摘要：本文提出了评价多缸发动机缸间差异的指标，介绍了四缸汽油机的各气缸压力同时测量的试验装置；对平均指示压力、最高压力、最大压力升高率的偏差率δPi、δPm、δDPm和其偏差率的绝对值的缸间均值бPi、бPm、бDPm 进行了统计分析。结果表明δPi、δPm、δDPm 的变化范围大约在±10%、±30%、±50%之内，бPi、бPm、бDPm 的范围大约为0~10%、0~25%和0~45%。
关键词：汽油机 缸间差异 气缸压力 循环变动
引言
由于各种原因，多缸汽油机气缸间的工作状况总是存在一定差异，这种差别通常被称为缸间差异. 缸间差异可用各缸工作参数（如压缩比、空燃比、进气量等）、排放指标、性能指标（如指示功、平均指示压力）等的差异（或称均匀性）表示。对于进气量（1）、空燃比（2）、排放指标（3、4）等差异的研究已有不少报导。但对于气缸压力的缸间差异的研究报导却很难找到。众所熟知，气缸压力携带了内燃机工作过程的大量有用信息，并且与内燃机工作过程的评价参数及内燃机性能指标有着密切关系（5、6），采用气缸压力传感器的汽油机闭环反馈控制系统的开发研究也深受重视（7）。由于各缸的工作参数、排放指标、性能指标等的差异都全部地或部分地反映在气缸压力上，因此作者采用测量气缸压力的方法对多缸汽油机的缸间差异现象进行了粗浅探讨。
1 多缸汽油机缸间差异的评价指标
汽油机的缸间差异产生的原因有结构设计、制造误差、使用和循环变动等。缸间差异是汽油机难以克服的缺点之一。为了便于分析和评价不同发动机和发动机不同工况的缸间差异的大小，对于各缸的平均指示压力、进气量、空燃比、功率、转矩等的缸间差异通常采用偏差率d（或称不均匀度）衡量。假定发动机具有n 个气缸，某一参数（或性能指标）X 的n 个气缸的测量值依次为X1，X2，•••，Xn，则n 个气缸的参数X 的平均值Xm为（X1+X2+•••+Xn）/n。于是，第i 个气缸的参数X 的偏差率δi （%）可由下式求取
δi=100（Xi - Xm）/ Xm
由di 的定义可见，di 为负值时表示第i 个气缸的参数X 偏小；di 为正值时表示第i 个气缸的参数X 偏大；di 为零时表示第i 个气缸的参数X 正好等于n 个气缸的平均值；显然n 个气缸的d 的变化范围越大，表明参数X 的缸间差异越大，或者说均匀性越差。由偏差率的定义可知，各个气缸的δ之和为零，即n 个缸的δ的均值也为零。故无法用δ的均值表示不同工况下或不同发动机的某一参数（或性能指标）X 的缸间差异的大小。因此，有必要引入参数（或性能指标）X 的偏差率δ的绝对值的均值бX的概念。бX的计算式为
бX = [∣δ1∣+∣δ2∣+ • • • +∣δn∣]/n
由бX的定义可知，б X的值越大，表示参数（或性能指标）X 的缸间差异的越大，各缸的均匀性越差。因此，在以下的讨论中采用δ和бX 两个参数，表示不同工况或同一工况不同循环的缸间差异的范围和大小。
2 试验装置简介
试验中使用的气缸压力测试系统的示意图如图1 所示。试验中使用的发动机为CA16E 多点喷射四缸四冲程顶置凸轮式汽油机，气缸直径（mm）、冲程（mm）、排量（L）和压缩比依次为78、83.6、1.598和9.0，燃烧室为半球形燃烧室。为了测量各缸的压力，试验时采用了CA16E 汽油机的单火花塞点火系统，在每一个气缸安装第二只火花塞的位置安装了四只石英晶体压力传感器。由压力传感器得到的气缸压力信号，经过四只6907 型电荷放大器放大后被送入AVL16 通道数据采集与分析系统，与压力信号同时记录的还有来自曲轴转角发生器的上止点和曲轴转角信号（每度一个）。为了监视测量时发动机的运转工况变化，试验时采集和记录的发动机工作参数还有空燃比、进气管压力、空气流量、燃油消耗量、点火提前角、进气、排气、燃油、机油和冷却水的温度、燃油、机油压力、发动机转速和转矩等。
图1 气缸压力测试系统简图
1—测功器 2—联轴节 3—发动机 4—压力传感器 5—光栅
6—接受器 7—电荷放大器 8—数据采集装置 9—计算机
另外为了对压力、上止点和曲轴转角等被测信号进行实时监测，测试系统中配备了一个具有存储记忆功能的多通道示波器。测量时发动机节气门大小通过手动旋转螺母调节，其开度大小用进气管压力表示。喷油量和点火时间采用了旋转式手动调节电子控制装置。上止点的确定采用了AVL620 气缸压力采集分析系统中的倒拖压力软件。采集的数据存储在计算机中供分析使用。试验时对每个工况采集了100 个循环的压力数据。气缸的编号规则为由曲轴前端起依次为1、2、3、4 缸，压力数据中采用的曲轴转角的定义为：压缩上止点为0ºCA，吸气、压缩的曲轴转角为负；膨胀、排气的曲轴转角为正。
3 试验结果分析
3.1 气缸压力的测量结果
燃烧最高压力Pm决定了发动机机件的最大受力情况，它是气缸压力曲线上一的个被经常检测的压力。各个气缸的Pm 随测试循环数的变化的测量结果的一例如图2 所示，图中记号旁边的数字为气缸编号（下同）。试验时发动机处于宏观稳定工况，发动机转速n=1800r/min、进气管压力（表压）Pin=-280mmHg、点火提前角θig=38℃A、空燃比α=14.7 保持不变。然而Pm却呈现出较大的循环变动和缸间差异。Pm的循环平均值、标准偏差、循环变动率（=100×标准偏差/平均值）见表1。可见循环间的Pm的变动是很大的。从平均值来看，四缸的Pm最大，由于循环变动的存在，使得四缸的Pm并不总是保持为最大。图3 为图2所示试验条件的四个典型的单一循环的燃烧压力曲线，该结果表明，多缸汽油机的缸间差异是随着循环数而变化的，Pm的平均值大的（或小的）气缸的Pm的值不一定总是大的（或小的）。
图2 各个气缸的Pm 随循环数的变化
图3 典型循环的燃烧压力示例（n=1800r/min；Pin=-280mmHg，θig=38℃A；α=14.7）
表1 最高压力Pm 的循环平均值、标准偏差、变动率测量结果
 最高压力所在曲轴转角CAPm 对发动机的动力性经济性有重要影响，CAPm 过小，则压缩过程负功增加，压力升高率增大，Pm过大；CAPm 过大，则膨胀比将减小，高温燃烧期的传热面积增加，使热损失增加，燃油经济性变坏。图1 所示工况的CAPm的循环变动和不同循环的缸间差异如图4 所示。
图4 各个气缸的CAPm 随循环数的变化（n=1800r/min；Pin=-280mmHg，θig=38℃A；α=14.7）
平均指示压力Pi 反映了各个曲轴转角下的压力情况，并且是衡量发动机动力性的重要指标。因此，本文也分析了Pi 的循环变动和缸间差异情况，其结果的一个例子如图5 所示。图5 所示试验条件与图3 所示数据相同。该结果表明除个别循环（如第89 个循环）外，各个气缸的Pi 的变动范围并不大。
图5 各个气缸的Pi 随循环数的变化（n=1800r/min；Pin=-280mmHg，θig=38℃A；α=14.7）
压力升高率代表发动机的工作粗暴的程度，它与振动、噪声和火焰传播速率密切相关。压力升高率中的最大压力升高率DPm是较为重要的参数之一，DPm的循环变动和缸间差异测量结果的一例如图6所示（试验条件同图3所示工况）。
图6 各个气缸的DPm 随循环数的变化（n=1800r/min；Pin=-280mmHg，θig=38℃A；α=14.7）
3.2 偏差率δ和δ的绝对值的均值б的测量结果分析
气缸压力曲线上有很多重要信息，其中最重要的参数有最高压力Pm、平均指示压力Pi、最大压力升高率DPm 等。限于篇幅，故此处仅对Pi、Pm和DPm 三个参数的偏差率δ和δ的绝对值的均值б的部分测量结果做一介绍。
图7 δPm 随循环数的变化
3.2.1 最高压力Pm的偏差率δPm 和δPm 的绝对值的缸间均值бPm 的测量结果
各个气缸δPm随测试循环数变化的测量结果如图7 所示，试验时n=1800r/min；Pin=–280mmHg，θig=38℃A；α=14.7保持不变。该结果表明，在发动机稳定工况下，δPm呈现出较大的缸间差异。由此可见，各缸的δPm的变化范围大约为±30%。
为了比较不同循环和不同工况下缸间的差异，必须将同一条件下多缸发动机各个气缸偏离全部气缸的平均值大小用一个参数表示，δ的绝对值的缸间均值б就是最为合适的一个参数。n=1800r/min；θig=38℃A；α=14.7 保持不变时，不同循环的бPm的测量结果随发动机负荷（图中用进气管压力表示）的变化如图8 所示。就100 个循环的平均值而言，随着发动机负荷增大бPm减小，但对每一个循环而言，不同循环的бPm的大小是交替的，其变化范围大约在0～25%的范围内。
图8 发动机负荷对бPm 的影响
3.3 Pi、DPm 的偏差率δPi、δDPm 和бPi、бDPm 的测量结果
用同样的方法可以得到不同循环的Pi、DPm的偏差率δPi、δDPm，δPi、δDPm的计算结果的例子分别如图9 和图10 所示，数据的试验条件与图8 相同。由该结果可见，δPi 的变化范围大约在±10%之内，而δDPm的变化范约在±50%之内。因此可以说平均指示压力、最高气缸压力、最大压力升高率的偏差率δPi、δPm、δDPm的变化范围大约在值±10%、±30%和±50%之内。图9 和图10 所示试验条件的Pi、DPm偏差率的绝对值的缸间均值бPi、бDPm的测量结果如图11 和图12 所示。各个循环中бPi 的变化范围大约在0～10%的范围之内。бDPm的值则呈现出大的变化，其变化范围大约在0～45%的范围之内。可见试验条件下бPi、бPm、бDPm的范围大约为0～10%、0～25%和0～45%。
图9 δPi 随循环数的变化响
图10 δDPm 随循环数的变化
图11 发动机负荷对бPi 的影响
图12 发动机负荷对бDPm 的影响
4 结论
1） 平均指示压力、最高气缸压力、最大压力升高率的偏差率δPi、δPm、δDPm 的变化范围大约在值±10%、±30%和±50%之内。
2）平均指示压力、最高气缸压力、最大压力升高率偏差率的绝对值的缸间均值бPi、бPm、бDPm 的范围大约为0～10%、0～25%和0～45%。
3）多缸汽油机的缸间差异是随着循环数而变化的，Pm 的平均值大的（或小的）气缸的Pm 的值不一定总是大的（或小的）。
参考文献
1 李兴虎，韩泽民，金克成等. 多缸汽油机倒拖示功图分析.内燃机学报，1999, 17（3）:252~256
2 GregoryW.Davis, Steven Baumbach,Colin Jordan,etal.The determination of air/fuelratio differences between cylinder sina production engineusing exhaust gas oxyge nsensors.SAE1999-01-1170
3 李兴虎，邢瑞栋，王婷婷，金克成. 492WQB 汽油机排放的缸间差异研究. 内燃机学报，2000，18（1）: 48~52
4 Jeffrey K. Ball, MartinJ. Bowe, C. Richard Stone, Nick Collings. Validation of cyclic NO formation model with fast NO measurements. AE2001-01-1010
5 李兴虎，蒋德明，沈惠贤. 火花点火发动机压力循环变动的评价方法研究,内燃机学报，2000,18（2）: 171~174
6 李兴虎．丙烷发动机燃烧变动研究．内燃机学报，1999,17（1）: 71~74
7 Herden, W. Küsell, M. A New Combustion Pressure Sensor for Advanced Engine Management. SAE Paper No.940379, 1994(end)
|
