CN107131060B - 一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，在发动机稳定运行过程中测量发动机缸内压力，然后通过缸压波动判断气门的关闭时刻，和现有方案相比，本发明在气门驱动机构正常运行的过程中测量气门的开启关闭时刻，可以充分考虑运动零部件的变形和惯性作用以及发动机温度对气门驱动机构的加热膨胀作用，得到的气门开启关闭时刻更为精确有效，具有显著的进步。

Description

一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法
技术领域
本发明属于发动机设计领域，尤其涉及一种基于动态缸压判定发动机气门开启时刻的方法。
背景技术
截至目前为止，发动机仍然是最有效的动力机械之一，尤其是在车用动力领域，几乎占据了全部份额。发动机中燃料和空气燃烧反应放出热量，通过热功转化从而输出我们需要的机械能。在此过程中，燃料的供应量可以人为调节，但是每次燃烧反应所需的空气不能人为地任意增加。所以对于车用发动机来说，循环进气量是制约功率提高的关键因素之一。
循环进气量的提高又取决于气门正时。目前，关于发动机气门开启关闭时刻的设计技术已经比较成熟。国外的各大高校和研究机构以及国内的高校如天津大学、北京理工大学理工大学等已经提出发动机气门开启关闭时刻的优化设计设计方法。但是，由于配气机构惯性作用以及零部件的热胀冷缩效应，在发动机机实际运转中气门的确切开启时刻却难以确定。
目前确定发动机气门实际开启关闭时刻的方法主要有一种是：在发动机飞轮上安装分度盘，分度盘上的0点对应发动机活塞的上止点，打开发动机的气门室盖，转动发动机，观察(或者通过仪器测量)气门开始移动时以及停止移动时分度盘的刻度值，以此得到发动机气门的开启关闭时刻。这种方法由于是在发动机静态条件下测量气门开启关闭时刻，主要有以下缺点：
1.忽略了发动机高速运转过程中气门等运动零件的惯性作用；
2.忽略了发动机运转过程中气门等零部件受热膨胀伸长现象；
3.使用分度盘需要确定发动机的上止点，实际测量过程中发动机上止点难以确定。
鉴于以上原因，这种方法测量的气门开启关闭时刻误差极大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种根据发动机气缸缸内压力确定气门实际开启时刻的新方法，在发动机稳定运行过程中测量发动机缸内压力，然后通过缸压波动判断气门的关闭时刻，可以较好的解决现有测量方法存在的问题，得到的气门开启关闭时刻更为精确有效。
一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，包括以下步骤：
步骤1：控制发动机(2)的喷油量为零，并用测功机(3)驱动发动机(2)转动；测量发动机(2)的缸内压力，并根据缸内压力得到发动机(2)的压缩上止点；
步骤2：控制测功机(3)停止工作，发动机(2)也停止转动；然后控制发动机(2)开始喷油并再次启动发动机(2)，待发动机(2)正常运转后，测量发动机(2)的缸内压力和发动机(2)的曲轴转角，其中压缩上止点作为曲轴转角的参考零点；基于参考零点，根据本步骤中发动机(2)的缸内压力和曲轴转角得到发动机(2)正常运转时的缸内压力曲线以及缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线；
步骤3：对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理，得到顺滑后的缸内压力曲线；
步骤4：用步骤2中的缸内压力曲线减去步骤3中顺滑后的缸内压力曲线，得到二者的压力差曲线；其中，压力差曲线中进气冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为排气门关闭时刻，压缩冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为进气门关闭时刻；
步骤5：根据步骤4得到的进气门关闭时刻，在发动机(2)进气门的理论升程曲线上找到气门驱动机构在进气门关闭时刻对应的压缩量，则在发动机(2)进气门理论升程曲线上与此压缩量高度相同的点对应的曲轴转角为进气门的开启时刻；
步骤6：分别对步骤2中测得的缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线的横坐标以及纵坐标取以2为底数的对数，得到缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线的对数P-V图；
步骤7：对步骤6中得到的对数P-V图中的膨胀冲程段作延长线，此延长线和对数P-V图的分离点为排气门的开启时刻。
一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，步骤3所述的对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理具体方法为：
以1度曲轴转角为区间，并将区间以设定间隔在曲轴转角坐标轴上移动，依次计算各个区间内的所有缸内压力数据点的平均值，并将平均值作为区间中点曲轴转角对应的压力值，直至遍历所有区间，得到顺滑后的缸内压力曲线。
有益效果：
本发明提出的根据发动机缸内压力确定气门开启关闭时刻的方法，在发动机稳定运行过程中测量发动机缸内压力，然后通过缸压波动判断气门的关闭时刻，和现有方案相比，本发明在气门驱动机构正常运行的过程中测量气门的开启关闭时刻，可以充分考虑运动零部件的变形和惯性作用以及发动机温度对气门驱动机构的加热膨胀作用，得到的气门开启关闭时刻更为精确有效，具有显著的进步。
附图说明
图1为本发明的一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻装置的结构示意图；
图2为本发明的发动机在不喷油时测定的缸内压力曲线图；
图3为本发明在发动机正常运转时测定的缸内压力曲线图；
图4为本发明发动机进气门升程曲线；
图5为本发明缸内容积的曲线取以2为底数的对数做出的对数P-V图；
图6为本发明对图5的对数P-V图局部放大后的图；
1-缸内压力传感器，2-发动机，3-测功机，4-角码编辑器，5-燃烧分析仪，P-缸内压力，Deta-P-缸内压力P和其移动平均值的差值，log-P-缸内压力。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细叙述。
实现本发明的技术方案如下：
发动机运转时有四个理想工作过程：进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程以及排气冲程。气门在理想条件下开启和关闭时，气流平稳的流进流出发动机气缸，气缸内不会出现压力突然升高或者突然下降的现象。但是，在实际情况下气门开启或者关闭时，强行地改变了缸内的气流运动，必然造成缸内压力的突变，缸内压力突变后的产生的压力波峰(或波谷)在气缸内反射传播，造成缸内压力在一段时间内持续震荡。该压力波是由气门开启或关闭造成的，压力波出现的时刻就是气门开启或关闭对应的时刻。因此，通过测量发动机缸内压力的波动，可以判断进气排气门的实际关闭时刻。(a)当判断出进气门的关闭时刻后，根据进气门理论升程曲线可以得到进气门驱动机构在进气门关闭过程中的总间隙，进气门开启过程中进气门驱动机构的受力状态和关闭过程中的类似，所以该间隙也是气门开启过程中气门驱动机构的总间隙。反之，根据该间隙可以在进气门理论升程曲线中确定进气门的开启时刻。(b)另外在膨胀冲程，排气门没有打开前，缸内气体基本符合绝热膨胀过程，在对数P-V图中，绝热膨胀过程是一条斜直线。排气门打开后，缸内气体排出气缸，缸内压力下降，所以在对数P-V图中实际测量缸压线和绝热膨胀理论线的分离点就是排气门的实际开启时刻。
如图1所示，为本发明的一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻装置的结构示意图，包括发动机2，测功机3，缸内压力传感器1，角码编辑器4以及燃烧分析仪5。缸内压力传感器1安装在发动机2缸盖上，用来测量发动机2运转过程中的缸内压力。燃烧分析仪5用来接收缸内压力传感器1的信号。角码编辑器4安转在发动机2飞轮侧，为燃烧分析仪5提供发动机2曲轴转角信号。
一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，包括以下步骤：
步骤1：控制发动机2的喷油量为零，并用测功机3驱动发动机2转动；燃烧分析仪5采集由缸内压力传感器1测量的发动机2的缸内压力，并根据缸内压力得到发动机2的压缩上止点；如图2所示为本发明的发动机2在不喷油时测定的缸内压力曲线图；
步骤2：控制测功机3停止工作，发动机(2)也停止转动；然后控制发动机(2)开始喷油并再次启动发动机2，待发动机2正常运转后，采用缸内压力传感器1测量发动机2的缸内压力，角码编辑器4测量发动机2的曲轴转角，其中压缩上止点作为曲轴转角的参考零点；基于参考零点，燃烧分析仪5根据本步骤中发动机2的缸内压力和曲轴转角得到发动机2正常运转时的缸内压力曲线以及缸内压力关于发动机2缸内容积的曲线，其中压缩上止点为缸内压力的最大值点，如图3所示为本发明的发动机2在正常运转时测定的缸内压力曲线图；
步骤3：对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理，得到顺滑后的缸内压力曲线；
步骤4：用步骤2中的缸内压力曲线减去步骤3中顺滑后的缸内压力曲线，得到二者的压力差曲线；如图3所示，以进气冲程中的压力波动为例，因为此压力波动振幅起始时较大，然后逐渐减小，所以此压力波是由外界扰动引起的，然后在缸内反射传播，最终波动能量耗尽波动消失，而在吸气冲程中，缸内压力的扰动来源只有一个，那就是排气门的突然关闭，因此压力差曲线中进气冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为排气门关闭时刻，压缩冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为进气门关闭时刻；由图3可知排气门实际的关闭时刻为-341.7度。同理，可以确定进气门关闭时刻为-141.2度；
步骤5：如图4所示，根据步骤4得到的进气门关闭时刻，在发动机2进气门的理论升程曲线上找到气门驱动机构在进气门关闭时刻对应的压缩量(A点)，则在发动机2进气门理论升程曲线上与此压缩量高度相同的B点对应的曲轴转角为进气门的开启时刻，由图4可以确定进气门开启时刻为-383度；
步骤6：分别对步骤2中测得的缸内压力关于发动机2缸内容积的曲线的横坐标以及纵坐标取以2为底数的对数，得到如图5所示的缸内压力关于发动机2缸内容积的曲线的对数P-V图；
步骤7：如图6所示，对步骤6中得到的对数P-V图中的膨胀冲程段作延长线，此延长线和对数P-V图在log2V＝0.5时的分离点为排气门的开启时刻，而在log2V＝0.5时发动机的曲轴转角为97.3度，所以排气门开启时刻为97.3度。
一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，步骤3所述的对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理具体方法为：
以1度曲轴转角为区间，并将区间以设定间隔在曲轴转角坐标轴上移动，依次计算各个区间内的所有缸内压力数据点的平均值，并将平均值作为区间中点曲轴转角对应的压力值，直至遍历所有区间，得到顺滑后的缸内压力曲线。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制发动机(2)的喷油量为零，并用测功机(3)驱动发动机(2)转动；测量发动机(2)的缸内压力，并根据缸内压力得到发动机(2)的压缩上止点；
步骤2：控制测功机(3)停止工作，发动机(2)也停止转动；然后控制发动机(2)开始喷油并再次启动发动机(2)，待发动机(2)正常运转后，测量发动机(2)的缸内压力和发动机(2)的曲轴转角，其中压缩上止点作为曲轴转角的参考零点；基于参考零点，根据本步骤中发动机(2)的缸内压力和曲轴转角得到发动机(2)正常运转时的缸内压力曲线以及缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线；
步骤3：对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理，得到顺滑后的缸内压力曲线；
步骤4：用步骤2中的缸内压力曲线减去步骤3中顺滑后的缸内压力曲线，得到二者的压力差曲线；其中，压力差曲线中进气冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为排气门关闭时刻，压缩冲程期间的波动最大点对应的曲轴转角为进气门关闭时刻；
步骤5：根据步骤4得到的进气门关闭时刻，在发动机(2)进气门的理论升程曲线上找到气门驱动机构在进气门关闭时刻对应的压缩量，则在发动机(2)进气门理论升程曲线上与此压缩量高度相同的点对应的曲轴转角为进气门的开启时刻；
步骤6：分别对步骤2中测得的缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线的横坐标以及纵坐标取以2为底数的对数，得到缸内压力关于发动机(2)缸内容积的曲线的对数P-V图；
步骤7：对步骤6中得到的对数P-V图中的膨胀冲程段作延长线，此延长线和对数P-V图的分离点为排气门的开启时刻。
2.如权利要求1所述的一种基于动态缸压确定发动机气门开启关闭时刻的方法，其特征在于，步骤3所述的对步骤2中得到的缸内压力曲线做移动平均处理具体方法为：
以1度曲轴转角为区间，并将区间以设定间隔在曲轴转角坐标轴上移动，依次计算各个区间内的所有缸内压力数据点的平均值，并将平均值作为区间中点曲轴转角对应的压力值，直至遍历所有区间，得到顺滑后的缸内压力曲线。
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