诊断，确保系统正常、安全运行，处于最佳运行工况，提高车辆的维修质量和效率是十分必要的，而且也具有重要的经济意义。随着现代科学技术的发展以及自动化程度的提高，内燃机状态监测和故障诊断技术已从最开始的事后维修发展到定时检测、再到现代故障诊断技术的视情维修。与其它类型机械的故障诊断一样，内燃机故障诊断首先必须对故障机理进行研究，并以故障信号的检测及处理为基本技术，以故障信号处理和特征提取理论为基本理论，以基于特征的故障信息融合识别为基本方法［1］。

柴油机在工作时，曲轴向传动轴传递扭矩。由于柴油机每个工作循环内气缸压力呈周期性变化，导致曲轴的扭矩也呈周期性变化，只是随气缸数目不同其频率不同;从柴油机曲轴输出端直到车辆传动和走行部分都受这个交变扭矩的作用。可见，曲轴输出扭矩是表征柴油机技术状况的重要参数之一。随着使用期的增加，在相同油量下，曲轴的输出扭矩会减小。若通过曲轴输出扭矩评估柴油机的技术状况，则需要检测曲轴的瞬时扭矩。实车检测柴油机的瞬时扭矩，在技术上有一定的难度，主要是车用柴油机曲轴暴露在外的轴段部分很短，且轴段较粗，应变有限［2］。

本文针对实车条件下，柴油机扭矩参数难以获取的问题，开展柴油机转速、驱动力、扭矩和油门位置关联关系研究，通过计算和标定间接得到柴油机的扭矩，从而为柴油机在线性能评估奠定基础。

1 基本原理

1．1 车辆行驶驱动力与柴油机扭矩关系

车辆行驶的驱动力Fkp按下式计算:

式中，Ttq为柴油机输出扭矩;ik为变速器传动比;i0为减速器传动比;ηm为传动系效率;rk为车轮滚动半径。

驱动力和阻力相平衡按下式计算:

式中，Ff为滚动阻力，即

其中，m为车辆质量;g为重力加速度;f为滚动阻力系数。

Fw为风阻力，即

其中，c为空气阻力系数;ρk为空气密度;s为车辆正面投影面积;v为车辆行驶速度。

Fi为爬坡阻力，当坡度角小于15°时，

其中，αi为爬坡角度(rad)。

Fa为加速阻力，即

其中，δ为旋转质量转换系数;a为加速度。

由以上计算公式可知，在车辆行驶过程中，通过测取车速、坡度和加速度，便可得到车辆驱动力，由此可得到柴油机的扭矩。

1．2 转速、齿杆位移和扭矩关系

柴油机与从动机具的工作特性相匹配时，其转速和输出扭矩必须通过自动装置调节或人工干预，按从动机具的阻力特性来进行调节，不同的转速和扭矩对应其不同的运行状态。通常，将柴油机的运行状态称为工况。柴油机在正常情况下，转速和齿杆位移决定了柴油机扭矩的唯一性。这样，就可以在标准环境状态下，利用台架试验获取柴油机标准扭矩Map图。通过实际使用环境参数的修正，可得到柴油机当前工况的标准扭矩值。与公式(1)计算出的实际输出扭矩值进行比对，便可对柴油机的性能进行准确判定。

1．3 环境参数与柴油机扭矩关系

柴油机发出的功率取决于吸入气缸的空气量，在进气时的充气量取决于它的进气方式、大气密度、大气温度、相对湿度等因素。其中环境温度对柴油机的充气量影响较大:温度一方面影响大气的密度，另一方面影响柴油机的充气效率。随着环境温度的升高，柴油机的进气流量减小、燃烧恶化，导致功率、扭矩随环境温度升高呈一定规律下降，造成整机动力性不足、经济性降低。图1为空气密度与环境温度变化关系图。

图1 空气密度与环境温度关系

另外，大气密度对柴油机性能也有重要的影响，随着海拔的升高，空气密度减小，进气压力降低，导致吸入柴油机气缸内的空气量减少、压缩终了的缸内压力和温度降低，滞燃期和燃烧持续期变长，后燃严重，整机性能恶化。图2为空气密度与环境压力变化关系图。

图2 空气密度与环境压力关系

利用柴油机高原、高温台架试验，可获取柴油机在不同环境条件下的功率降，便可得到不同环境条件的扭矩修正系数。

2 监测系统

2．1 数据采样时刻与逻辑框图

柴油机动力性、经济性的判定主要是基于常用转速高负荷运行时，无必要实时监测。因此，数据采样时刻的选择是当柴油机转速、齿杆位移相对稳定，且齿杆位移大于50%油量。即相对于车辆来讲是在平坦路面上匀速行驶。这样，公式(2)可简化为:

柴油机动力性能状态监测逻辑框图见图3。

图3 动力性能状态监测逻辑框图

2．2 阈值确定

车用柴油机标定功率是根据车辆最大功率行驶情况确定，通常是以车辆在良好道路上用最大速度行驶时所需要的功率来确定发动机标定功率。柴油机的功率下降势必会影响到车辆的动力性，即最大速度、加速性、爬坡及转向性能下降，严重影响了车辆技术效能发挥。参照柴油机台架可靠性试验技术规范，规定功率下降不大于5%为阈值特征。