汽油机瞬变工况各缸差异性的试验研究*

付建勤,舒 俊,刘敬平,赵智超,段雄波

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，长沙 410082)

2016159

汽油机瞬变工况各缸差异性的试验研究*

付建勤,舒 俊,刘敬平,赵智超,段雄波

(1.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082； 2.湖南大学先进动力总成技术研究中心，长沙 410082)

采用动态压力实测与数值模拟相结合的方法，对一台车用汽油机各缸参数瞬变值进行连续检测，得到各缸参数的变化范围、变化规律和各缸差异程度。通过对比分析得出各缸差异性的影响因素及其对汽油机瞬变状态下热功转换过程的影响。结果表明：在瞬变工况下，各缸充气效率相对偏差在±5%以内，在中低转速时主要受进气平均压力影响，高转速时主要受压力波和缸内残余废气量影响；各缸RGF和充气效率的差异性呈现对称关系；在中低转速时，各缸PMEP差异性主要受进气平均压力影响，而在高转速时则主要受RGF影响；IMEP相对偏差是充气效率和RGF等参数综合影响的结果，最大值达到±30%以上。以上规律为缩小多缸汽油机瞬变工况下各缸差异性提供了依据。

汽油机；瞬变工况；各缸差异性；残余废气系数；充气系数；进气平均压力

前言

各缸工作性能的差异性(或不均匀性)是评价多缸发动机性能的一个重要指标。由于进气系统结构不规则、进排气过程存在压力波动和λ闭环控制只能反映各缸过量空气系数的平均值等原因，既使是在稳态工况下多缸发动机各缸的进气量、空燃比和残余废气分量(residual gas fraction, RGF)等参数也会不可避免地出现差异性[1-2]。在瞬变工况下，发动机工况的无规则变化加剧了进排气系统内的压力波动，导致发动机各缸参数差异性增大，从而影响发动机性能和工作稳定性，还会影响后处理系统的催化转化效率[3-4]。进气不均匀性对直喷汽油机稀薄燃烧的影响尤为严重，导致排放恶化(HC和NOx增多)，且降低燃烧效率[5]。

针对发动机各缸工作差异性，许多学者开展了相关的研究。文献[6]中通过实测多缸柴油机各缸压力，分析了柴油机各缸工作不均匀性对NOx排放的影响。文献[7]中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。文献[8]中提出了一种利用曲轴瞬时角加速度波动的不均匀性来表征多缸发动机工作不均匀性。但现有的研究大多是针对发动机稳态工况，主要依赖实测缸压而进行分析，没有对发动机进气参数、缸内RGF等参数进行耦合研究。本文中采用动态压力实测与数值模拟相结合的方法，对一台车用多缸汽油机各缸参数瞬变过程进行连续检测，在此基础上开展对瞬变工况汽油机各缸工作参数差异性的研究。

1 多缸发动机各缸差异性理论基础

为便于对多缸发动机各缸工作性能的差异性进行研究，有必要建立一套评价体系和标准。本文中引入相对偏差量作为评价参数，来对诸参数在不同缸之间的差异性进行评价，其定义为一个工作循环中，某一缸的参数α相对于各缸平均值的偏差与各缸平均值的比值，即

(1)

(2)

2 瞬变工况下发动机缸内参数检测

2.1 检测方法介绍

本文中采用的基于动态压力实测与数值模拟相结合的瞬变状态下发动机多参数连续检测方法，详见文献[9]和文献[10]。其基本原理为：将进排气道的流动过程以1维气体动力学模拟，缸内工作过程以0维热力学模拟；通过实测进排气道和缸内动态压力，为数值模拟提供边界条件，从而实现发动机瞬态工作过程的数值模拟。图1为采用该方法对发动机瞬变过程各项参数进行实测时各种传感器的布置示意。

2.2 汽油机瞬变工况测试

以一台4缸、气道喷射、双VVT的乘用车汽油机为研究对象，该汽油机的主要参数如表1所示。对搭载该汽油机的乘用车进行道路试验，测试发动机各参数的连续变化。测试仪器的信息如表2所示。此外，还实测了每个循环的发动机转速、进排气阀VVT位置、点火提前角、喷油量和瞬态空燃比等参数。将实测的进排气动态压力和缸内动态压力作为数值计算的边界条件，输入到自行开发的数值求解器中进行求解[10]，得到发动机各缸瞬变过程的状态与性能参数。

2.3 检测结果精度验证

图2给出了应用本检测方法连续“跟踪”发动机瞬变工况2 000个工作循环的缸内新鲜充量检测结果(模拟计算)与实测数据的对比。需要指出的是，实测的缸内新鲜充量是通过实测的过量空气系数(由氧传感器的实测值通过过量空气系数分析仪转换得到)与从发动机ECU读出的循环喷油量间接得到。从图中可以看到，采用该检测方法得到的结果(模拟计算)与实测结果吻合较好。由此可见，采用该检测方法对发动机瞬变工况下运行与性能参数进行连续检测具有较高的精度，完全满足研究和工程应用的要求。

表1 发动机基本参数

表2 主要的测试仪器

3 试验结果分析

3.1 各缸充气效率差异性

图3给出了瞬变工况下发动机各缸充气效率随循环数的变化。可以看到，在0～1 780个循环内，各缸充气效率比较接近；但在1 781～2 000个循环，1缸和4缸的充气效率与2缸和3缸的充气效率相差较大。从图4可知，在第1 781～2 000个循环对应的高速(转速大于4 000r/min)、高负荷(NMEP大于1.1MPa)工况下，进气量较大，各缸进气歧管压力波的不均匀性也较大，导致各缸充气效率偏差较大。由于进气歧管布置形式具有对称性，故2缸和3缸进气压力和充气效率相似，1缸和4缸也相似。图5给出了各缸充气效率相对偏差随循环数的变化。由图可见，在绝大多数工作循环，各缸充气效率相对偏差在±5%以内。在中低转速区域，1缸和4缸的充气效率稍低于各缸平均值，2缸和3缸的充气效率高于各缸平均值。在高转速工况下，情况刚好相反。总的来说，第3缸的进气均匀性最差，不仅表现在充气效率相对偏差的变化范围较大(个别循环相对偏差超过10%)，而且前后循环之间充气效率相对偏差不连续性较大。

为分析各缸充气效率产生差异性的原因，图6示出了瞬变工况各缸进气平均压力。可以看到，在瞬变工况下，4个缸的进气平均压力差异性很小，压力曲线基本重合。图7进一步展示了各缸进气平均压力相对偏差随循环数的变化。由图可见，各缸进气平均压力相对偏差都比较小。在大多数情况下，1缸和4缸的进气平均压力低于2缸和3缸。各缸进气平均压力相对偏差的较大值出现在进气平均压力较小的区域，即发动机低负荷工况区域。这是因为在图示所有循环各缸进气平均压力的绝对偏差量相差不大，于是相对偏差的峰值出现在进气平均压力较小的工况区域。与充气效率相对偏差截然相反，进气平均压力均匀性最好出现在第3缸(最大相对偏差小于1%)，最差出现在第2缸(最大相对偏差达到3.5%)。对比图5与图7可知，各缸进气平均压力相对偏差小于充气效率相对偏差，在大多数情况下前者大约为后者的一半。

通过上述分析可以得出几点结论：(1)总的来说，充气效率和进气平均压力的各缸差异性都比较小，前者相对偏差在±5%以内，后者相对偏差在±3.5%以内；(2)在大部分工况下，进气平均压力分布不均是引起各缸充气效率差异性的主要原因之一，充气效率相对偏差大于进气平均压力相对偏差，这是因为瞬变过程各缸进气压力波、缸内RGF等参数的差异性也对进气过程产生影响，加剧了各缸充气效率的不均匀性；(3)进气平均压力相对偏差的最大值与充气效率相对偏差最大值并不对应(例如第3缸)，这说明进气平均压力对各缸充气效率不均匀性的贡献量是有限的；(4)进气平均压力相对偏差的循环变动较小，而充气效率的循环变动较大；(5)在高速高负荷区域，进气平均压力与充气效率的对应关系被打破，1缸和4缸充气效率相对偏差为正值，但是其进气平均压力相对偏差为负值，2缸和3缸的情况刚好相反，这说明高速高负荷时决定充气效率最重要的因素不是进气平均压力，在高速高负荷时，进排气压力波明显增强，对发动机换气性能的影响更大[11]。由图8和图9所示的进排气压力波(0为压缩上止点)可知，在排气阀关闭前(气阀叠开)，2缸和3缸的排气压力明显大于1缸和4缸，于是2缸和3缸排气倒流量也更多，最终导致2缸和3缸的残余废气量高于1缸和4缸。虽然2缸和3缸进气压力稍大，但是缸内残余废气的影响更大，也就是说，在高速高负荷时，排气压力波和缸内残余废气量对充气效率的影响更大。

另外，在各缸喷油量一致的前提下，过量空气系数完全取决于进气量(充气效率)。因此，各缸过量空气系数相对偏差与充气效率相对偏差的变化规律相似，后面不再进行单独分析。

3.2 各缸RGF差异性

各缸RGF的不均匀性是引起各缸进气量、IMEP、PMEP、指示热效率等参数出现差异性的重要因素。图10为瞬变工况下各缸RGF随循环数的变化。可以看到，各缸RGF的偏差量明显大于进气平均压力和充气效率。RGF偏差量的最大值出现在高速高负荷区域。与充气效率一样，在高速高负荷区域，1缸与4缸的RGF比较接近，2缸与3缸的RGF比较相近。但区别在于，就充气效率而言，1缸和4缸高于2缸和3缸；但就RGF而言，1缸和4缸低于2缸和3缸。这正好印证了前面分析的正确性。从图11所示的各缸RGF相对偏差随循环数的变化可以看到，在0～1 780个循环，各缸相对偏差在±10%以内，随循环数出现剧烈振荡。在高速高负荷区域，各缸RGF相对偏差出现较大值：1缸和4缸的RGF相对偏差接近-20%，2缸和3缸的RGF相对偏差接近20%。原因有两个：一方面，此时RGF的绝对偏差量较大，见图10；另一方面，在该工况区域各缸RGF都非常低，于是导致RGF相对偏差较大。

3.3 各缸IMEP的差异性

各缸进气量、RGF等参数的差异，最终反映为发动机各缸性能参数的不均匀性。图12示出了各缸高压循环IMEP，其中图12(b)～图12(e)为图12(a)中A，B，C，D处的局部放大图。在图示实线方框区域(1 780～2 000个循环)，各缸IMEP相差较大，尤其是当循环数大于1 970后，各缸差异性更为明显；在其他区域各缸IMEP绝对偏差量较小。图13为各缸高压循环IMEP相对偏差随循环数的变化。由图可见，在绝大多数工况下，各缸IMEP的均匀性比较好，变化范围在±5%以内。但在图12(a)中4个虚线方框区域，各缸IMEP相对偏差却很大(最大值达到±60%)。在这些区域，IMEP本身较小，于是在各缸IMEP绝对偏差量稍微增加的前提下，导致各缸IMEP相对偏差急剧增大。此外，在图12(a)中4个虚线方框区域各缸IMEP随循环数振荡较大，导致各缸IMEP相对偏差随循环数上下“跳动”的现象十分明显(正负值交替)。原因有：(1)在该工况区域，各缸IMEP比较小；(2)在低负荷时燃烧循环变动较大，各缸不均匀性被“加剧”了。由此可见，燃烧不稳定是加剧各缸不均匀性的重要原因之一。

在图12(a)中三角形所示区域，各缸IMEP相对偏差超过±30%。这3个区域对应负荷急剧变化的工况，各缸IMEP绝对偏差量比较大，从而导致各缸IMEP相对偏差较大。由此可见，负荷急剧变化是引起各缸IMEP产生较大偏差的诱因之一。

由图12(b)可知，就高压循环IMEP而言，第1缸的参数组合产生的效果最佳。而由表3可见，与第2缸相比，第1缸的充气效率和RGF均低于第2缸。其中，过量空气系数(取决于充气效率)和RGF是影响燃烧放热过程的关键参数[12]，进而影响循环热效率。对于高压循环，缸内残余废气对循环热效率有两方面的影响：一方面，残余废气增加混合气比热，从而降低最高燃烧温度和传热损失，这对燃烧做功循环有利；另一方面，残余废气过多会过度减缓火焰传播速度，增大燃烧持续期，甚至使缸内燃烧不稳定，这对燃烧做功不利。至于最终表现为正面影响还是负面影响，关键取决于RGF的大小。在“A”区域，发动机工作在2 000r/min、中等负荷，此时RGF过高，严重影响缸内燃烧做功过程，因此第1缸较低的RGF对高压循环热效率是有利的。此外，第1缸的混合气稍浓于第2缸，从经济性的角度来说这是不利的。但此时混合气稍浓可以加快燃烧速度，反而有利于提高发动机的热功转换效率。

表3 各缸参数与平均值的比较

注：大于平均值用“+”表示，小于平均值用“-”表示，数据来源于区域A。

3.4 各缸PMEP的差异性

图14为发动机各缸PMEP随循环数的变化。由图可见，各缸PMEP绝对偏差量较小，且各缸PMEP的大小关系比较明朗。在绝大部分工况下，各缸PMEP大小顺序为：1缸≈4缸>3缸>2缸。从图15所示的各缸PMEP相对偏差可以清晰地看出该关系。在绝大多数工况，1缸和4缸相对偏差为正值，2缸相对偏差为负值，3缸相对偏差在0附近上下波动。各缸PMEP相对偏差与进气平均压力相对偏差有很好的对应关系(因泵气损失代表负功，故进气平均压力相对偏差为正对应PMEP相对偏差为负)。

这说明各缸PMEP相对偏差主要由进气平均压力(或进排气平均压力差)决定。但仔细观察发现，二者之间有一些区别：(1)各缸PMEP相对偏差大于对应的进气平均压力相对偏差(例如，第2缸进气平均压力相对偏差最大为3.5%，但PMEP相对偏差最大值接近-8%)；(2)进气平均压力相对偏差随循环数变化很小(曲线光滑)，但是PMEP相对偏差振荡较强，这归结于压力波和缸内RGF等参数的影响；(3)在高速高负荷区域，进气平均压力相对偏差很小，但此时PMEP相对偏差很大，这时引起PMEP各缸差异性的主要因素是进排气流动损失、缸内RGF等；(4)PMEP与IMEP相对偏差的变化规律相反，由此可知PMEP在一定程度上缓解了各缸指示热效率的相对偏差。

4 结论

在中低转速和负荷，各缸充气效率差异性与进气平均压力差异性相似，此时充气效率主要受进气平均压力影响；在高速高负荷，引起各缸充气效率偏差的主要因素不是进气平均压力，而是排气压力波和缸内残余废气量。高速高负荷时压力波(尤其是排气压力波)的增强是加剧各缸不平衡的主要诱因之一。

各缸RGF差异性和充气效率差异性呈现对称关系，说明各缸RGF差异性的主要影响因素是进气量。RGF相对偏差最大值出现在高速高负荷区域。

各缸PMEP相对偏差大于对应的进气平均压力相对偏差，且出现较大振荡。高速高负荷时PMEP各缸差异性主要影响因素不是进气平均压力，而是RGF等其他因素。

各缸IMEP相对偏差是充气效率和RGF等参数相对偏差综合影响的结果，其值远大于二者之和，达到±30%以上。

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An Experimental Study on the Differences Between Cylinders ina Gasoline Engine Under Transient Conditions

Fu Jianqin, Shu Jun, Liu Jingping, Zhao Zhichao & Duan Xiongbo

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.ResearchCenterforAdvancedPowertrainTechnologies,HunanUniversity,Changsha410082

The transient values of parameters in each cylinder of a vehicle gasoline engine are continuously measured by adopting a method of combining dynamic pressure masurement with numerical simulation, so the varying range, the law of variation of parameters in each cyliner and the degrees of their differences between cylinders are obtained. Through comparative analyses, the affecting factors of differences between cylinders and their effects on the conversion process from thermal energy to work under the transient states of gasoline engine are obtained. The results show that under transient conditions, the relative deviation of volumetric efficiency betweeen cylinders is within ±5%, and it is mainly affected by average intake pressure at low and medium speeds, while it is influenced by pressure wave and in-cylinder residual gas fraction (RGF) at high speeds. There appears a symmetry relationship between the differences in RGF and the differences in volumetric efficiency. The relative deviation of PMEP betweeen cylinders is mainly affected by average intake pressure at low and medium speeds, and is influenced by RGF at high speeds. The ralative deviation in IMEP reaches over ±30% at most and is the result of concurrent effects of volumetric efficiency and RGF etc. The law mentioned above provides a basis for reducing the discrepancy between cylinders of gasolie engine under transient conditions.

gasoline engine; transient conditions; differences between cylinders; RGF; volumetric efficiency; average intake pressure

*国家自然科学基金(51376057和51506050)和国家科技支撑计划(2014BAG09B01)资助。

原稿收到日期为2015年6月15日，修改稿收到日期为2015年9月1日。