CN112267998A - 一种多缸柴油机缸内最高温度及各缸不均匀性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多缸柴油机缸内最高温度及各缸不均匀性测试方法：分别采集柴油机各气缸的NO_X排放量，根据NO_X排放量采样值和过量空气系数计算柴油机各气缸的缸内最高温度，根据各气缸的缸内最高温度计算柴油机不均匀度。本发明的测试方法具有灵敏度高、稳定性好及测量方便的优点。

Description

一种多缸柴油机缸内最高温度及各缸不均匀性测试方法

技术领域

本发明涉及内燃机缸内温度测试方法，具体涉及一种通过柴油发动机(简称柴油机)排气污染物(NO_X)间接测试缸内最高温度及分析各缸工作不均匀性的方法。

背景技术

柴油机气缸工作的温度决定了柴油机燃烧过程的特点及其放热规律，从而影响着柴油机排放、经济性和动力性。而缸内最高温度反映了柴油机缸内的热负荷，对柴油机运行可靠性有巨大影响。

在对结构紧凑、相对密闭且高温高压的气缸燃烧室的温度直接进行检测时，缸体本身的结构以及缸体内部的极端环境会使得检测设备容易受到外界因素的干扰，导致检测结果与实际情况存在较大误差。

目前，常见的柴油机缸内温度间接测试方法包括：1)根据文献《基于

示功图的柴油机燃烧分析仪》，可利用缸压传感器、电荷放大器及光电编码器采集柴油机缸内压力以及对应的曲柄位置，并利用燃烧分析仪处理数据生成

示功图，最后以

示功图计算缸内温度。2)中国专利201810693314.2在缸体测量点安装由记忆材料加工而成的温度塞，并根据已知的记忆材料的温度与硬度变化的曲线关系来测得发动机缸体、缸盖、活塞等位置的温度。3)根据文献《发动机气缸盖温度测试技术对比研究》，可在柴油机缸体测量点安装热电偶，由热电偶将温度转化成电量，可以对缸盖温度进行检测。

但是以上三种方法都不可避免的对柴油机缸体造成破坏，使得缸体加工时对密封性的要求更高。同时，热电偶在使用过程中，由于其电极在高温下氧化变形及腐蚀等因素的影响，会导致其老化变质及特性改变，造成测温误差增大；温度塞测量精度低于热电偶，且只能测量一个工况下缸盖的温度，无法进行连续实时测量(原因在于温度塞变形后无法恢复)；以

示功图计算缸内温度虽然最为有效，但是受限于昂贵的测试仪器和复杂的检测过程而难以广泛应用。

另外，目前通常利用缸内压力来分析柴油机各缸不均匀性，虽然结果有效，但是同样受限于昂贵的测试仪器和复杂的检测过程而难以广泛应用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种柴油机缸内最高温度的测试系统和方法，可以基于排气污染物间接测试柴油机缸内最高温度。本发明的另一个目的是提供一种依据各缸缸内最高温度测试柴油机的工作不均匀性的系统和方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种柴油机缸内最高温度的测试系统，包括上位机(例如，计算机或ECU)、下位机(例如，可编程控制器)、NO_X排放量检测模块(例如，用五气分析仪检测NO_X排放量)、过量空气系数检测模块(例如，用五气分析仪检测过量空气系数)以及柴油机排气歧管采样模块，所述柴油机排气歧管采样模块包括若干个采样支路，采样支路的一端与待测试柴油机的一个排气歧管相连，采样支路的另一端与NO_X排放量检测模块相连，下位机分别与设置在采样支路上的可控阀门以及设置在所述柴油机上的用于检测其气缸排气时段的传感器(例如，凸轮轴位置传感器)相连，上位机分别与NO_X排放量检测模块、过量空气系数检测模块以及用于检测气缸排气时段的传感器相连，上位机包括柴油机缸内最高温度计算软件单元，用于根据所述柴油机的各气缸的NO_X排放量采样值和过量空气系数计算各缸缸内最高温度。

优选的，所述采样支路的数量小于等于柴油机的气缸数。

优选的，所述下位机根据用于检测气缸排气时段的传感器输出的信号控制采样支路上的可控阀门的开闭时刻。

优选的，所述缸内最高温度的计算公式为：

T_i＝A+B×N_i+C×α，i＝1,2,…M

其中，T_i表示缸内最高温度，N_i表示通过采样支路采集的NO_X排放量(即气缸NO_X排放量的采样值)，α表示过量空气系数，i表示气缸编号，M表示柴油机的气缸数，A、B、C为拟合参数。以上公式表征了NO_X排放量、过量空气系数和缸内最高温度的动态模型，故可以用于动态计算柴油机缸内最高温度。

优选的，所述N_i取对应气缸一定循环次数下分别采集的NO_X排放物的数量平均值。

一种柴油机缸内最高温度的测试方法，包括以下步骤：

1)利用安装在柴油机的排气歧管上的采样支路对该柴油机在运行过程中对应气缸的NO_X排放物进行采集，通过对采集得到的NO_X排放物的数量(NO_X排放量)进行检测，得到气缸NO_X排放量的采样值；

2)根据所述柴油机在一定工况下的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算对应气缸的缸内最高温度(具体参照以上公式)。

优选的，所述柴油机运行过程的工况条件可实时测定。

一种柴油机工作不均匀性的测试系统，包括上述上位机、下位机、NO_X排放量检测模块、过量空气系数检测模块以及柴油机排气歧管采样模块，其中，上位机还包括柴油机工作不均匀性分析软件单元，用于根据柴油机各缸的缸内最高温度分析柴油机各缸的工作不均匀性。

一种柴油机工作不均匀性的测试方法，包括以下步骤：

1)利用安装在柴油机的排气歧管上的采样支路对该柴油机在运行过程中对应气缸的NO_X排放物进行采集，通过对采集得到的NO_X排放物的数量(NO_X排放量)进行检测，得到气缸NO_X排放量的采样值；

2)根据所述柴油机在一定工况下的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算对应气缸的缸内最高温度；

3)根据所述柴油机在所述工况下的各缸缸内最高温度分析该柴油机的工作不均匀性。

优选的，所述步骤3)具体包括以下步骤：根据以下公式计算所述柴油机的不均匀度：

其中，r为柴油机不均匀度，T_max表示

中的最大值，T_min表示

中的最小值，

表示

的平均值，

表示第i个气缸的缸内最高温度，i＝1,2,…M。

本发明的有益效果体现在：

本发明依据所发现的NO_X排放量、过量空气系数和缸内最高温度的动态模型，可以通过分别采集柴油机各缸的NO_X排放量，并根据相应NO_X排放量及过量空气系数计算出柴油机各缸缸内最高温度，以及根据各缸缸内最高温度计算柴油机不均匀度。本发明具有灵敏度高、稳定性好及测量方便的优点，解决了缸内温度测试存在的测试系统加工困难、甚至会破坏缸体的技术难题。

附图说明

图1是柴油机缸内最高温度及各缸不均匀性的测试流程图。

图2是实验所得到的过量空气系数、缸内最高温度和NO_X排放量的关系图。

图3是柴油机测试台架结构示意图。

图4是在不同工况下测试得到的柴油机缸内最高温度。

图中：1-柴油机、2-排气门、3-排气歧管、4-凸轮轴位置传感器、5-导线、6-管道、7-过滤器、8-截止阀、9-缓冲块、10-软管、11-五气分析仪、12-截止阀控制模块、13-排气总管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

实施例1

参见图1，本发明提出的柴油机缸内最高温度测试方法，包括以下步骤：

步骤1选取实验机型

根据目前的研究发现，柴油机尾气排放中的NO_X主要是NO(占柴油机NO_X排放的90％以上)。柴油机排放的这部分NO有三种生成途径，分别为热力型NO、激发型NO和燃料型NO。在这三种NO生成途径中，由于激发型NO和燃料型NO占比很小，所以本发明在柴油机缸内最高温度计算模型的构建中，考虑了影响热力型NO生成量的主要因素，具体包括燃烧反应温度、氧气浓度等多种实验数据。据此，对柴油机的实验数据进行分析。

图2中展示了某型多缸柴油机(具体为潍柴动力股份有限公司生产的排量为4.5L且加装有EGR系统的WP4G154E330型增压中冷、直列四缸四冲程柴油机)的部分实验数据。实验数据都是在稳态工况下获得的，实验中柴油机的NO_X排放量、过量空气系数及缸内最高温度与工况都是一一对应的。

柴油机缸内(1号气缸)最高温度是参照文献《基于

示功图的柴油机燃烧分析仪》测算得出。

过量空气系数可通过两种方法得到：第一种是直接外接检测设备，例如，汽车尾气(五气)分析仪；第二种方法则是通过测量实际单缸(1号气缸)进气质量和实际单缸燃油质量算出实际空燃比，然后与柴油理论空燃比相比而得出(过量空气系数随着工况不同而改变)过量空气系数，其中，单缸进气质量＝[进气压力×26×理论充气量/8.314/(进气温度+273)]/4，进气压力单位为KPa，进气温度单位为℃，进气压力是通过安装在进气歧管的进气压力传感器获得的，进气温度是通过与进气压力传感器集成在一起的进气温度传感器获得的，单缸燃油质量＝燃油质量/4，燃油质量由瞬时油耗仪直接测量得到。

NO_X排放量是通过汽车尾气(五气)分析仪连接对应气缸的排气歧管进行采样并检测得到(具体可根据500个循环的NO_X排放物数量计算均值)。

从图2可以看出，基于NO_X排放量与过量空气系数可以构建出一种适用于多缸柴油机的缸内最高温度的动态计算模型。例如，根据图2中的一型多缸柴油机实验数据，其缸内最高温度的动态计算模型可以表示为：

T_i＝1874.88826+0.28459×N_i-124.98156×α (1)

其中，T_i表示缸内最高温度，N_i表示采集的NO_X排放量，α表示过量空气系数，i表示气缸编号(i＝1,2,3,4)。

上述式(1)所示缸内最高温度的动态计算模型是根据图2中的一型多缸柴油机的实验数据，并通过多元非线性拟合而构建得到的(动态是指可以对不同工况进行连续实时测量)。

上述式(1)所示缸内最高温度的动态计算模型的相关系数r²＝0.98655，表明在该型柴油机的稳态工况范围内，根据NO_X排放量和过量空气系数来确定其缸内最高温度不仅是可行的(对柴油机结构气密性及寿命的影响可以降到最低)，而且通过计算的方式确定缸内最高温度可以充分利用以上缸内最高温度计算模型精确度高的优势。

步骤2构建测试台架

参见图3，所述测试台架包括截止阀控制模块12、五气分析仪11及待测试的柴油机1(具体为潍柴动力股份有限公司生产的排量为4.5L且加装有EGR系统的WP4G154E330型增压中冷、直列四缸四冲程柴油机)。与所述柴油机1各气缸排气门2后侧对应相连的排气歧管3进口端上分别加工有螺纹孔(各排气歧管3的出口端均连接至排气总管13)，排气歧管3通过加工于其上的螺纹孔与用于形成排气歧管采样支路的管道6相连，该管道6上安装有过滤器7和截止阀8，其中，过滤器7用于过滤由排气歧管3进入所述管道6的排气中的颗粒物和水等杂质，截止阀8用于控制排气歧管采样支路的进样(分析对象为对应气缸排气中的NO_X)时间，缓冲块9安装于截止阀8之后(缓冲块9位于截止阀8的出口侧，过滤器7位于截止阀8的入口侧)，用于实现对NO_X的缓冲作用(经过过滤后采样支路中的气流成分主要就是NO_X)，减少气流对五气分析仪11的冲击。截止阀8和五气分析仪11之间通过由缓冲块引出的软管10相连(或者不使用缓冲块，直接利用软管10连接截止阀8和五气分析仪11)。

在测试前，将所述柴油机1的各个排气歧管3上所安装连接的采样支路通过对应的软管10分别与五气分析仪11的不同进样通道相连，从而可以实时采集所述柴油机1各气缸的NO_X并测量采集数量。在采集中，为了避免某个气缸的排气窜入其他气缸所连接的排气歧管的情况(影响对不同气缸排气中NO_X的采样结果)，将所述柴油机1上安装的用于检测各气缸排气门启闭位置的凸轮轴位置传感器4与截止阀控制模块12的输入端通过导线5连接(截止阀控制模块12的输出端与各排气歧管采样支路上的截止阀8连接)，使截止阀控制模块12利用凸轮轴位置传感器4输出的信号控制各截止阀8的开闭时刻，以确保对所述柴油机1的各气缸仅在其工作循环的排气时段进行采样和进样，并准确的确定采样和进样的时间(采样和进样同时进行)。

步骤3测试时首先启动所述柴油机1，并将柴油机1转速固定为1800r/min，然后调整柴油机1扭矩，并分别设定为50N·m、100N·m、150N·m、200N·m、250N·m、300N·m、350N·m等不同的值。在每个扭矩设定值下，使得冷却液温度、润滑油温度保持稳定，进而使柴油机1分别稳定运行于对应一个固定的工况(各工况参见图4数据点对应的不同平均有效压力，其与以上扭矩设定值依照从小到大的顺序一一对应)。

步骤4根据NO_X分析仪测出NO_X的排放量，由于1个循环所采集的NO_X太少，所以采集500个循环的NO_X排放量计算均值，得到对应工况下的NO_X排放量采样值。在不同的工况下重复NO_X排放量测试，最终得出所述柴油机1各气缸在每个工况下NO_X排放量采样值。同一工况下，柴油机1过量空气系数基本保持不变。

步骤5根据所述柴油机缸内最高温度的动态计算模型(具体为式1)计算缸内最高温度。

根据缸内最高温度计算值(参照式1)与实测值(参照文献《基于

示功图的柴油机燃烧分析仪》)比较结果(图4)，在不同柴油机工况条件下的数据点实测结果和计算结果的误差范围在2％左右，证明柴油机缸内最高温度的动态计算模型精确度高，可以满足对柴油机缸内最高温度的测试要求(即灵敏度高、稳定性好及测量方便)。

实施例2

根据多缸柴油机(具体为潍柴动力股份有限公司生产的排量为4.5L且加装有EGR系统的WP4G154E330型增压中冷、直列四缸四冲程柴油机)缸内最高温度，可以采用如式(2)所示的柴油机各缸不均匀性动态模型，计算该柴油机的工作不均匀性：

其中，r为柴油机不均匀度，T_max、T_min和

分别表示

和

中的最大值、最小值和平均值，

分别为四个气缸在固定工况条件下的缸内最高温度。

由于本发明提出的柴油机缸内最高温度测试方法，只需要外接检测设备(利用检测设备获得过量空气系数、NO_X排放量)就可以实现，不会对柴油机缸体造成破坏，同时，为基于缸内气体性质计算各缸不均匀性提供了一条新的可靠途径。

Claims (10)

1.一种柴油机缸内最高温度的测试系统，其特征在于：包括上位机、下位机、NO_X排放量及过量空气系数检测模块和柴油机排气歧管采样模块，所述采样模块包括若干个采样支路，采样支路的一端与柴油机(1)的一个排气歧管(3)相连，采样支路的另一端与所述检测模块相连，下位机分别与设置在采样支路上的可控阀门以及用于检测柴油机(1)气缸排气时段的传感器相连，上位机分别与所述检测模块以及所述传感器相连，上位机根据柴油机(1)的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算对应气缸的缸内最高温度。

2.根据权利要求1所述一种柴油机缸内最高温度的测试系统，其特征在于：所述采样支路的数量小于等于柴油机(1)的气缸数。

3.根据权利要求1所述一种柴油机缸内最高温度的测试系统，其特征在于：所述下位机根据所述传感器输出的信号控制所述可控阀门的开闭时刻。

4.根据权利要求1所述一种柴油机缸内最高温度的测试系统，其特征在于：所述缸内最高温度的计算公式为：

T_i＝A+B×N_i+C×α，i＝1，2，...M

其中，T_i表示缸内最高温度，N_i表示气缸NO_X排放量的采样值，α表示过量空气系数，i表示气缸编号，M表示柴油机的气缸数，A、B、C为拟合参数。

5.根据权利要求4所述一种柴油机缸内最高温度的测试系统，其特征在于：所述N_i取值为对应气缸一定循环次数下通过采样支路分别采集至所述检测模块的NO_X排放物的数量平均值。

6.一种柴油机缸内最高温度的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)利用安装在柴油机(1)的排气歧管(3)上的采样支路对柴油机(1)在运行过程中对应气缸的NO_X排放物进行采集，通过对采集得到的NO_X排放物的数量进行检测，得到气缸NO_X排放量的采样值；

2)根据柴油机(1)的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算柴油机(1)的对应气缸的缸内最高温度。

7.根据权利要求6所述一种柴油机缸内最高温度的测试方法，其特征在于：所述缸内最高温度的计算公式为：

T_i＝A+B×N_i+C×α，i＝1，2，...M

其中，T_i表示缸内最高温度，N_i表示气缸NO_X排放量的采样值，α表示过量空气系数，i表示气缸编号，M表示柴油机的气缸数，A、B、C为拟合参数。

8.一种柴油机工作不均匀性的测试系统，其特征在于：包括上位机、下位机、NO_X排放量及过量空气系数检测模块和柴油机排气歧管采样模块，所述采样模块包括若干个采样支路，采样支路的一端与柴油机(1)的一个排气歧管(3)相连，采样支路的另一端与所述检测模块相连，下位机分别与设置在采样支路上的可控阀门以及用于检测柴油机(1)气缸排气时段的传感器相连，上位机分别与所述检测模块以及所述传感器相连，上位机根据柴油机(1)的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算对应气缸的缸内最高温度，并根据柴油机(1)不同气缸的缸内最高温度分析柴油机(1)的工作不均匀性。

9.一种柴油机工作不均匀性的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)利用安装在柴油机(1)的排气歧管(3)上的采样支路对柴油机(1)在运行过程中对应气缸的NO_X排放物进行采集，通过对采集得到的NO_X排放物的数量进行检测，得到气缸NO_X排放量的采样值；

2)根据柴油机(1)的过量空气系数和气缸NO_X排放量的采样值计算柴油机(1)的对应气缸的缸内最高温度；

3)根据柴油机(1)不同气缸的缸内最高温度分析柴油机(1)的工作不均匀性。

10.根据权利要求9所述一种柴油机工作不均匀性的测试方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：根据以下公式计算柴油机不均匀度：

其中，r为柴油机不均匀度，T_max表示

中的最大值，T_min表示

中的最小值，

表示

的平均值，

表示柴油机第i个气缸的缸内最高温度，i＝1，2，...M，M表示柴油机的气缸数。

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