增压直喷汽油机各缸燃烧不均匀性试验研究

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(1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆，401122；2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，湖南长沙，410082；3.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆，401122)

对多缸发动机而言，各缸工作参数不均匀性是评价其综合性能的一个重要指标[1-3]。由于进、排气压力波动和进排气系统结构不规则、过量空气系数(λ)闭环控制只能反映各缸过量空气系数的平均值以及各缸加工制造存在误差的影响，多缸发动机各缸进气量、气流强度、油气混合均匀度、缸内残余废气系数(RGF)等参数不可避免地会出现差异性[4-6]，从而导致各缸燃烧、排放和热力学性能出现不均匀性，最终影响多缸发动机的经济性、排放性、振动噪声和工作稳定等多项性能。针对多缸发动机各缸工作性能的不均匀性，国内外研究者进行了大量研究工作[7-11]。樊新海等[12]对坦克柴油机排气噪声测试信号进行了时域特殊处理，建立了一种适用于实车不解体检测的各缸工作不均匀性评价新方法。张国昌[13]测试了某直列燃气发动机缸内压力、瞬时转速及同步信号，分析了各缸进气不均匀性对发动机造成的影响，发现在小负荷时循环变动率较大，随着负荷增加，循环变动率有所增大。杜巍等[14]测量了多缸柴油机瞬态压力和瞬时转速波动，分析了瞬时转速波动和各缸燃烧不均匀性的相关性。EINEWALL等[15]研究了1台6 缸天然气发动机在13 点工况下各缸的不均匀性，发现各缸缸压和排放的不均匀性较大，提出了将喷射器放置在增压器之前降低各缸燃烧不均匀性的策略。PARK等[16]研究了稳态工况下混合器类型对重型CNG发动机各缸燃烧不均匀性的影响，证实了混合器类型不影响CNG 发动机各缸燃烧不均匀性和燃烧稳定性。虽然许多学者对发动机各缸工作过程不均匀性开展了大量研究，但其研究主要集中在各缸进气和工作性能不均匀性方面，对各缸缸内燃烧过程不均匀性的研究较少，尤其在耦合换气过程和缸内燃烧过程中开展各缸不均匀性的研究更少，此外，尚没见对增压直喷汽油机各缸燃烧不均匀性研究的报道。为此，本文作者基于AVL台架测试设备，对1台先进车用增压直喷4缸汽油机进行试验研究，对4个缸的进排气过程和缸内工作过程进行检测，在此基础上探索各种工况下增压直喷汽油机各缸燃烧不均匀性的变化规律及其影响因素，以便为改善多缸汽油机在各种工况下各缸燃烧不均匀性提供理论指导。

1 内燃机各缸燃烧不均匀性试验

本文的研究对象为一款先进轿车用直列4 缸、进气增压、缸内直喷汽油机，也是目前主流的乘用车汽油机之一，其基本参数如表1所示。为了探索该增压直喷汽油机各缸燃烧过程不均匀性的变化规律及其影响因素，针对该机进行外特性和部分负荷工况下的发动机台架试验，其中，主要测试仪器和设备的型号及精度如表2所示，发动机台架试验原理如图1所示。

在发动机各缸的进排气道靠近气阀处安装压力传感器，测试各种工况下发动机各缸的进排气压力等参数，为各缸燃烧过程参数的影响因素分析提供基础数据。为了测试发动机各缸燃烧过程的不均匀性，在4个气缸的缸盖上各安装1个瞬态缸压传感器，连续采集各种工况下4个缸的瞬态压力，然后，将缸压信号经电荷放大器处理后传递给AVL 燃烧分析仪，经燃烧分析仪处理得到各缸的燃烧过程参数。结合实测缸压，可以根据发动机工作循环示意图计算得到平均指示压力(pIME)和泵气平均有效压力(pPME)等参数。

表1 试验发动机的基本参数Table1 Basic parameters of tested engine

在整个工作循环(曲轴转角为720°，其中，上止点曲轴转角为0°)内，发动机的平均指示压力(pIME)可以表示为

式中：p为缸内瞬时压力；dV为工作容积变化值；Vh为气缸有效工作容积。相应地，泵气平均有效压力(pPME)为

为方便对多缸发动机各缸性能不均匀性进行研究，引入1个评价各缸性能不均匀性的参数即相对偏差，对各参数在不同气缸之间的不均匀程度进行评价和分析。在1 个工作循环中，某缸参数α相对于各缸平均值的偏差定义为[17]

图1 发动机台架试验原理示意图Fig.1 Schematic diagram of IC engine test

式中：εα,i为第i缸的参数α(例如进气量)相对于各缸平均值的偏差(简称参数α的相对偏差)；αi为第i缸的参数α对应值；为各缸参数α的算术平均值。

2 试验结果及分析

2.1 外特性下各缸燃烧不均匀性分析

首先分析外特性下各缸燃烧过程的不均匀性。图2(a)和图2(b)所示分别为外特性下增压直喷汽油机各缸pIME及其相对偏差随转速的变化。从图2(a)和图2(b)可见：即便是先进的缸内直喷发动机，其各缸pIME也存在明显的不均匀性，在转速为4 000 r/min时，pIME最大绝对偏差(最大值和最小值之差)达到1.8×105Pa，而各缸pIME相对偏差基本在6%以内；在绝大部分转速范围内(最高转速除外)，第2和第4缸的pIME明显比第1和第3缸的大；然而，在最高转速区域(转速大于5 000 r/min)，除第1 缸外，其他各缸的pIME基本一致，各缸pIME相对偏差较小。pIME一方面取决于缸内燃烧和热功转换过程，另一方面取决于换气过程的pPME。图3所示为外特性下各缸pPME随转速的变化，图4和图5所示分别为外特性下各缸进气压力、排气压力随转速的变化。从图3可见：总体上，在外特性下除怠速和最高转速外，各缸pPME的均匀性比较好；在怠速工况下，由于第4 缸的排气压力较大(图5中虚线圆圈标记处)导致pPME较高；而在最高转速下，由于第2缸的排气压力较大(图5中实线圆圈标记处)，导致pPME较大；而在低转速工况下(图4中虚线圆圈标记处)，尽管第1 缸的进气压力明显偏小，但该缸的pPME并没有明显比其他缸的大，因此，在外特性下各缸pPME的不均匀性主要由排气压力引起[18]。虽然在怠速和最高转速下，各缸pPME不均匀性(绝对偏差)较大，但此时各缸pPME不均匀性的变化规律与各缸pIME不均匀性的变化规律相反，也就是说，各缸pPME的不均匀性缓解了各缸pIME的不均匀性。因此，外特性下各缸pIME不均匀的根本因素在于各缸燃烧过程的差异性。

表2 主要测试仪器和设备Table2 Main test instruments and equipment

图2 各缸pIME及其相对偏差随转速变化Fig.2 pIME and its relative deviation of each cylinder with engine speed

图3 各缸pPME随转速变化Fig.3 pPME of each cylinder with engine speed

图6和图7所示分别为增压直喷汽油机各缸最高爆发压力和最大缸压升高率随转速的变化。从图6和图7可见：总体上，各缸最高爆发压力和最大缸压升高率的变化规律基本相似，例如，除最高转速外(图6和图7中实线圆圈标记区域)，第2和第4缸的最高爆发压力和最大缸压升高率都明显比其他2 缸的高，这也与pIME的变化规律一致，表明缸内燃烧过程是导致各缸pIME不均匀的主要因素。外特性下最高爆发压力和最大缸压升高率的各缸不均匀性较大，前者各缸最大绝对偏差达到8.1×105Pa，后者各缸最大绝对偏差达到1.22×105Pa/(o)。此外，第2 和 第4 缸在4 000 r/min 和5 000 r/min时最大缸压升高率均超过5×105Pa/(o)，表明这2缸出现爆震趋势的可能性更大[19]。因此，通过对各缸最大缸压升高率不均匀性进行分析，可以评判各缸的爆震情况[20]。

图5 各缸排气压力随转速变化Fig.5 Exhaust pressure of each cylinder with engine speed

图6 各缸最高爆发压力随转速变化Fig.6 The maximum combustion pressure of each cylinder with engine speed

图8和图9所示分别为外特性下增压直喷汽油机各缸10%～90%燃烧持续期和50%燃烧点位置随转速的变化。从图8和图9可见：总体上，虽然在外特性下各缸10%～90%燃烧持续期存在明显不均匀性，但其变化规律并不明显(各缸偏差随转速交替变化)。现有大量研究表明，50%燃烧点位置是缸内热功转换效率的重要影响因素[21]。从图9可以看到：在1 500 r/min时，第1缸的50%燃烧点位置严重推后，由此导致缸内燃烧过程大部分在膨胀行程完成，燃烧持续期变长，最高爆发压力和最大缸压升高率下降，最终导致pIME下降(见图2)；此外，在5 200 r/min时，由于第3和第4缸的50%燃烧点位置离上止点更近(图9中实线圆圈所示)，导致这2缸的最高爆发压力和最大缸压升高率明显比其他2 缸的高，这也正是这2 缸pIME较大的重要原因。

图7 各缸最大缸压升高率随转速变化Fig.7 The maximum pressure rise rate of each cylinder with engine speed

图8 各缸10%～90%燃烧持续期随转速变化Fig.8 10%-90%combustion duration of each cylinder with engine speed

图9 各缸50%燃烧点位置随转速变化Fig.9 50%combustion position of each cylinder with engine speed

由于各缸的进气温度基本相同，因此，各缸进气量基本由各缸进气压力决定。在低转速工况下(图4中虚线圆圈标记处)，尽管第1 缸的进气压力明显比其他各缸的低(导致第1 缸混合气偏浓)，但第1 缸的燃烧速率反而较慢，这也说明进气量(或进气压力)对各缸燃烧过程的不均匀性影响并不是很大，而缸内气流组织起着更重要的作用。

2.2 部分负荷下各缸燃烧不均匀性分析

乘用车汽油机常用工作转速为2 000 r/min，因此，针对该转速下的试验结果进行分析。图10(a)所示为2 000 r/min下增压直喷汽油机各缸pIME随负荷的变化。从图10(a)可见：在中低负荷下，各缸pIME基本一致，其绝对偏差不明显；随着负荷增加，各缸pIME的绝对偏差逐渐增大，第2 和第4 缸的pIME明显比第1 和第3 缸的大，最大绝对偏差达到1×105Pa。图10(b)所示为各缸pIME相对偏差。从图10(b)可以看到，部分负荷下增压直喷汽油机各缸pIME相对偏差的峰值出现在低负荷工况。这是因为在低负荷下该汽油机pIME的绝对值较小，因此，很小的pIME绝对偏差都会引起较大的相差偏差。在小负荷时pIME的最大相对偏差超过20%，这也归因于在低负荷时汽油机各缸燃烧不稳定性较大。当转速为2 000 r/min时，各缸pIME循环变动率随负荷变化如图11所示。从图11中虚线圆圈标记可见：低负荷时，汽油机的燃烧循环变动率很大，且燃烧循环变动率的各缸不均匀性很大，也就是说，在低负荷时，燃烧不稳定性较大，加剧了各缸pIME的绝对偏差，再加上此时pIME较小，从而导致各缸pIME出现较大的相对偏差；当平均有效压力pBME大于4×105Pa 时，各缸pIME相对偏差趋于稳定，基本在4%以内，稍小于外特性下的各缸pIME相对偏差；与外特性下的情况一样，在绝大部分负荷范围内，第2和第4缸的pIME比第1和第3缸的大。

图10 转速为2 000 r/min时各缸pIME及其相对偏差随负荷的变化Fig.10 pIME and its relative deviation of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

图11 转速为2 000 r/min时各缸pIME循环变动率随负荷的变化Fig.11 Cycle variation rate of pIME of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

当转速为2 000 r/min时，各缸pPME及其相对偏差随负荷变化如图12所示。从图12(a)可以看到：该增压直喷汽油机各缸pPME的绝对值均随负荷增加而逐渐减小；在整个负荷范围内，第2和第4缸的pPME绝对值明显比第1 和第3 缸的大，各缸最大绝对偏差约为0.15×105Pa；pPME各缸不均匀性的变化规律与pIME各缸不均匀性的变化规律始终相反(即第2 和第4 缸的pIME偏高，其pPME的绝对值也偏高)；尽管pPME各缸偏差的绝对值比pIME小近1个数量级，但还是在一定程度上减缓了pIME的各缸不均匀性。与pIME变化规律相反，pPME的绝对值在高负荷时很小，这导致在高负荷时pPME的各缸相对偏差很大，最大值达到60%(如图12(b)所示)。

图12 2 000 r/min时各缸pPME及其相对偏差随负荷变化Fig.12 pPME and its relative deviation of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

当转速为2 000 r/min时，各缸进气压力和排气压力随负荷的变化分别如图13和图14所示。从图13和图14可以看到：在整个负荷范围内，进气压力的各缸均匀性都比较好，除了在低负荷时各缸不均匀性略不同外，在其他负荷下各缸进气压力曲线几乎重合。不同于进气压力，各缸排气压力的各缸不均匀性较明显；第2和第4缸的排气压力明显比第1和第3缸的高，这就直接导致第2和第4缸的pPME比第1 和第3 缸的高，因此，在部分负荷下，pPME的各缸不均匀性也主要由排气压力引起。但与外特性情况不同的是，在部分负荷下，各缸排气压力不均匀性的变化规律比较明显，这也是各缸pPME的各缸不均匀性比较稳定(各缸之间不会交替变化)的重要原因。

图13 转速为2 000 r/min时各缸进气压力随负荷的变化Fig.13 Intake pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

图14 转速为2 000 r/min时各缸排气压力随负荷的变化Fig.14 Exhaust pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

由上述分析可知，在部分负荷下，pPME不是引起pIME各缸不均匀性的因素，因此，引起各缸pIME不均匀的根本原因是各缸燃烧过程的不均匀性。当转速为2 000 r/min时，该增压直喷汽油机各缸最高爆发压力和最大缸压升高率随负荷的变化分别如图15和图16所示。从图15和图16可以看出：各缸pIME与各缸最高爆发压力以及最大缸压升高率有很好的对应关系：在整个负荷变化范围内，第2和第4缸的最高爆发压力和最大缸压升高率基本上都比第1和第3缸的大，尤其在中高负荷区域更加明显，这正好可以解释第2和第4缸的pIME比第1和第3 缸大的原因；在2 000 r/min、高负荷工况下，该增压直喷汽油机的各缸最高爆发压力绝对偏差最大值达9.2×105Pa，各缸最大缸压升高率绝对偏差最大接近0.9×105Pa/(°)，这也说明在高负荷工况下，缸内燃烧不均匀性比较明显。

图15 转速为2 000 r/min时各缸最高爆发压力随负荷的变化Fig.15 The maximum combustion pressure of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

图16 转速为2 000 r/min时各缸最大缸压升高率随负荷的变化Fig.16 The maximum pressure rise rate of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

当转速为2 000 r/min 时，各缸10%～90%燃烧持续期随负荷的变化如图17所示。从图17可见：总体来说，在低负荷时，各缸10%～90%燃烧持续期绝对偏差较大；当负荷大于10×105Pa 时，各缸10%～90%燃烧持续期基本一致。对比图10(a)和图17可以发现：10%～90%燃烧持续期对pIME的影响比较小；当负荷小于10×105Pa时，虽然各缸10%～90%燃烧持续期差异很大(见图17中圆圈标记处)，但各缸的pIME基本一致(各缸pIME的绝对偏差很小)；而在高负荷区域，尽管各缸10%～90%燃烧持续期基本一致，但各缸pIME、最高爆发压力和最大缸压升高率的绝对偏差都比较大。

图17 转速为2 000 r/min时各缸10%～90%燃烧持续期随负荷的变化Fig.17 10%-90%combustion duration of each cylinder with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

当转速为2 000 r/min 时，各缸50%燃烧点位置随负荷变化如图18所示。从图18可见：总体来说，各缸50%燃烧点位置的不均匀性较大，尤其在低负荷时更加明显，这也是造成低负荷时各缸pIME相对偏差较大的原因之一；在很小负荷时，第2缸的50%燃烧点位置明显比其他3缸(更靠近上止点，见虚线圆圈标记处)早，并且该缸的燃烧循环变动率较小(见图11)，最终导致该缸的pIME较大；此外，第1缸的50%燃烧点位置在绝大部分负荷下比较滞后(偏离上止点更远)，从而导致第1 缸的最高爆发压力、最大缸压升高率以及pIME都较低。因此，50%燃烧点位置对各缸燃烧不均匀性的影响要明显比10%～90%燃烧持续期的影响大。

图18 转速为2 000 r/min时各缸50%燃烧点位置随负荷的变化Fig.18 50%combustion position of each cylinder along with engine load when rotation speed is 2 000 r/min

3 结论

1)在外特性下，随着汽油机转速增加，各缸平均指示压力pIME的不均匀性增加，各缸泵气平均有效压力pPME的不均匀性变化不明显。各缸pIME相对偏差基本在6%以内。除最高转速外，第2 和第4缸的pIME明显比第1和第3缸的大。

2)在部分负荷下，各缸pIME、最高爆发压力、pPME、最大缸压升高率的不均匀性随着负荷的增加逐渐上升，但各缸燃烧循环变动率、50%燃烧点位置的不均匀性随着负荷增加基本不变；各缸10%～90%燃烧持续期的不均匀性随着负荷增加而下降。

3)不论是在外特性下还是在部分负荷特性下，各缸pPME的不均匀性的变化规律始终与各缸pIME的不均匀性的变化规律相反，因此，各缸pPME的不均匀性在一定程度上抑制了各缸pIME的不均匀性。

4)在低负荷时，汽油机的燃烧循环变动率较大且各缸燃烧循环变动率的不均匀性很明显，从而加剧了各缸pIME的不均匀性，这也是导致在低负荷时汽油机各缸pIME出现较大相对偏差的重要因素之一。