一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法
【專利摘要】一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，計算壓縮沖程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，確定缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率并記錄缸內(nèi)瞬時壓力隨時間的變化規(guī)律，從壓力升高率隨時間變化的曲線中，找出壓縮過程中壓力升高率的最大值，該最大值點所在的時間采樣點即對應(yīng)之前計算的曲軸轉(zhuǎn)角，以該曲軸轉(zhuǎn)角為基點，結(jié)合擬定的曲軸轉(zhuǎn)角間隔，對整個缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼，最終獲得缸內(nèi)瞬時壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。本發(fā)明不需要安裝角標發(fā)生器，簡化了燃燒過程測量系統(tǒng)，僅依靠缸壓傳感器就能實現(xiàn)對缸內(nèi)瞬時壓力的測量及轉(zhuǎn)角編碼，減小了燃燒過程測量系統(tǒng)的安裝難度，減少了燃燒過程測量過程中可能出現(xiàn)故障的概率，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
【專利說明】
一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及往復活塞式內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒測量領(lǐng)域，尤其涉及一種不依賴角標發(fā)生 器對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 往復活塞式內(nèi)燃機性能及排放特性的好壞，與燃料在氣缸內(nèi)的燃燒過程具有直接 關(guān)系，因此，缸內(nèi)燃燒過程分析成為分析往復活塞式內(nèi)燃機性能的重要手段。缸內(nèi)燃燒過程 參數(shù)主要包括缸內(nèi)瞬時壓力、壓力升高率、瞬時放熱率、瞬時溫度等，其中缸內(nèi)瞬時壓力采 用直接測量獲取，其他參數(shù)均是在缸內(nèi)瞬時壓力的基礎(chǔ)上通過理論計算獲得。由此可見，缸 內(nèi)瞬時壓力的準確測量是缸內(nèi)燃燒過程分析的關(guān)鍵。
[0003] 缸內(nèi)瞬時壓力包括壓力值的大小以及對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，壓力值采用安裝在氣缸蓋 上的缸壓傳感器測量，壓力值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角通過角標發(fā)生器給出。為了保證缸壓值測量 的穩(wěn)定性以及精度，通常要求角標發(fā)生器安裝在曲軸一端的端面上，而且必須保證與曲軸 有很高的同軸度，同時角標發(fā)生器還必須保持與發(fā)動機一起振動，這對角標發(fā)生器的安裝 提出了極高的要求。另外，角標發(fā)生器及其安裝支架在工作過程中需承受劇烈的振動，極易 發(fā)生安裝支架以及角標發(fā)生器本體的損壞。因此，非常有必要提供一種不依靠角標發(fā)生器 來確定缸壓值對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的方法，即對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，不需要安裝角標發(fā) 生器，僅依靠缸壓傳感器就能實現(xiàn)對缸內(nèi)瞬時壓力的測量及轉(zhuǎn)角編碼。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方 法，包含以下步驟：
[0006] 步驟S1、根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)計算壓縮沖程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 Φο;
[0007] 步驟S2、確定缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f;
[0008] 步驟S3、按照時間采樣頻率f記錄缸內(nèi)瞬時壓力隨時間的變化規(guī)律，在獲得的壓力 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計算壓力升高率；
[0009] 步驟S4、從壓力升高率隨時間變化的曲線中，找出壓縮過程中壓力升高率的最大 值，該最大值點所在的時間采樣點即對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角Φο;
[0010] 步驟S5、以曲軸轉(zhuǎn)角為基礎(chǔ)，結(jié)合步驟S2中擬定的曲軸轉(zhuǎn)角間隔j，對整個缸內(nèi) 瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼，最終獲得缸內(nèi)瞬時壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。
[0011] 所述的步驟S1中具體包含以下步驟：
[0012] 將往復活塞式內(nèi)燃機壓縮過程近似為閉口系統(tǒng)絕熱過程，將缸內(nèi)空氣近似為理想 氣體，則有公式（1)成立：
[0013]
[0014] 其中，P為缸內(nèi)瞬時壓力，V為氣缸瞬時體積，γ為比熱容比，K為常數(shù)，P和V都是曲 軸轉(zhuǎn)角Φ的函數(shù)；
[0015] 在公式(1)的兩邊對曲軸轉(zhuǎn)角Φ求導可得： f γ+ι
''一
[0019]在壓縮過程中計算壓力升高率的極大值，即為求取式(3)的極大值，則令R'=0;
[0025] 其中，D為發(fā)動機缸徑，S為活塞行程，ε為發(fā)動機壓縮比，l = f為曲柄半徑r與連桿 長度L的比值；
[0026] 將式(6)、（7)帶入方程(5)可獲得一個關(guān)于Φ的方程，直接求解或者間接求解該方 程即可獲得壓縮過程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角Φο。
[0027] 所述的步驟S1中對方程(5)的間接解法如下：
[0028]
[0029]將式(6)、（7)帶入方程(8)，則Τ為Φ的函數(shù)，可以得出Τ隨曲軸轉(zhuǎn)角Φ的變化曲線，該 曲線與直線y = 〇在壓縮過程的交點即為方程(5)的解。
[0030] 所述的步驟S2中缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f可以由式(9)計算：
[0031]
[0032]其中，η是發(fā)動機穩(wěn)定運行后的轉(zhuǎn)速，j是期望得到的缸內(nèi)瞬時壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn) 角間隔。
[0033]所述的步驟S3中采用一階中心差分方法計算壓力升高率：
[0034]
[0035] 其中，i表示第i個時間采樣點。
[0036] 本發(fā)明簡化了燃燒過程測量系統(tǒng)，僅依靠缸壓傳感器就能實現(xiàn)對缸內(nèi)瞬時壓力的 測量及轉(zhuǎn)角編碼，減小了燃燒過程測量系統(tǒng)的安裝難度，減少了燃燒過程測量過程中可能 出現(xiàn)故障的概率，節(jié)約了系統(tǒng)成本。
【附圖說明】
[0037]圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0038]圖2為典型的缸內(nèi)瞬時壓力和壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化示意圖。
[0039]圖3為T值隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線圖。
[0040]圖4為缸內(nèi)瞬時壓力隨時間變化曲線圖。
[0041]圖5為根據(jù)缸內(nèi)瞬時壓力隨時間變化規(guī)律計算的壓力升高率曲線圖。
[0042] 圖6為采用角標發(fā)生器和不采用角標發(fā)生器分別獲得的缸內(nèi)瞬時壓力曲線對比 圖。
【具體實施方式】
[0043] 以下根據(jù)圖1~圖6,具體說明本發(fā)明的較佳實施例。
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，包含以 下步驟：
[0045] 步驟S1、根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)計算壓縮沖程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角 Φο；
[0046] 如圖2所示，往復活塞式內(nèi)燃機在壓縮沖程時，隨著活塞上行，缸內(nèi)瞬時壓力雖然 逐漸升高，但壓力升高率卻存在極大值Ρ'max，該極大值點對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角Φο可以根據(jù)發(fā)動 機結(jié)構(gòu)參數(shù)計算得出，計算原理如下：
[0047]將往復活塞式內(nèi)燃機壓縮過程近似為閉口系統(tǒng)絕熱過程，將缸內(nèi)空氣近似為理想 氣體，則有公式（1)成立：
[0048]
[0049] 其中，Ρ為缸內(nèi)瞬時壓力，V為氣缸瞬時體積，γ為比熱容比，Κ為常數(shù)，Ρ和V都是曲 軸轉(zhuǎn)角Φ的函數(shù)；
[0050] 在公式(1)的兩邊對曲軸轉(zhuǎn)角Φ求導可得：
[0051]
[0052]
r[0054] 在壓縮過程中計算壓力升高率的極大值，即為求取式(3)的極大值，則令R'=0;
[0053]
[0060] 其中，D為發(fā)動機缸徑，S為活塞行程，ε為發(fā)動機壓縮比，1 = f為曲柄半徑r與連桿 長度L的比值；
[0061] 將式(6)、（7)帶入方程(5)可獲得一個關(guān)于Φ的方程，求解該方程即可獲得壓縮過 程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角Φ0;
[0062] 對方程(5)的求解，除了直接解法外，還可以采用間接解法，間接解法如下：
[0063]
[0064]將式(6)、（7)帶入方程(8)，則T為Φ的函數(shù)，可以得出T隨曲軸轉(zhuǎn)角Φ的變化曲線，如 圖3所示，該曲線與直線y = 0在壓縮過程的交點即為方程(5)的解;本發(fā)明在解方程(5)時優(yōu) 選采用間接解法；
[0065]步驟S2、確定缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f;
[0066] 在缸內(nèi)瞬時壓力測量工況，待發(fā)動機穩(wěn)定運行后記錄發(fā)動機轉(zhuǎn)速n，假設(shè)期望得到 的缸內(nèi)瞬時壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔為j，則缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f可以由式(9) 計算：
[0067]
[0068]步驟S3、按照時間采樣頻率f記錄缸內(nèi)瞬時壓力隨時間的變化規(guī)律，在獲得的壓力 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計算壓力升高率：
[0069]如式(10)所示，優(yōu)選的采用一階中心差分方法計算壓力升高率：
[0070]
[0071] 其中，i表示第i個時間采樣點。
[0072] 步驟S4、從壓力升高率隨時間變化的曲線中，找出壓縮過程中壓力升高率的最大 值，該最大值點所在的時間采樣點即對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角Φ〇;
[0073] 步驟S5、以曲軸轉(zhuǎn)角Φο為基礎(chǔ)，結(jié)合步驟S2中擬定的曲軸轉(zhuǎn)角間隔j，對整個缸內(nèi) 瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼，最終獲得缸內(nèi)瞬時壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。
[0074] 以下通過實施例對本發(fā)明的實施方式進行更詳細的說明。
[0075] 實施例1
[0076]已知某型往復活塞式發(fā)動機的缸徑為126mm，曲柄半徑為65mm，連桿長度為219mm， 發(fā)動機壓縮比為17。根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合式(6)、（7)、（8)可得T值隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線圖， 如圖3所示，可以求得壓縮過程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角_ =-13.9^4。
[0077]發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程測量的轉(zhuǎn)速選為1500r/min，期望獲得的缸內(nèi)瞬時壓力對應(yīng) 的曲軸轉(zhuǎn)角間隔為〇 . 1° CA，根據(jù)式(9)計算可得缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率為90kHz。在 此頻率下記錄的缸內(nèi)瞬時壓力隨時間變化曲線如圖4所示，在缸內(nèi)瞬時壓力的基礎(chǔ)上計算 的壓力升高率曲線如圖5所示，可以獲得在壓縮過程中，壓力升高率最大值對應(yīng)的采樣時間 點為3468，即點3468對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角-13.9° CA。以-13.9° CA為基點，根據(jù)每個采樣點間隔0.1° CA的設(shè)定即可得到整條缸內(nèi)瞬時壓力曲線的曲軸轉(zhuǎn)角編碼，如圖6所示。圖6還將采用本發(fā) 明方法獲得的缸內(nèi)瞬時壓力，與安裝角標發(fā)生器得到的缸內(nèi)瞬時壓力進行了對比，兩者基 本重合，對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角僅相差0.7° CA，可見本發(fā)明提供的方法不僅能實現(xiàn)不安裝角標發(fā) 生器的目的，而且具有足夠的精度。
[0078] 盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的 描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項】
1. 一種對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，其特征在于，包含以下步驟： 步驟S1、根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)計算壓縮沖程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角Φο; 步驟S2、確定缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f; 步驟S3、按照時間采樣頻率f記錄缸內(nèi)瞬時壓力隨時間的變化規(guī)律，在獲得的壓力數(shù)據(jù) 基礎(chǔ)上計算壓力升高率； 步驟S4、從壓力升高率隨時間變化的曲線中，找出壓縮過程中壓力升高率的最大值，該 最大值點所在的時間采樣點即對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角Φ〇; 步驟S5、以曲軸轉(zhuǎn)角為基點，結(jié)合步驟S2中擬定的曲軸轉(zhuǎn)角間隔j，對整個缸內(nèi)瞬時壓 力進行轉(zhuǎn)角編碼，最終獲得缸內(nèi)瞬時壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。2. 如權(quán)利要求1所述的對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，其特征在于，所述 的步驟S1中具體包含以下步驟： 將往復活塞式內(nèi)燃機壓縮過程近似為閉口系統(tǒng)絕熱過程，將缸內(nèi)空氣近似為理想氣 體，則有公式（1)成立：其中，P為缸內(nèi)瞬時壓力，V為氣缸瞬時體積，γ為比熱容比，K為常數(shù)，P和V都是曲軸轉(zhuǎn) 角Φ的函數(shù)； 在公式(1)的兩邊對曲軸轉(zhuǎn)角Φ求導可得：在壓縮過程中計算壓力升高率的極大值，即為求取式(3)的極大值， 則令R'=0;其中，D為發(fā)動機缸徑，S為活塞行程，ε為發(fā)動機壓縮比，2 = f為曲柄半徑r與連桿長度 L L的比值； 將式(6)、（7)帶入方程(5)可獲得一個關(guān)于Φ的方程，直接求解或者間接求解該方程即 可獲得壓縮過程中壓力升高率最大值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角Φ〇。3. 如權(quán)利要求2所述的對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，其特征在于，所述 的步驟S1中對方程(5)的間接解法如下： = Ψ?{φ)-{γ + \)?2{φ:) (8) 將式(6)、（7)帶入方程(8)，則Τ為Φ的函數(shù)，可以得出Τ隨曲軸轉(zhuǎn)角Φ的變化曲線，該曲線 與直線y = 〇在壓縮過程的交點即為方程(5)的解。4. 如權(quán)利要求1所述的對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，其特征在于，所述 的步驟S2中缸內(nèi)瞬時壓力的時間采樣頻率f可以由式(9)計算： J其中，η是發(fā)動機穩(wěn)定運行后的轉(zhuǎn)速，j是期望得到的缸內(nèi)瞬時壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間 隔。5. 如權(quán)利要求1所述的對發(fā)動機缸內(nèi)瞬時壓力進行轉(zhuǎn)角編碼的方法，其特征在于，所述 的步驟S3中采用一階由心差；方法i+笪壓力孫高鑾，其中，i表示第i個時間采樣點。
【文檔編號】F02B77/08GK105863841SQ201610345282
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】魏立江
【申請人】上海海事大學