盛利,劉志治,張文,石磊，王俊席

1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005;2.上海交通大學(xué) 動力機械與工程教育部重點實驗室，上海 200240;3.上海海能汽車電子有限公司，上海 201806

0 引言

發(fā)動機起停技術(shù)是指車輛在較長的怠速工況下，如等待紅燈和交通擁堵等，發(fā)動機自動熄火，待車輛具有繼續(xù)行駛的要求時迅速重新起動的技術(shù)。快速起停技術(shù)能夠降低怠速過程總排放和油耗，受到了車企的密切關(guān)注。Moritaka等[1]認為怠速時間超過7 s，停機再起動要比怠速燃油消耗少。研究表明，采用起停技術(shù)在國內(nèi)城市典型工況下可節(jié)約燃料7%～27%[2-3]，在交通擁堵嚴重的城市節(jié)約更多；在新歐洲標準行駛循環(huán)(new European driving cycle,NEDC)駕駛試驗中，具備起停技術(shù)車輛的CO2排放降低了5%～8%[4]。實現(xiàn)停機位置控制有利于獲得更短的起動時間，是目前研究的重點。

停機時刻曲軸位置分布影響發(fā)動機再次起動時間，對發(fā)動機系統(tǒng)有重要作用。目前，國內(nèi)外學(xué)者對發(fā)動機停機行為和曲軸位置進行了研究。Dong等[5]研究了利用曲軸和凸輪軸傳感器建立停機位置監(jiān)測系統(tǒng)，并對反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行了研究；李學(xué)軍等[6]通過建立活塞的動力學(xué)模型，推導(dǎo)出熄火后缸內(nèi)氣體力矩和曲軸的輸出力矩公式；Mueller[7]研究得到了一種利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器來預(yù)估曲軸停機角度的方法；許楠等[8]建立了直噴發(fā)動機停機試驗臺架，研究了發(fā)動機停機過程的反轉(zhuǎn)行為；蘇巖等[9]研究了不同停機位置對正反轉(zhuǎn)起動模式的影響；韓立偉等[10]研究了停機過程中缸內(nèi)氣體壓力對曲軸反轉(zhuǎn)的影響以及曲軸位置對起停技術(shù)的重要作用；國內(nèi)外學(xué)者也對發(fā)動機怠速、停機過程以及在起動過程中的油耗與排放問題開展了深入研究，揭示了這些瞬態(tài)過程中的工作特性[11-13]。

目前國內(nèi)外研究主要集中在對停機過程特性以及對再起動的影響，尚未開展對停機位置概率分布以及影響的研究。為了探究停機位置的分布規(guī)律，基于發(fā)動機臺架進行大量停機試驗，通過對大量數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計分析，研究不同停機條件對發(fā)動機停機位置分布的影響規(guī)律。

1 試驗臺架與方案

本文中在某2 L直噴發(fā)動機上開展反復(fù)起停試驗研究，發(fā)動機主要參數(shù)如表1所示。

表1 臺架試驗發(fā)動機主要參數(shù)

試驗臺架采用歐姆龍E6C3-AG5C絕對值編碼器獲取停機準確位置，使用Kistler公司的6125b 型缸壓傳感器獲取停機過程氣缸壓力，并通過數(shù)據(jù)采集卡對停機過程的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門后壓力等信號進行采集。臺架試驗信號采集布置如圖1所示。

圖1 試驗臺架信號采集布置示意圖

試驗中控制停機過程中的節(jié)氣門開度和停機前轉(zhuǎn)速，通過在不同的停機條件下重復(fù)進行停機試驗，得到大量的停機位置數(shù)據(jù)，分析不同參數(shù)對停機位置分布規(guī)律的影響。節(jié)氣門開度按照0、20%、40%、60%、80%、100%開度進行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速按照700、800、1000、1200 r/min進行調(diào)節(jié)。每個停機工況進行100次停機試驗，對數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計分析。本文中采用概率集中度和停機區(qū)域?qū)νC位置概率進行分析。停機區(qū)域為整個壓縮沖程中停機概率大于0的停機區(qū)間寬度，停機區(qū)域可以用來表征停機分布在整個壓縮沖程中的分散程度，停機區(qū)域小表明停機點聚攏在一起；概率集中度為在具有停機點分布的區(qū)間停機概率的標準差。

概率集中度(標準差)

概率集中度可以用來表征停機點在整個壓縮沖程分布的均勻程度，概率集中度越高表明大部分的停機點聚集在小區(qū)間內(nèi)，停機位置規(guī)律性更強。

2 節(jié)氣門開度對停機位置的影響

試驗主要考察停機過程中節(jié)氣門開度對停機位置分布的影響。停機前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在750 r/min，發(fā)動機輸出扭矩為1 N·m, 停機過程冷卻水溫穩(wěn)定在90 ℃，分別將節(jié)氣門開度設(shè)定為0、20%、40%、60%、80%和100%進行停機，每組試驗起停發(fā)動機100次。不同節(jié)氣門開度下停機位置分布如2所示(圖中壓縮缸曲軸停機位置均為上止點前(before top dead center,BTDC)曲軸轉(zhuǎn)角)。

由圖2可知：當節(jié)氣門開度為0時，停機位置的分布呈現(xiàn)分散型，在整個壓縮沖程均有分布，各個區(qū)間的停機概率差異較小，停機點分布比較均勻；當節(jié)氣門開度為20%及以上時，停機位置分布差異很小，均呈現(xiàn)集中分布的特征，停機點大部分聚集在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～100°。因此，節(jié)氣門開度為0時的停機分布與其余5組存在著明顯差異，而其余5組差異很小。不同節(jié)氣門開度下停機區(qū)域和概率集中度對比如圖3所示。由圖3可知：節(jié)氣門開度為0時的參數(shù)與其它開度顯著不同，在節(jié)氣門開度為0時停機區(qū)域很大且概率集中度較小，說明在節(jié)氣門開度為0時的停機分布特征為均勻分散型；其余5組的分布情況一致，停機區(qū)域小且概率集中度較大，說明停機分布非常集中。

圖2 節(jié)氣門開度對停機位置分布影響

圖3 不同節(jié)氣門開度下的停機區(qū)域和概率集中度

本文中針對不同節(jié)氣門開度停機過程進行測試分析，試驗中，只改變停機時的節(jié)氣門開度，停機前各參數(shù)保持不變。停機前調(diào)整節(jié)氣門開度至適宜值(約為12%)，以保證發(fā)動機在1050 r/min怠速運轉(zhuǎn)，整個過程維持水溫高于80 ℃。變節(jié)氣門開度停機過程各參數(shù)變化如圖4所示。

圖4 變節(jié)氣門開度停機過程各參數(shù)變化

由圖4可知，在停機時刻之前，每個工況條件下各變量有較好的一致性。因為控制了停機前節(jié)氣門開度，所以停機前的節(jié)氣門后壓力基本相同，為40 kPa。與相同的節(jié)氣門后壓力對應(yīng)，最高缸壓和最低缸壓也基本相同，分別約為680、50 kPa。在停機時刻，改變節(jié)氣門開度，同時令發(fā)動機立即停機。在停機過程中，停機時節(jié)氣門開度較小的試驗工況，節(jié)氣門后壓力、最高缸壓和最低缸壓先下降，然后逐漸升高。這是因為節(jié)氣門開度突然變小，進氣量減少，壓力降低；停機過程中轉(zhuǎn)速不斷降低，進氣時間延長，通過節(jié)氣門氣體的節(jié)流效應(yīng)變?nèi)?，進氣量增加，壓力升高。對于停機時節(jié)氣門開度較大的試驗工況，由于不存在停機時節(jié)氣門開度突然變小的因素，在停機過程中其節(jié)氣門后壓力、最高缸壓和最低缸壓一直升高。由于氣缸壓力的增大導(dǎo)致發(fā)動機活塞停止時刻趨于某固定位置附近，因此隨節(jié)氣門開度增大，停機位置更加趨于集中。

3 轉(zhuǎn)速對停機位置的影響

進一步分析停機前怠速轉(zhuǎn)速對停機位置分布的影響。試驗過程中分別將轉(zhuǎn)速設(shè)為700、800、1000、1200 r/min，每組試驗起停發(fā)動機100次。停機位置分布如圖5所示(圖中壓縮缸曲軸停機位置均為BTDC的曲軸轉(zhuǎn)角)。

圖5 轉(zhuǎn)速對停機位置分布影響

由圖5可知：不同怠速轉(zhuǎn)速下4組數(shù)據(jù)的停機位置分布基本相似，大量的停機點主要分布在上止點前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～72°，但是停機點分布范圍較大，分布呈現(xiàn)分散特征。此外，在各個區(qū)間的停機概率分布不均勻，少數(shù)區(qū)間上概率比較大，表現(xiàn)出偏正態(tài)分布特征。不同怠速轉(zhuǎn)速下的停機區(qū)域和概率集中度變化很小，表明怠速轉(zhuǎn)速對停機位置分布影響不大。

4 結(jié)論

開展了大量發(fā)動機停機試驗，進行概率統(tǒng)計分析，研究了停機過程節(jié)氣門開度、怠速轉(zhuǎn)速對停機位置分布的影響。

1)在節(jié)氣門開度為20%及以上時，發(fā)動機停機位置主要分布區(qū)域的上止點前曲軸轉(zhuǎn)角為60°～100°，且該概率較為集中；隨著停機條件的改變，停機位置分布變化不大。

2)停機過程中節(jié)氣門開度對停機位置的分布具有顯著影響，從節(jié)氣門開度為0逐漸增大節(jié)氣門開度，停機位置的分布更加趨向于壓縮沖程的中間區(qū)間；但節(jié)氣門開度達到20%以后，隨著開度繼續(xù)增加，停機位置分布受到的影響很小。

3)轉(zhuǎn)速對發(fā)動機停機位置影響較小，在一定的怠速范圍內(nèi)，停機位置概率變化較小。