热力学开发试验与数据分析小结

热力学开发试验与数据分析小结热力学开发的定义个人认为，是对设计出的基本型发动机，通过调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位、CBR状态等参数（对于增压直喷发动机则另有增压控制率、燃油压力、喷油正时等参数），使发动机在全负荷时得到最优的最大功率、最大扭矩、最低比油耗及在部分负荷得到最优的燃油经济性、燃烧稳定性和排放水平，如果基本型的发动机不能达到目标，则要针对问题更改相应的设计和硬件，直至满足目标。一、试验设备1、PUMA系统记录发动机台架运行参数的数据，也可与其他系统相通信并记录其试验数据。2、INDICATING系统通过气缸燃烧压力传感器的压力信号，运算得到缸压曲线、平均指示有效压力IMEP、MFB50%、COVofIMEP、缸压波动振幅等。平时试验时，一般要根据缸压曲线，来判断发动机是否有爆震产生。3、CAMEO系统发动机自动标定及运行的工具。能自动调整ECU的标定参数如点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位及CBR控制状态等，便于标定参数的优化及标定时的数据采集。4、INCA系统发动机ECU标定工具，可调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位、CBR开关状态等发动机运行参数。5、其他设备仪器汽缸燃烧压力传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、排气温度、排气压力传感器、空燃比分析仪、线性氧传感器及排放分析仪等。二、试验内容与方法1、全负荷优化试验全负荷试验主要验证发动机的最大功率、最大扭矩及最低燃油消耗BSFC。调整点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位等参数，使发动机发挥出最优性能。a）不同进气歧管的外特性试验细长的进气歧管有助于提高低速段的扭矩，粗短的进气歧管有助于提高高速段的扭矩。b）不同凸轮轴（不同型线、升程）的全负荷试验VVT（Variablevalvetiming）：VVT的作用：降低燃油消耗、降低排放、提高燃烧稳定性、提高功率和扭矩输出。通过改变凸轮轴相位可控制内部EGR率，（重叠角大时，内部EGR率大）当内部EGR率大时要得到相同的功率输出必须，增大节气门开度，这将使进气管内的绝对压力升高，减小节流损失，提高燃油经济性。通过控制内部EGR率，可显著的降低Nox的排放量，HC的排放量只是稍微提高。发动机怠速时，为了得到良好的燃烧稳定性，需要较小的重叠角，大负荷时为了得到较大的功率输出，需要较大的重叠角，但此时由于一部分燃油进入排气系统内会牺牲燃油经济性。较早的进气阀关（IVC）有利于低速段扭矩的输出，不利于高速扭矩的输出。较早的排气阀开（EVO）有利于减少泵气损失，但是较早的EVO减少了膨胀冲程，冲掉了减少的泵气损失，降低了IMEP。因此，低速时需要较迟的EVO，高速时需要较早的EVO。大的进排气阀重叠角，有利于发动机高速换气，但是活塞与进排气阀的间隙尤其是怠速的稳定性限制了允许的重叠持续期。c）不同压缩比的全负荷试验（不同活塞、燃烧室）c）不同排气系统的全负荷试验主要验证发动机排气背压对发动机性能的影响，。d）不同进气系统的全负荷试验。主要验证发动机进气系统压降对发动机性能的影响。2、部分负荷优化试验（主要以工况点2000rpm/2barBMEP为主，其他如1500rpm/2bar、1500rpm/4bar、2000rpm/4bar、3000rpm/2bar、3000rpm/3bar、3000rpm/4bar）调整发动机点火提前角、空燃比、进排气凸轮相位等发动机运行参数，使发动机发挥出最优性能。部分负荷主要检验发动机的燃油经济性（BSFC）、燃烧稳定性（COVofIMEP）、排放水平（PCO、PHC、PNOx）。1）不同CBR结构的部分负荷试验。CBR（Controlburnedrate）：CBR发动机的气道由切向气道与中型气道组成，（切向气道形成涡流，中性气道形成滚流），部分负荷时通过关闭中性气道，使空气只从切向气道进入气缸，从而形成较强的紊流，可使燃烧加快。燃烧速度快可提高燃烧稳定性，此时可适当推迟点火提前角以提高排气温度，加快三元催化器的起燃，同时推迟点火提前角也能降低HC的排放。CBR的另外优点是可与VVT相配合，达到节油的目的，通过改变凸轮相位，可适当增大内部EGR，内部EGR的增大会使燃烧速度降低，燃烧稳定性降低，但这可通过CBR来补偿。调整点火提前角、空燃比、进排气相位等参数，使发动机发挥出最优性能。2）不同凸轮轴的部分负荷试验3）不同进气歧管的部分负荷试验4）不同压缩比的部分负荷试验3、喷油目标试验不同工况下，燃油雾化良好，油束处于气道中心，尽量减少湿壁，湿壁面积大会使机油稀释严重和HC的排放升高。4、火花塞选择试验三、主要试验数据及分析1、MFB50%(Massfractionburned50%、CAATDC)为了得到最佳燃烧热释放率MFB50%应处在上止点后8度，对应的燃烧最高压力点应在上止点后12度附近，此时发动机的燃油经济性、燃烧稳定性最好，其位置可通过点火提前角调整，点火角提前其位置提前，点火角推迟其位置推迟。在低速低负荷区域，MFB50%能达到止点后8度的位置，但在高速高负荷时由于爆震等原因，要迟于上止点后8度。2、SA（Sparkadvance、CABTDC）点火提前角，调整点火提前角应尽可能使MFB50%应处在上止点后8度的位置，如果发生爆震则要推迟点火角。点火角过大会发生爆震或处于爆震极限，检查点火角是否适当的方法是：缸压曲线的波动振幅应小于不同转速的规定值（一般规律：发动机转速n千转，允许压力波动振幅值为nbar）。另外点火提前角滞后会使排温升高，高速高负荷必须注意。3、BMEP（Brakemeaneffectivepressure、bar）制动平均有效压力是通过发动机台架的制动力矩计算得到，其值一般与进气管绝对压力有如下关系：进气压力1bar时平均制动有效压力为10-11bar，进气压力为1.6bar时平均制动有效压力为16-17bar。4、IMEP（Indicatedmeaneffectivepressure、bar）指示平均有效压力，通过缸压传感器的压力信号，计算得到。5、FMEP（Frictionmeaneffectivepressure、bar）摩擦平均有效压力FMEP=IMEP-BMEP。FMEP值过大将会影响发动机的功率扭矩输出，1.6LCBRVVT发动机在额定功率点的理想值为1.6~1.7bar。6、PMEP（Pumpingmeaneffectivepressure、bar）泵气平均有效压力，提前开启排气阀可降低泵气损失，但有可能缩短作功冲程，减小指示平均有效压力。7、COVofIMEP（CoefficientofvibrationofIMEP）该值主要是评定发动机部分负荷与怠速时燃烧稳定性的重要指标，其值越小燃烧越稳定，一般地，燃烧速度越快其值越小。低速低负荷时其值较大，高负荷时其值较小。2000rpm/2bar时其限值为5%，怠速时其限值为20%。8、BSFC（Brakespecificfuelconsumption）评价发动机燃油经济性的重要指标，全负荷工况点的最低值为275g/kw*h（此时空燃比应小于1），2000rpm/2bar时其限值为372-399g/kw.h（RON95）。9、Maxpressurerise（bar/CA）平均压力上升率，当点火角设定的过早时，平均压力上升率增大，输出扭矩增大，油耗降低，但燃烧噪声变大，工作粗暴，因此需对此限制。1.6LCBRVVT和2.0LTCIGDI发动机的最大值为4bar/CA。10、Lambda空燃比有实测空燃比和通过排放分析仪计算的空燃比两种，。部分负荷空燃比为1；全负荷时为了得到较大的扭矩输出需将空燃比加浓，一般情况下空燃比为0.9时，发动机的输出功率较大；高速高负荷时，为了降低排气温度而将空燃比设的更加浓，可为0.85，空燃比加浓排气温度降低的原因主要是燃油蒸发吸收部分热量，另外空燃比过浓将会使燃烧不充分，而是排气温度降低。11、喷油正时对于直喷发动机，喷油正时比较重要。因为当加大气门重叠角时，可利用新鲜空气将废气尽可能排除，然后开始喷油，这样避免了燃油随新鲜空气进入排气系统，因此适当的喷油正时可以提高燃油经济性。有一点要注意，由于一部分新鲜空气未参加燃烧便进入排气系统，这使排气系统中氧传感器的测得空燃比值高于实际燃烧的空燃比值。12、最大燃烧爆发压力最大燃烧爆发压力过大，活塞、曲轴等运动件的强度也必须提高，否则容易损坏。1.6LCBRVVT发动机的最高燃烧爆发压力70bar、2.0LTCIGDI最大燃烧爆发压力90bar。13、发动机最大功率满足开发目标。1.6LCBRVVT发动机的开发目标为87kw/6200rpm（RON95），2.0LTCIGDI发动机的开发目标为144kw/5500rpm（RON95）。14、发动机扭矩满足最大扭矩的开发目标，低速段扭矩的开发目标。最大扭矩点的转速不要太高一般小于4500rpm，低速段的扭矩较低，会影响整车的加速性能。1.6LCBRVVT发动机的最大扭矩开发目标值为147Nm/4300rpm、低速段扭矩的开发目标值为121Nm/1500rpm（RON95）；2.0LTCIGDI发动机的最大扭矩开发目标值为290Nm/1800rpm、低速段扭矩的开发目标值为249Nm/1500rpm（RON95）。15、PCO其排放量主要与空燃比有关，空燃比浓排放量升高。16、PHC点火角推迟排放量降低，空燃比浓排放量升高。17、PNOx燃烧温度高，氮氧化物的含量高。通过内部EGR可显著降低其含量。18、CO219、O2一般排气中氧气的含量在1%内，则说明燃烧正常，可通过此数值方便的判断发动机工作状态是否正常。20、发动机出水温度一般控制在90摄氏度。21、发动机进水温度进出水温的差在4摄氏度比较合理，说明发动机的冷却系统的冷却能力满足要求。22、发动机机油压力机油压力正常保持在4-5bar。23、机油温度一般控制在90摄氏度，最高温度不能超过140度。24、环境压力25、空滤口温度、压力空滤口温度一般控制在标准温度25度。26、进气软管温度、压力27、进气管温度、压力全负荷试验时，进气歧管的压力与环境压力的差值不能太大，否则将影响发动机的充气效率也就影响了发动机的功率输出，1.6LCBRVVT发动机的限值为25-30mbar。增压发动机进气管温度控制的过低，有利于功率扭矩输出，但实际上增压发动机进气管内的一般较高（本发动机规定，外特性试验时为50摄氏度），因此要注意进气管内的温度是否适当。增压发动机进气管压力控制的高，有利于功率扭矩输出，但进气压力过高（如绝对压力超过1.8bar），将会使增压器的工作负荷加大，工作环境恶化，可靠性降低，另外也减少了高原时进气增压的余量。28、各缸进气口温度29、油轨压力1.6LCBRVVT发动机的油轨燃油压力为4bar。2.0TCIGDI发动机的油轨压力可调，一般控制在7-11Mpa，中低负荷时燃油需求量小，为了降低高压油泵的功率消耗，将油压设定的低一些，高负荷时为了满足燃油量，应将油压设定的高些。30、进回油温度31、各缸排气温度32、排放物采样33、三元催化器前的温度、压力1.6LCBRVVT发动机的最大功率点的排气背压规定值为350mbar。三元催化器前的最高排气温度应低于850摄氏度。2.0LTCIGDI发动机最大功率点的排气背压规定值为450mbar（最大不能超过550mbar）。增压器前的最高排气温度应低于950摄氏度。34、三元催化器温度一般三元催化器内部的最高温度不能超过920度，否则三元催化器将会被烧结损坏。35、三元催化器后的温度、压力注：在进行台架试验时一定要注意三个重要的参数：点火提前角、排气温度和空燃比。点火角不当则会引起爆震，损坏发动机；排气温度过高将会使三元催化器烧结损坏；空燃比不当将会影响油耗，也会影响点火提前角和排气温度。