一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻的方法與流程
2023-09-21 17:10:00
本發明屬於發動機設計領域，尤其涉及一種基於動態缸壓判定發動機氣門開啟時刻的方法。
背景技術：
截至目前為止，發動機仍然是最有效的動力機械之一，尤其是在車用動力領域，幾乎佔據了全部份額。發動機中燃料和空氣燃燒反應放出熱量，通過熱功轉化從而輸出我們需要的機械能。在此過程中，燃料的供應量可以人為調節，但是每次燃燒反應所需的空氣不能人為地任意增加。所以對於車用發動機來說，循環進氣量是制約功率提高的關鍵因素之一。
循環進氣量的提高又取決於氣門正時。目前，關於發動機氣門開啟關閉時刻的設計技術已經比較成熟。國外的各大高校和研究機構以及國內的高校如天津大學、北京理工大學理工大學等已經提出發動機氣門開啟關閉時刻的優化設計設計方法。但是，由於配氣機構慣性作用以及零部件的熱脹冷縮效應，在發動機機實際運轉中氣門的確切開啟時刻卻難以確定。
目前確定發動機氣門實際開啟關閉時刻的方法主要有一種是：在發動機飛輪上安裝分度盤，分度盤上的0點對應發動機活塞的上止點，打開發動機的氣門室蓋，轉動發動機，觀察(或者通過儀器測量)氣門開始移動時以及停止移動時分度盤的刻度值，以此得到發動機氣門的開啟關閉時刻。這種方法由於是在發動機靜態條件下測量氣門開啟關閉時刻，主要有以下缺點：
1.忽略了發動機高速運轉過程中氣門等運動零件的慣性作用；
2.忽略了發動機運轉過程中氣門等零部件受熱膨脹伸長現象；
3.使用分度盤需要確定發動機的上止點，實際測量過程中發動機上止點難以確定。
鑑於以上原因，這種方法測量的氣門開啟關閉時刻誤差極大。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供一種根據發動機氣缸缸內壓力確定氣門實際開啟時刻的新方法，在發動機穩定運行過程中測量發動機缸內壓力，然後通過缸壓波動判斷氣門的關閉時刻，可以較好的解決現有測量方法存在的問題，得到的氣門開啟關閉時刻更為精確有效。
一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻的方法，包括以下步驟：
步驟1：控制發動機(2)的噴油量為零，並用測功機(3)驅動發動機(2)轉動；測量發動機(2)的缸內壓力，並根據缸內壓力得到發動機(2)的壓縮上止點；
步驟2：控制測功機(3)停止工作，發動機(2)也停止轉動；然後控制發動機(2)開始噴油並再次啟動發動機(2)，待發動機(2)正常運轉後，測量發動機(2)的缸內壓力和發動機(2)的曲軸轉角，其中壓縮上止點作為曲軸轉角的參考零點；基於參考零點，根據本步驟中發動機(2)的缸內壓力和曲軸轉角得到發動機(2)正常運轉時的缸內壓力曲線以及缸內壓力關於發動機(2)缸內容積的曲線；
步驟3：對步驟2中得到的缸內壓力曲線做移動平均處理，得到順滑後的缸內壓力曲線；
步驟4：用步驟2中的缸內壓力曲線減去步驟3中順滑後的缸內壓力曲線，得到二者的壓力差曲線；其中，壓力差曲線中進氣衝程期間的波動最大點對應的曲軸轉角為排氣門關閉時刻，壓縮衝程期間的波動最大點對應的曲軸轉角為進氣門關閉時刻；
步驟5：根據步驟4得到的進氣門關閉時刻，在發動機(2)進氣門的理論升程曲線上找到氣門驅動機構在進氣門關閉時刻對應的壓縮量，則在發動機(2)進氣門理論升程曲線上與此壓縮量高度相同的點對應的曲軸轉角為進氣門的開啟時刻；
步驟6：分別對步驟2中測得的缸內壓力關於發動機(2)缸內容積的曲線的橫坐標以及縱坐標取以2為底數的對數，得到缸內壓力關於發動機(2)缸內容積的曲線的對數p-v圖；
步驟7：對步驟6中得到的對數p-v圖中的膨脹衝程段作延長線，此延長線和對數p-v圖的分離點為排氣門的開啟時刻。
一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻的方法，步驟3所述的對步驟2中得到的缸內壓力曲線做移動平均處理具體方法為：
以1度曲軸轉角為區間，並將區間以設定間隔在曲軸轉角坐標軸上移動，依次計算各個區間內的所有缸內壓力數據點的平均值，並將平均值作為區間中點曲軸轉角對應的壓力值，直至遍歷所有區間，得到順滑後的缸內壓力曲線。
有益效果：
本發明提出的根據發動機缸內壓力確定氣門開啟關閉時刻的方法，在發動機穩定運行過程中測量發動機缸內壓力，然後通過缸壓波動判斷氣門的關閉時刻，和現有方案相比，本發明在氣門驅動機構正常運行的過程中測量氣門的開啟關閉時刻，可以充分考慮運動零部件的變形和慣性作用以及發動機溫度對氣門驅動機構的加熱膨脹作用，得到的氣門開啟關閉時刻更為精確有效，具有顯著的進步。
附圖說明
圖1為本發明的一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻裝置的結構示意圖；
圖2為本發明的發動機在不噴油時測定的缸內壓力曲線圖；
圖3為本發明在發動機正常運轉時測定的缸內壓力曲線圖；
圖4為本發明發動機進氣門升程曲線；
圖5為本發明缸內容積的曲線取以2為底數的對數做出的對數p-v圖；
圖6為本發明對圖5的對數p-v圖局部放大後的圖；
1-缸內壓力傳感器，2-發動機，3-測功機，4-角碼編輯器，5-燃燒分析儀，p-缸內壓力，deta-p-缸內壓力p和其移動平均值的差值，log-p-缸內壓力。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細敘述。
實現本發明的技術方案如下：
發動機運轉時有四個理想工作過程：進氣衝程、壓縮衝程、膨脹衝程以及排氣衝程。氣門在理想條件下開啟和關閉時，氣流平穩的流進流出發動機氣缸，氣缸內不會出現壓力突然升高或者突然下降的現象。但是，在實際情況下氣門開啟或者關閉時，強行地改變了缸內的氣流運動，必然造成缸內壓力的突變，缸內壓力突變後的產生的壓力波峰(或波谷)在氣缸內反射傳播，造成缸內壓力在一段時間內持續震蕩。該壓力波是由氣門開啟或關閉造成的，壓力波出現的時刻就是氣門開啟或關閉對應的時刻。因此，通過測量發動機缸內壓力的波動，可以判斷進氣排氣門的實際關閉時刻。(a)當判斷出進氣門的關閉時刻後，根據進氣門理論升程曲線可以得到進氣門驅動機構在進氣門關閉過程中的總間隙，進氣門開啟過程中進氣門驅動機構的受力狀態和關閉過程中的類似，所以該間隙也是氣門開啟過程中氣門驅動機構的總間隙。反之，根據該間隙可以在進氣門理論升程曲線中確定進氣門的開啟時刻。(b)另外在膨脹衝程，排氣門沒有打開前，缸內氣體基本符合絕熱膨脹過程，在對數p-v圖中，絕熱膨脹過程是一條斜直線。排氣門打開後，缸內氣體排出氣缸，缸內壓力下降，所以在對數p-v圖中實際測量缸壓線和絕熱膨脹理論線的分離點就是排氣門的實際開啟時刻。
如圖1所示，為本發明的一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻裝置的結構示意圖，包括發動機2，測功機3，缸內壓力傳感器1，角碼編輯器4以及燃燒分析儀5。缸內壓力傳感器1安裝在發動機2缸蓋上，用來測量發動機2運轉過程中的缸內壓力。燃燒分析儀5用來接收缸內壓力傳感器1的信號。角碼編輯器4安轉在發動機2飛輪側，為燃燒分析儀5提供發動機2曲軸轉角信號。
一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻的方法，包括以下步驟：
步驟1：控制發動機2的噴油量為零，並用測功機3驅動發動機2轉動；燃燒分析儀5採集由缸內壓力傳感器1測量的發動機2的缸內壓力，並根據缸內壓力得到發動機2的壓縮上止點；如圖2所示為本發明的發動機2在不噴油時測定的缸內壓力曲線圖；
步驟2：控制測功機3停止工作，發動機(2)也停止轉動；然後控制發動機(2)開始噴油並再次啟動發動機2，待發動機2正常運轉後，採用缸內壓力傳感器1測量發動機2的缸內壓力，角碼編輯器4測量發動機2的曲軸轉角，其中壓縮上止點作為曲軸轉角的參考零點；基於參考零點，燃燒分析儀5根據本步驟中發動機2的缸內壓力和曲軸轉角得到發動機2正常運轉時的缸內壓力曲線以及缸內壓力關於發動機2缸內容積的曲線，其中壓縮上止點為缸內壓力的最大值點，如圖3所示為本發明的發動機2在正常運轉時測定的缸內壓力曲線圖；
步驟3：對步驟2中得到的缸內壓力曲線做移動平均處理，得到順滑後的缸內壓力曲線；
步驟4：用步驟2中的缸內壓力曲線減去步驟3中順滑後的缸內壓力曲線，得到二者的壓力差曲線；如圖3所示，以進氣衝程中的壓力波動為例，因為此壓力波動振幅起始時較大，然後逐漸減小，所以此壓力波是由外界擾動引起的，然後在缸內反射傳播，最終波動能量耗盡波動消失，而在吸氣衝程中，缸內壓力的擾動來源只有一個，那就是排氣門的突然關閉，因此壓力差曲線中進氣衝程期間的波動最大點對應的曲軸轉角為排氣門關閉時刻，壓縮衝程期間的波動最大點對應的曲軸轉角為進氣門關閉時刻；由圖3可知排氣門實際的關閉時刻為-341.7度。同理，可以確定進氣門關閉時刻為-141.2度；
步驟5：如圖4所示，根據步驟4得到的進氣門關閉時刻，在發動機2進氣門的理論升程曲線上找到氣門驅動機構在進氣門關閉時刻對應的壓縮量(a點)，則在發動機2進氣門理論升程曲線上與此壓縮量高度相同的b點對應的曲軸轉角為進氣門的開啟時刻，由圖4可以確定進氣門開啟時刻為-383度；
步驟6：分別對步驟2中測得的缸內壓力關於發動機2缸內容積的曲線的橫坐標以及縱坐標取以2為底數的對數，得到如圖5所示的缸內壓力關於發動機2缸內容積的曲線的對數p-v圖；
步驟7：如圖6所示，對步驟6中得到的對數p-v圖中的膨脹衝程段作延長線，此延長線和對數p-v圖在log2v＝0.5時的分離點為排氣門的開啟時刻，而在log2v＝0.5時發動機的曲軸轉角為97.3度，所以排氣門開啟時刻為97.3度。
一種基於動態缸壓確定發動機氣門開啟關閉時刻的方法，步驟3所述的對步驟2中得到的缸內壓力曲線做移動平均處理具體方法為：
以1度曲軸轉角為區間，並將區間以設定間隔在曲軸轉角坐標軸上移動，依次計算各個區間內的所有缸內壓力數據點的平均值，並將平均值作為區間中點曲軸轉角對應的壓力值，直至遍歷所有區間，得到順滑後的缸內壓力曲線。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。