多缸柴油机瞬时转速与各缸一致性分析

王海，彭忆强，韩志强，张少朋

（西华大学交通与汽车工程学院汽车测控与安全四川省重点实验室，四川成都610039）

多缸柴油机瞬时转速与各缸一致性分析

王海，彭忆强，韩志强，张少朋

（西华大学交通与汽车工程学院汽车测控与安全四川省重点实验室，四川成都610039）

为使ECU通过提取瞬时转速完成发动机各缸一致性控制，提出每隔30℃A提取一个发动机瞬时转速，并以DK4A多缸柴油机为试验平台，测量发动机在1 600 r/min稳态工况下，不同负荷下常用的每隔6℃A和提出的每隔30℃A的瞬时转速。每隔30℃A得到的瞬时转速曲线能很好地表征瞬时转速的波动性，提取曲线上的特征参数，得到各缸一致性和每隔6℃A结论基本一致，说明每隔30℃A提取稳态工况下瞬时转速也能准确判断各缸一致性，节约ECU的运算资源。

多缸柴油机；瞬时转速；各缸一致性

本文在一台涡轮增压4缸柴油机上，通过测量发动机转速为1600 r/min的条件下，不同负荷的瞬时转速，分析负荷与柴油机瞬时转速及表征各缸一致性的特征参数，如：各缸瞬时转速的最大值、最小值、波动率、循环波动率之间的关系，通过特征参数判断发动机各缸一致性。同时，对比间隔不同曲轴转角测量到的瞬时转速，发现每隔30℃A提取发动机转速也能很好地表征瞬时转速的波动性，通过提取瞬时转速曲线的特征参数也能很好地判断各缸一致性，降低了瞬时转速的运算量，有助于将瞬时转速法判断各缸一致性运用于实车。

1 试验系统组成

试验系统包括ET2000测控系统、电力测功机、曲轴信号传感器、信号处理电路板（实现滤波、整形）、NI-6259数据采集卡、涡轮增压4缸柴油机。试验台架配置如图1所示。

图1 试验台架配置图

在试验过程中，缸内压力的获取采用自行研发的缸压采集系统，ET2000测控系统采用N/P（定转速/定油门开度）模式，控制发动机平均转速为1600 r/min，油门开度从20%增加到80%，增加的步长为20%，所设定试验工况的参数如表1所示。

表1 试验工况

2 特征参数处理方法

对于多缸发动机各缸一致性，主要采用最大瞬时转速、最小瞬时转速、各缸波动率、各缸循环波动率等特征参数来评价，波动率δ（i）、循环波动率Coνn（i）的计算方法为

式中：nmean（i）——第i缸做功阶段瞬时转速平均值；

ni（j）——第i缸做功阶段第j个瞬时转速值；

σn（i）——第i缸做功阶段瞬时转速标准偏差；

Coνn（i）——第i缸做功阶段瞬时转速循环波动率；

nmax（i）——第i缸做功阶段最大瞬时转速；

nmin（i）——第i缸做功阶段最小瞬时转速；

δ（i）——第i缸做功阶段瞬时转速波动率[7]。

3 试验结果及分析

3.1 同转速不负荷瞬时转速波形分析

通过NI采集卡USB-6259，每隔6℃A和30℃A采集一个瞬时转速信号；每隔0.5℃A采集一个第一缸的缸压信号。为了减小循环变动的影响，在稳定工况下连续采集10个工作循环的数据，进行平均后再计算分析，各试验工况的发动机运行参数如表2所示。从表中可以看出随着负荷从18N·m增大到196 N·m，进气量从83.0 kg/h增大到167.4 kg/h，说明负荷越大进气量越大。进气量越大，压缩冲程中压缩阻力越大，对活塞的减速作用更大，造成最小瞬时转速减小。

表2 发动机运行参数1）

图2和图3为发动机在平均转速为1600 r/min，分别工作于不同负荷下的每隔6℃A和30℃A采集的一个瞬时转速信号，从而得到瞬时转速波动曲线。图中曲轴转角0°表示发动机处于第一缸压缩上止点。

从图中可以看出，同转速下瞬时转速波动曲线基本一致，但随着负荷从18N·m增大到196N·m，缸内的平均有效指示压力从2.2 bar（1 bar=105Pa）增大到11.0 bar，瞬时转速曲线的波峰值增大，波谷值减小。其最大瞬时转速都在气缸做功冲程内，负荷越大平均指示有效功的值越大，说明气缸在做工冲程中做功越大，造成最大瞬时转速越大；而最小瞬时转速都在气缸压缩冲程内。对比图2和图3可以看出，图3由于每个循环测量点少，造成曲线的连续性不如图2，但是瞬时转速的波动趋势基本保持一致，说明图3在一定程度上表征了瞬时转速的特性。

图2 每隔6°CA瞬时转速曲线

图3 每隔30°CA瞬时转速曲线

3.2 提取瞬时转速特征参数判读各缸一致性

表3为分别提取某一缸在每6℃A和每30℃A，发动机在平均转速为1600 r/min时，不同负荷瞬时转速曲线上的特征参数值，其中工况序号如表2所示。从表3可以看出：同转速下随着指示有效压力（IMEP）从2.2 bar增大到11 bar，该缸的最大瞬时转速从1 610.8 r/min增大到1 699.7 r/min；最小瞬时转速从1 587.3 r/min减小到1 500.9 r/min；波动率从1.47%增大到12.4%，循环变动率从0.47%增加到4.78%，说明在同转速下各缸特征参数值会随着负荷变化而变化。

对比表3中每隔6℃A和30℃A提取的某一缸特征参数，可以发现：前者的特征参数普遍比后者大，相对误差基本为负；但最大瞬时转速和最小瞬时转速的相对误差都小于±0.5%，循环波动率最大相对误差为3.76%，都在误差允许范围以内。这说明每隔30℃A提取的最大瞬时转速、最小瞬时转速能等同于6℃A提取到的最大瞬时转速和最小瞬时转速。两种不同采集曲轴间隔角度下，瞬时转速波动率的最大相对误差为-14.9%，最小相对误差为-5.13%；倒拖工况的波动率相对误差最大，40%油门开度下波动率相对误差最小，其中倒拖不属于正常工况。表中可以看出，随着负荷增大到40%，波动率的相对误差减小；负荷增大，波动率相对误差基本保持不变，那么波动率相对误差最大误差应该在小负荷下。而第2个工况点为发动机工作在油门开度20%下，其波动率相对误差-8.29%，虽不是1600 r/min下的最小负荷点，但其负荷已经很小，并且通过油门开度在40%时，其波动率相对误差为-5.13%。按等差预估，发动机在1 600 r/min正常工况下最大波动率误差在11%左右，误差偏大。

表3 不同曲轴间隔角某一缸特征参数

对比表4中每隔6℃A和30℃A提取的各缸特征参数的大小关系，可以看出，在除倒拖工况的其他工况下，特征参数大小关系基本一致。除去表4中1号工况的特征参数，其余4个工况的16个特征参数中14个特征参数的大小关系保持一致，相同率87.5%，准确率比较高。并且最小瞬时转速、波动率、循环波动率的大小关系完全一致，虽然波动率的测量误差相对较大，波动率的大小关系并不改变。那么用最小瞬时转速和波动率来判断各缸的一致性，两种方法得出的结论完全相同，说明提取每隔30℃A瞬时转速曲线上的特征参数依然能很好地判断各缸一致性。而常用的每隔6℃A提取一个瞬时转速点，在一个工作循环内需测量120个点，而每隔30℃A提取一个瞬时转速点，则只需在一个工作循环内测量24个点，可大大节省ECU的运算资源。

表4 特征参数大小关系是否相同

4 结束语

通过试验研究可得出如下结论：

同转速下瞬时转速波动曲线基本一致，但随着负荷增大，瞬时转速由于气体做功而增大，波峰值增大；随着进气量增大，压缩阻力增大，波谷值减小，波动率增大。

对比在1 600 r/min稳定工况下每隔6℃A和每隔30℃A得到的瞬时转速曲线上的特征参数，虽然两者得到的特征值存在一定误差，但4个缸的特征参数大小关系基本一致，表明提取每隔30℃A瞬时转速曲线上的特征参数也能很好的判断各缸一致性，并且可大大节约ECU的运算资源。

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Analysis the transient speed and the uniform ity of multi-cylinder diesel engine

WANG Hai，PENG Yiqiang，HAN Zhiqiang，ZHANG Shaopeng
（Key Lab of Automotive Measurement and Control and Satety of Sichuan Province，School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The transient speed of a crankshaft was used tocontrol the uniformity of each cylinder every 30℃A.Inexperiment，the transient speeds weremeasured under different loads at a steadystate condition of 1 600 r/min based on a DK4A multi-cylinder diesel engine every 6℃A and 30℃A.It is shown that，when the transient speedwas acquisitioned at the interval of 30℃A，the feature parameter can also be used to judge the uniformity of the cylinder.Therefore，the transient speed at the interval of 30℃A can be usedtoestimate the cylinder-by-cylinder uniformity so as to reduce the computation load of the electric control unit（ECU）.

multi-cylinder diesel engine；transient speed；cylinder-by-cylinder uniformity

A文章编号：1674-5124（2015）08-0122-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.028

0 引言

多缸发动机各缸工作不一致会降低柴油机运行的动力性和经济性，还将引起振动噪声、零部件磨损以及受热部件的热负荷加剧[1-3]。为了检测各缸工作一致性，目前常用检测方法有单缸熄火法[4]、排气噪声法[5]、转速波动法[6]等。杜巍等[6]通过测量瞬时转速，提取峰值信号修正各缸的喷油控制信号，提高发动机各缸一致性。Yang Jianguo和M.Lamraoui实现了基于瞬时转速的故障诊断[7-8]，但这些方法需要很高的瞬时转速运算能力，只能在台架试验中利用计算机完成瞬时转速运算，并不适合在实车上运用。

2014-08-15；

2014-10-08

四川省教育厅重点项目（11ZA284）

四川省高校科技创新团队项目（KYTD201003）

王海（1988-），男，四川眉山市人，硕士研究生，专业方向为发动机电控。