内燃机燃烧分析系统设计开发及试验验证

何烈永 郑晓丰 马国海 王树勇 周大权 张刚健

摘要：为研究如何提高内燃机的热效率，深入研究内燃机缸内燃烧过程，燃烧分析系统的设计和试验是关键。基于NI CRIO硬件平台、LabVIEW虚拟仪器软件开发的燃烧分析系统可以实现汽油、柴油發动机的p-V图、放热率、缸内温度、IMEP、COV、爆震因子等参数的计算。开发出的系统在汽油发动机台架上试验，对比结果表明参数计算算法合理，精度符合要求，界面直观操作方便。

Abstract： In order to study how to improve the thermal efficiency of internal combustion engine and the combustion process in cylinder， the design and test of combustion analysis system is the key.Based on NI CRIO hardware platform and LabVIEW virtual instrument software development， the combustion analysis system can realize the calculation of p-V diagram， heat release rate， cylinder temperature， IMEP， COV， knock factor and other parameters of gasoline and diesel engines.The system is tested on the gasoline engine bench， and the comparison results show that the parameter calculation algorithm is reasonable， the precision meets the requirements， and the interface is intuitive and easy to operate.

关键词：汽油、柴油发动机;燃烧分析;测控系统;算法;软件实现与界面设计

Key words： gasoline and diesel engines;combustion analysis;measurement and control system;algorithm;software implementation and interface design

中图分类号：TK435                                      文献标识码：A                         ;       文章编号：1674-957X（2021）12-0008-03

0  引言

随着国家节能减排法规日益加严，传统内燃机领域希望提高内燃机的热效率，大幅度实现节能减排效果。基于此，国内各大高校、企业对燃烧分析仪进行自主研发。由于国外燃烧分析仪价格昂贵，国内燃烧分析仪的规模化应用、用户体验有待提高，同时计算机、传感器、信号处理等技术与时俱进，基于此，文章开发了一款内燃机燃烧分析系统，目前正处于定型生产阶段，预计于2021年年初上市。

1  项目目标确定及系统组成

本项目的目标是设计和开发一款内燃机燃烧分析系统，满足国内化生产需求，达到技术协议要求的精度、性能的工程目标。该系统主要技术特征包括：汽油、柴油发动机单个和每个试验循环的p-V图、p-Φ图、瞬时燃烧放热率、累计放热量、缸内温度、IMEP、COV、最大缸压、缸压升高率、爆震信号处理等参数的计算和图形化显示。

该款燃烧分析系统的算法和软件实现适用于柴油、汽油发动机台架试验。

2  燃烧分析系统算法

燃烧分析软件主要由缸压采集、实时显示、分析后处理、界面显示组成。

燃烧分析软件NI LabVIEW是基于数据流驱动的开发环境，可以兼顾其自身强大的数据流应用能力、虚拟仪器面板软件开发方便以及Matlab强大的数值计算、算法开发能力等优点。且避免了LabVIEW在算法上的复杂操作和Matlab在工业采集数据流方面的不方便。

2.1 燃烧参数计算理论

从采集的p-Φ图计算燃烧放热率的出发点是热力学第一定律。燃料燃烧放出的热量一部分传给工质，用于增加工质的内能并对外做功，一部分通过燃烧室壁面散失到冷却水中。

即气缸内的能量守恒方程进行计算：

式中，QB、Q、Qw分别代表燃料放热量、？驻U工质吸热量和散热量，W为工质内能变化，为工质对活塞所作的机械功。

对曲轴转角？渍取微分，得：

在数值计算中常用差商代替微商，在一个工作循环的步长曲轴转角？驻？渍内：

因此根据实测的p-Φ图示功图及有关参数，分别计算出？驻U、？驻W、？驻QW，从而计算？驻？渍步长内的燃烧放热量？驻QB。

为将公式（3）计算数值化，采用如下方法：

①单换能器方法THE SINGLE TRANSDUCER METHOD[4]——假设在周期开始关闭阀门后，不会有质量通过系统边界传递。净放热速率（包括做功和热能增加）可表示为如下公式：

公式（4）用于计算单换能器法的热释放率Qn，使用测量量P和V及其导数。其中比热容公式为[5]：

②单位曲轴转角的工质与燃烧室周壁面的换热量：

其中：n：发动机转速;A：换热面积;T：气缸内工质瞬时温度;Tw：壁面的平均温度;ag：瞬时平均换热系数。

2.2 爆震因子

爆震因子是爆震识别的重要方法，Siemens公司设计的VDO算法因为计算准确可靠而得到广泛工程应用[6]。采用VDO算法计算爆震因子的公式如下：

本文在VDO算法基础上进行改进应用，主要改进措施是采用适配的滤波算法和阈值滤波等方法。当爆震因子大于3（设定的门槛值）则判定为爆震事件，当爆震事件个数占总循环的比值来衡量爆震强度KI。当KI<1%，判定为无爆震;当1%<KI<5%，判定为轻微爆震;当5%<KI<10%，判定为轻爆震;当KI>10%，判定为强爆震。

2.3 IMEP COV

指示平均有效压力IMEP是对p-Φ图求积分，反应发动机的燃烧稳定性，即Pi的变化系数，计算公式如下：

其中STD为标准偏差，单位[bar];MEAN为平均值，单位[bar]。

软件自动计算出每个循环的IMEP值并显示曲线，IMEP平均值，样本标准偏差，得到COV_IMEP。当COV_IMEP小于5%说明发动机燃烧稳定，当COV_IMEP大于5%则燃烧不稳定。

3  数据对比

该试验发动机为一台两缸4冲程排量750cc的汽油发动机。通过设置发动机参数作为燃烧分析软件的界面输入。将自主研发的燃烧分析系统与奇石乐KiBox和上位机KiBoxCockpit软件的数据进行对比。

3.1 最大爆压及对应角度

每个循环单缸最大爆压如图1所示。最大爆压及对应角度的平均值对比结果如表1所示。

3.2 缸内温度

发动机转速为4000rpm下计算得到瞬时缸内温度对比数据如图2所示，每个循环下最大缸温如图3所示。

3.3 爆震因子

通过计算爆震因子以及信号峰值等参数，每个循环下爆震因子如图4所示。

4  结论

文章对内燃机燃烧分析系统进行仿真计算、软硬件设计和相关试验开发验证。并在汽油发动机台架上将自主研发的燃烧分析系统与奇石乐的Kibox进行对比试验，结果表明自研系统新增了缸内温度等参数，其余参数计算算法合理，精度符合要求，界面直观操作方便。

参考文献：

[1]王兆文，郭凯，武文杰，等.基于实时性优化的内燃机燃烧分析系统研究[J].農业机械学报，2020，51（01）：372-382.

[2]武文杰.柴油机燃烧放热率实时分析系统的设计与开发[D].武汉：华中科技大学，2018.

[3]朱访君，吴坚.内燃机工作过程数值计算及其优化[M].北京：国防工业出版社，1997.

[4]Grimm， B. M.， Johnson， R. T.， 1990， “Review of Simple Heat Release Computations”， SAE Technical Paper Series 900445.

[5]Hayes， T. K.， Savage， L. D.， Sorenson， S. C.， 1986， “Cylinder Pressure Data Acquisition and Heat Release Analysis on a Personal Computer”， SAE Technical Paper Series 860029.

[6]康健.基于动态窗口及统计方式的汽油机爆震识别方法[D].重庆：重庆大学，2010.

[7]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2017.