根据排气压力波确定发动机排气顺序的研究

2019-04-17王希波范艳辉刘新磊周长峰李爱娟慈勤蓬

内燃机与动力装置 2019年1期

王希波，范艳辉，刘新磊，周长峰，李爱娟，慈勤蓬

(山东交通学院汽车工程学院，山东济南 250357)

0 引言

柴油机排气管内的压力波动由间歇性的排气过程引起。在一个循环内，排气压力波曲线上的大幅度波峰的数目与排气管连接的气缸数目一致，通常需要根据同步采集的上止点信号确定压力波峰由哪个气缸排气引起[1-4]。在条件所限无法采集上止点信号时，可根据压力波分布形态判断发火顺序[5]。传感器的安装位置、发动机发火顺序和排气管形式对压力波曲线的形态有很大影响，需要根据具体机型，确定发火顺序辨识方法。

本文中结合仿真分析与测试结果，仅根据排气压力波曲线，确定4缸柴油机的排气顺序和压力波峰来源。为发动机故障诊断或排气压力波分析提供一个确定压力波来源的方法。

1 排气顺序识别方法

柴油机排气压力波的测试位置随测试目的不同而不同[6-8]。在测试从排气口到排气总管出口的压力波动传递规律时，需要分别测量各排气歧管的压力波和排气总管出口的压力波。在测量排气歧管压力波动时，压力传感器可采用静压测量方式，瞬态压力传感器经由盘管连接到排气歧管上，如图1所示。传感器所在气缸排气速度最大时，排气歧管内出现压力波峰，此时总压和静压的差别最大；其他气缸排气时，依据传感器所连排气歧管与总管的连接方式，所测压力介于发火气缸排气歧管的静压和总压之间。

4缸柴油机排气管如图2所示。1缸排气时，在1缸排气歧管的测点上，测得静压；在3缸和4缸的排气歧管的测点上，测得的是排气总管出口处的总压；根据三通流动的特点，由于引射作用，在2缸排气歧管上测的压力大小介于2缸排气歧管与总管交汇处的静压和总压之间。在第2缸排气时，2缸排气歧管上测得静压，1、3、4各缸排气歧管上的测点均测得相应位置的总压。

图1 传感器安装示意图2 排气管结构示意

对于图2所示的排气管，各缸排气歧管所采集到的压力波峰的总压差别主要是沿程损失和局部损失造成的。由于4缸机排气管总体长度较短，从排气管进口到排气管出口所经历的三通结构较少，排气管中总压降低幅度较小，可采用总压与静压幅值的差别进行排气脉冲顺序的识别。在各缸排气歧管上所测得压力波曲线上，一个循环内，幅度最低的压力波峰是测点所在气缸排气造成的；再根据发动机的发火顺序，可确定排气压力波曲线上每个压力波峰来自于哪个气缸排气。

2 仿真结果分析

仿真计算方法是研究排气压力波动的重要方法[9-12]。为了验证上述脉冲顺序识别方法的有效性，建立一个4缸柴油机的仿真模型，观察柴油机排气歧管中总压与静压之间是否有足够的差别，以识别柴油机排气顺序。仿真模型的发火顺序是1—3—4—2，排气管出口位于第2缸和第3缸之间，排气管连接涡轮入口。

柴油机转速为1200 r/min、全负荷工况计算得到的总压与静压如图3所示。

a) 第1缸歧管 b) 第2缸歧管图3 第1缸和第2缸排气歧管压力波

图3a)是一个循环内第1缸排气歧管的静压和总压。可见，第1缸排气所产生的静压最低，其余三缸排气时产生的静压较高。从总压与静压的差别来看，第1缸排气时总压与静压的差别最大，第1缸排气歧管内所测的静压脉冲峰值最低，其余三缸排气时第1缸排气歧管内的静压与总压的差别不明显。

图3b)是第2缸排气歧管的静压和总压。第2缸排气时，第2缸排气歧管内的总压和静压差别明显，管内所测得静压脉冲峰值最低，其余三缸排气时，第2缸排气歧管内的静压和总压没有明显区别。

由于1、4两缸排气歧管和2、3两缸排气歧管均关于排气管出口对称，所以第1、2缸排气管内的总压与静压的关系分别与第4、3缸排气歧管内的规律一致。在4缸柴油机的排气循环内，任一气缸的排气歧管内会出现4个静压力脉冲，峰值最低的脉冲由该排气歧管所在气缸的排气产生。

为进一步分析排气管结构因素对总压和静压关系的影响，也对6缸机进行建模和仿真分析，发火顺序为1—5—3—6—2—4，发动机仿真模型的涡轮采用双入口涡轮，排气管出口置于第3、4缸之间，1、2、3缸共用1根排气总管，4、5、6缸共用1根排气总管。转速为1800 r/min全负荷工况计算得到的排气压力波如图4所示。气缸排气时产生的静压力脉冲幅值都低于同1根排气管上其他缸在该缸歧管上所产生的静压脉冲幅值。除排气气缸外，其余气缸在排气歧管产生的总压和静压一致，只有正在排气的排气歧管上，静压明显低于总压脉冲。结果显示6缸机的各缸排气歧管静压与总压的关系与4缸机基本一致。

a) 第1缸歧管 b) 第2缸歧管 c) 第3缸歧管图4 第1、2、3缸排气歧管压力波

计算结果表明，排气歧管内所测静压脉冲数与其所在排气总管所连的气缸数一致；各缸排气歧管所测的静压脉冲中，峰值幅度最低的一个脉冲是该排气歧管所在气缸排气产生的，因此可由静压脉冲幅值来判断排气脉冲的顺序。

3 试验结果分析

在直列4缸柴油机上进行排气压力波的测试，柴油机的发火顺序为1-2-4-3，在各缸的排气歧管上布置测点，同步测量各缸排气歧管的压力波动。分别测试了1200、1400、1600、1800和2000 r/min的排气压力脉冲。1600 r/min时的排气压力脉冲如图5所示。

从图5a)中可见，第1缸歧管所测压力脉冲曲线上，波峰压力最低的脉冲是第4个压力脉冲；2缸歧管所测量压力脉冲上，波峰压力最低的是第1个脉冲；4缸歧管所测量的压力波上，波峰压力最低的是第2个脉冲；3缸歧管所测量的最低脉冲是第3个脉冲；但第3缸歧管所测的第3个脉冲和第4个脉冲的压力差别很小，只有整个压力脉冲幅度的1.2%。最低压力脉冲出现的顺序为1—2—4—3，与柴油机的发火顺序一致。

a)1、2缸歧管压力波 b)3、4缸歧管压力波图5 1600 r/min时各缸排气歧管压力波

柴油机转速为1400 r/min时的测试结果如图6所示。1缸歧管所测的压力波上，波峰压力最低的是第4个脉冲；2缸歧管所测的压力波上，波峰压力最低的是第1个脉冲；4缸歧管所测的压力脉冲上，波峰压力最低的是第2个脉冲；3缸歧管所测的压力波曲线上，波峰压力最低的是第3个脉冲，但第3个脉冲与第4个脉冲的幅度差别非常小，是整个压力波幅度的0.8%。