（机械制造及其自动化专业论文）汽油辛烷值试验机的分析与改进.pdf

l ：海人学硕：卜学位论文 摘要 汽油辛烷值是汽油重要的使用性能指标，表示汽油的抗爆性能，也是我国确 定车用汽油牌号的直接依据。国际上公认的标准测试仪器是a s t m 规定的c f r 试验机。 本文主要论述了在原有s y p 一2 1 0 2 v 型汽油辛烷值试验机的基础上进行的分 析与改进。这其中包括对进气道、进油系和点火系的分析与改进等。 通过用c f d 软件f l u e n t 对发动机进气道进行三维流场仿真，得到进气道内 气体流场的分布，以及吸气冲程中进入气缸的进喜量；进油量和混合气空燃比。 分析了不同大气压力，喉管直径以及气缸直径下仿真的结果，得出喉管局部的流 场和空燃比随大气压力，喉管直径和气缸直径的变化规律。这为发动机进气道的 改进提供了依据。本文依据仿真的结果对进气道进行了改进，并对改进后的进气 道进行了仿真和分析。 s y p 2 1 0 2 v 型汽油辛烷值试验机浮子室中的液面在测试过程中不能很好的 保持稳定，而是成一定的波动，这些波动对实验机的性能是有影响的。本文用 m a t l a b s i m u l i n k 对液位控制系统进行了仿真，根据对仿真结果的分析，阐明了液 面波动产生的原因并给出了提高液面控制精度的改进方案。 对发动机点火系进行了分析与改进，将点火系改为单片机控制的电子点火 系，避免了由机械振动引起的点火提前角的偏移以及点火线圈放电对测爆电路的 干扰。 通过对改进前后的系统的试验结果的对比，验证了发动机进气道，进油系和 点火系的改进对提高系统的测试精度和稳定性有显著的作用。 关键词：c f r 试验机辛烷值爆震强度空燃比 l 二海大学顺_ i ：学位论文 a b s t r a c t t h eo c t a n en u m b e ri sa ni m p o r t a n ti n d e xw h i c he x p r e s s e st h ea n t i k n o c k p e r f o r m a n c eo f g a s o l i n e ，a n di ti sa l s ot h eb a s i sf o rn a m i n gt h ek i n do f g a s o l i n ei no u r c o u n t r y c f re n g i n ea p p r o v e db ya s t mh a sb e e nr e c o g n i z e dw o r l d w i d ef o rr a t i n g t h eg a s o l i n e i nt h i sp a p e r , s o m ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t so ft h ei n s t r u m e n ts y p 一2 1 0 2 va r e d i s c u s s e d t h e s ei n c l u d ea n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to ft h ei n t a k ep i p e ，t h ef u e ll e v e l c o n t r o ls y s t e ma n dt h eb u r n i n gs y s t e mo ft h ec f re n g i n e f i r s t t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h ei n t a k ep i p ea n d c y l i n d e ro ft h ec f re n g i n eb yt h es o f t w a r ef l u e n ti sd i s c u s s e d t h ef l o wf i e l da n d f l u xo fa i ra sw e l la st h ef l u xo fg a s o l i n ei nt h ei n t a k es y s t e ma r eg o t t h r o u 曲 s i m u l a t i o n su n d e rv a r i o u sb a r o m e t r i c p r e s s u r e s a n dv a r i o u sd i a m e t e r so f v e n t u r e t h r o a ta n dc y l i n d e ro ft h ee n g i n e s o m el a w so ft h ec h a n g e so ff u e l a i rr a t i o a r eg o t a n db a s e do nt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n s t h ei n t a k es y s t e mi su p d a t e d t h e nt h ef u e l a i rr a t i oa c h i e v e st h es t a n d a r dv a l u e s e c o n d ，t h ef u e ll e v e l i nt h ef l o a tr e s e r v o i rc a n t k e e ps t a b i l i t y ，w h i c h d e t e r i o r a t e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , as i m u l a t i o no ft h ef u e l l e v e lc o n t r o ls y s t e mb yt h es o f t w a r em a t l a b s i m u l i n ki sd i s c u s s e d a n db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n ，t h er e a s o n sw h i c hc a u s et h e f u e l l e v e l f l u c t u a t ea r ee x p l a i n e d ，a n dt h ei d e at ou p d a t et h ec o n t r o ls y s t e mi sr a i s e d t h i r d ，t h eb u m i n gs y s t e mo ft h ee n g i n ei sa n a l y z e da n du p d a t e d a ne l e c t r o n i c b u r n i n gs y s t e mc o n t r o l l e db ym c u i su s e dt oi n s t e a dt h eb u r n i n gs y s t e mc o n t r o l l e d b ym a c h i n et h i si m p r o v e m e n ta v o i d st h ee x c u r s i o no ft h ea n g l eo fi g n i t i o na n dt h e i n t e r f e r e n c eo f t h ei g n i t e dl o o p f i n a l l y , t h r o u g hc o m p a r et h er e s u l t so fe x p e r i m e n t so f t h ef o r m e ra n di m p r o v e d i n s t r u m e n t ，t h ep o s i t i v ee f f e c to ft h ei m p r o v e m e n to ft h ei n t a k ep i p e ，f u e ll e v e l c o n t r o ls y s t e ma n dt h eb u r n i n gs y s t e mi sp r o v e d k e y w o r d s ： c f re n g i n e ，o c t a n en u m b e r , t h ei n t e n s i t yo fk n o c k ，f u e l a i rr a t i o i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：函2 兰茧日期兰! ：! ：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 本岛扣日期：必 | 二海火学硕 。学位论文 第一章绪论 1 1 汽油辛烷值及其评定方法 11 1 汽油机的爆震燃烧 汽油机在工作时，有时会出现剧烈振动，发出金属敲击声，排出大量黑烟， 汽缸壁温度猛烈升高，发动机功率下降耗油增加。这种现象称为“爆震燃烧”。 关于爆震的发生机理目前尚无公认的解释。一般认为，爆震是由于汽油的提 前燃烧引起的【2 5 】。当汽油和空气混合进入汽缸，被压缩后，混合气的温度升至 3 0 0 4 5 0 。c ，这时汽油中的烃类开始氧化。当电火花点火后，开始燃烧，其火馅 以平均为2 0 3 0 米秒的速率向前传播。其火馅前端未燃烧部分，由于辐射热及 高压的影响仍不断的进行氧化。正常燃烧时，火馅前缘移动将相邻层预热并向前 传播，燃烧是均衡地进行着。当燃烧不正常易爆震燃料时，火馅前部未燃烧部分， 受火馅的热辐射而增高温度。同时，由于燃烧产生体积增大，使混合物压力增高， 在高温高压作用下，未燃烧部分有过氧化物形成，并积聚至最终形态，过氧化物 分解，使全部剩余气体立刻发火，扩张冲击波的速度达到1 0 0 0 米秒以上，这时 燃烧以爆炸的形式进行，汽缸内压力急剧增加，对活塞形成打击，就发生了爆震。 爆震形成有两方面原因，一是发动机本身的工作条件，如温度、压力、压缩 比、燃烧混合比等。二是与燃料的性质有关。 1 1 2 汽油的辛烷值 汽油在燃烧过程中，抵抗爆震的能力叫做抗爆性【2 5 】，用辛烷值来表示。 a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n go fm a t e r i a l s ) 认为，如果二种燃料的抗爆性相 同，那么这二种燃料的辛烷值相等。a s t m 规定“，异辛烷的抗爆性能优良， 其辛烷值为1 0 0 ；正庚烷的抗爆性能低劣，其辛烷值为0 ；异辛烷和正庚烷混合 液体的辛烷值用其中异辛烷的体积百分数来表示。例如用总体积8 0 异辛烷和 2 0 f 庚烷配制的燃料的辛烷值为8 0 。这种按体积百分数配制的异辛烷和正庚烷 混合液体称为标准燃料。这样，可以通过和标准燃料进行抗爆性的比较来测定任 一种燃料的辛烷值( 辛烷值大于1 0 0 的燃料除外) 。 f ：姆人学硕士学位论文 需要指出的是，汽油的辛烷值并不是化学意义上的辛烷含量，而是汽油抗爆 强度的功能性指标。测定辛烷值的方法不同，所得数值有所差异。因此，引用辛 烷值时应该指明所采用的标准，通常辛烷值分马达法辛烷值( m o n ) 和研究法辛烷 值( r o n ) 两种1 3 】【。 ( 1 ) 马达法辛烷值是表示发动机在9 0 0 r m i n 的转速下运转时汽油的抗爆性 能。测定是在较高混台气温度( 一般加热到1 4 9 。c ) 下进行的。用马达法测得的辛 烷值，代表车辆在重负荷高速行驶条件下汽油的抗爆性能。多数东欧国家都采用 马达法。而目前我国车用汽油的规格标准( g b l 7 9 3 0 1 9 9 9 ) 则是根据研究法辛 烷值的大小来划分的，主要包括9 0 号，9 3 号和9 5 号三个牌号。 【2 】研究法辛烷值是表示发动机在6 0 0 r m i n 的转速下运转时汽油的抗爆性 能。测定研究法辛烷值所用试验机基本上和马达法相同，试验条件是在较低混合 气温度( 一般不加热) 下进行的。用研究法测得的辛烷值，代表车辆在低速行驶条 件下汽油的抗爆性能，美国和西欧国家多采用研究法，优质汽油研究法辛烷值一 般为9 6 1 0 0 ，普通汽油为9 0 9 5 ，我国汽油抗爆性的表示方法正在由马达法改 为研究法，制定了相应的部颁标准和国家标准，如s h 0 0 4 1 9 3 无铅车用汽油 行业标准，g b 4 8 4 1 9 9 3 车用汽油国家标准，g b l 7 9 3 0 1 9 9 9 车用无铅汽油 国家标准等。 1 ，1 3 汽油辛烷值的评定方法 辛烷值的测定方法，主要有发动机法、冷焰反应法、近红外光谱法、色谱分 析法等四种方法1 1 1 【2 ”。 冷焰反应法是通过油与空气在冷焰反应的氧化反应中所释放的热值与辛烷 值的函数关系换算成汽油的辛烷值。虽然这个函数的关系是不确定的，测量结果 的准确性差，但是这种方法可以快速获得油品的辛烷值，所以大多作为在线测量 的一种手段应用于油品生产线上。色谱分析法和近红外光谱法都是通过分析汽油 的化学成分来推断辛烷值的3 1 ”】，但是辛烷值和汽油的化学成分并不总是一一 对应的，所以这种方法所测量的结果也是不够准确的。发动机法则是从辛烷值的 定义出发，模拟汽油在发动机中的爆炸，从而得出汽油的爆炸值，进而得出汽油 的辛烷值1 0 1 。而且汽油的爆炸值和其辛烷值是一一对应的，所以发动机法是最 t 悔大学磷： 。学位论文 准确、最直接的汽油辛烷值评估方法。 发动机法测试辛烷值通常使用一种可变压缩比的单缸试验机来评定汽油的 辛烷值。这种试验机简称辛烷值机。现在世界公认的是美国产的c f r 试验机( 见 图1 ) 。其实最早世界上有两种标准，分别是德国的和美国的，但是随着两种标 准的竞争最后美国的a s t mr 3 】f 4 1 标准上升为1 s o 标准丽取得了在这一领域豹主导 地位，现在国际上几乎所有的基于发动机法的测试机都是采用美国a s t m 规定 的c f r 的试验机。汽油辛烷值测定机由一台压缩比连续可变的单缸发动机、合 适的负载设备、辅助设施和爆震测试仪表及控制箱组成。 目1 l o c t a n e a n a l y z e r m o d e l8 1 9 5 汽缸内产生的爆震波被安装在汽缸头上的磁致伸缩型爆震传感器接收。此传 感器直接和汽缸内的燃烧气体相接触产生与汽缸内气体压力变化速率成正比例 的电压，汽缸内的爆震倾向越严重，传感器产生的电压数值越大。信号经过滤波、 放大、积分后得到一个稳定的电位信号，送至读数表显示。 发动机法测量爆震强度包括内插法和压缩比法两种测试方法。使用压缩比法 测定辛烷值，事先要建立一条油号一压缩比曲线，该曲线的自变量是辛烷值，应 变量是使该油号燃料的最大爆震强度( 混合气浓度可调) 为标准爆震强度的压缩 比。测定时，用一种标准燃料确定标准爆震强度。阔节压缩比和混合气浓度，使 海大学硕士学位沦义 试验燃料的最大爆震强度正好达到标准爆震强度，根据此时的压缩比对照油号 压缩比曲线即可获得试样的辛烷值。压缩比法试验过程较为简单，但精度不如内 插法高，一般用于辛烷值的粗略评估。 如果要取得样品辛烷值的精确值，必须用内插法”i 。所谓内插法是在压缩 比法的基础之上，按样品辛烷值数配制两种副标准燃料，使其中一个副标准燃料 的辛烷值数低于样品辛烷的一个数值，而另一个副标准燃料的辛烷值数高于样品 一个数值。比如，样品的辛烷值数粗略判断为9 0 ，那么两种副标准燃料分别为 8 9 和9 1 。然后分别送入发动机中燃烧，根据数显的读数，用下面的公式计算出 样品辛烷值的精确值。 肛4 + 筹产 c 札d 其中：a 丘为两种副标准燃料的辛烷值； 。，为两种副标准燃料在爆震表上的读数： a 为被测样品在爆震表上的读数。 1 2 发动机法测试技术的发展现状 1 31 国际发展概况 美国的w a u k e s h a 公司自从1 9 3 1 年就开始致力于燃油等级评定设备的设计和 制造，他们设计和生产的五款符合a s t m 标准的c f r 测试机在世界范围内被公 认为是采用a s t m 标准测试方法的典范。他们的c f r 测试机的突出特点是产品 耐用，对于发动机、航空汽油、柴油燃烧特性的测试非常准确。 w a u k e s h a 研制和生产的多用途的c f r 燃油等级测试模块被广泛的应用于炼 油厂、研究实验室、发动机制造工厂、政府机关和高校等，主要的用途包括：公 证汽油的质量，燃油和添加剂技术的发展，燃油质量的在线监测以及发动机内部 工作过程的教学和研究等。 w a u k e s h a 公司为燃油辛烷值测试提供了整套系统，并且符合a s t md2 6 9 9 研究法和a s t md2 7 0 0 马达法的标准测试方法。f l 模块是测试研究法的辛烷 值，f 2 模块是测试马达法的辛烷值，f 1 f 2 组合模型则既可以测试研究法的辛 4 ：海人学硕士学位论文 烷值又可l 3 , n 试马达法的辛烷值，通过小型设备调节器来实现切换功能。f i f 2 型测试机已经取代了f - 1 和f 2 型测试机，最大的满足用户测试的灵活性。而且 w a u k e s h a 的升级测试系统都通过控制软件实现了自动化控制，在很大程度上提 高了测试的精度和效率 3 9 】。 1 32 国内发展概况 几十年来，我国在这类试验机的研发方面取得了一些成果，国产试验机在国 内的占有率逐年提高。早年使用比较广泛的是s y p 一2 1 0 2 汽油辛烷值试验机【3 6 i ， 但是与国外先进的试验机相比，s y p 一2 1 0 2 试验机自动化程度比较低，大多数都 没有在测试操作方面实现自动化控制。而且随着科技的发展，人们对这方面产品 的要求也提高了，大多数国内大型用户都不惜花费昂贵的价钱选择国外先进的试 验机。为了提高试验机的自动化程度，减少人为因素对测试结果的影响，我们与 上海神开科技工程有限公司合作设计和开发了基于w i n c e 嵌入式操作系统的 s y p 一2 1 0 2 v 试验机1 1 1 ( 图1 2 ) ，在测试过程中采用了自动控制方法，加强了影响 测试精度因素的监控力度，全面提y t 。了国产机的自动化程度，也在一定程度上改 进了试验机的性能。 瞄1 2s y p 2 1 0 2 v 试验机 l 一海大学硕上学位论文 1 3 课题的提出及研究内容 在s y p 2 1 0 2 v 试验机的研制过程中，我们发现提高系统的自动化程度是能 在很大程度上改善系统性能，但要彻底解决系统测试精度不高，测试结果重复性 不好的问题，还需要对系统进行一系列的试验，从总体上去寻找影响系统性能的 因素。并针对这些因素进行改进，才能从根本上提高系统的性能。为此我们开展 了以下的研究工作： ( 1 ) 通过在s y p 2 1 0 2 v 试验机上进行实验，对实验结果进行分析，确定影 响实验机性能的主要环节并提出改进思路； ( 2 ) 按提出的改进思路，对确定的影响实验机性能的各个环节分别进行分 析、研究和改进。在改进后的系统上进行试验，分析实验结果并与改进前相对比， 验证改进的效果，并提出进一步的改进所需要做的工作； 根据上述的研究内容，本文以后各章内容安排如下： 第二章在s y p - 2 1 0 2 v 型试验机j 二进行实验。对实验结果进行分析后提出影 响系统性能的主要因素包括空燃比不稳定、点火正时偏移和点火电路对测爆电路 的干扰以及配气相位的变化三个方面。本文主要解决前两个方面的问题，给出系 统的改进思路： 第三章主要介绍了针对发动机进气系统的仿真与分析。用c f d 软件f l u e n t 对发动机进气系统进行建模和仿真，根据仿真结果对发动机的进气系统提出改进 方案。首先简要介绍了c f d 软件f l u e n t ，然后从几何模型和网格的生成、边界 条件的确定、湍流模型和计算方法等几方面论述了进气道3 d 流场的c f d 仿真。 并对不同大气压力，不同喉管直径和气缸直径下仿真的结果进行分析，得出进气 道喉管局部流态及空燃比的变化规律。最后根据仿真和分析的结果对进气道提出 改进措施。 第四章主要介绍了针对发动机进油系的分析与改进。首先介绍了s y p 一2 1 0 2 v 试验机液位控制系统的结构，建立了控制系统的数学模型，然后用 m a t l a b s i m u l i n k 对液位控制系统进行了仿真，分析了影响液面控制精度的因素并 提出改进方案。 第五章介绍了对点火系的分析与改进。说明了s y p 2 1 0 2 v 型试验机点火系 的弊端，设讣了电子控制的发动机点火系。新的点火系可以通过软件设定发动机 【海人学硕。i 学位论文 的点火角度避免了在测试过程中因为机械振动导致点火角度的偏移以及点火电 路对测爆电路的干扰。同时，由于通过软件控制点火角度，不必每次都停机设置 点火角度，使系统的调试更加方便。 第六章对改进后的系统进行了一系列试验，验证了对发动机进气道，进油系 和点火系的改进对提高系统的性能有显著的作用。通过对更换不同直径喉管的系 统的实验，验证了只有在一定的空燃比下才能保证系统的测试精度，为系统的调 试和进一步的改进提供了依据。 最后，对整篇论文的工作进行了总结，并对辛烷值试验机设计的前景做出展 望，提出了将来在辛烷值试验机设计工作中应该面对和有待解决的问题。 海人学坝士学位论文 第二章s y p 2 1 0 2 v 型汽油辛烷值试验机及其主要问题 本课题的研究内容是在s y p 2 1 0 2 v 型汽油辛烷值试验机的基础之上进行的。 本章首先介绍了试验机的系统结构及其工作原理。然后结合实验对试验机的性能 进行分析，找出影响试验机性能的各种因素，并提出改进思路。 2 1s y p 一2 1 0 2 7 型试验机 21 1 试验机系统结构 上海石油仪器厂是生产c f r 试验机的主要国内厂家3 6 。在上世纪七十年代 开始生产机械式的试验机。s y p 一2 1 0 2 v 型试验机是在原有s y p 2 1 0 2 型汽油辛烷 值试验机的基础上对局部进行改造和优化后的型号，其系统总体结构如图2 - 1 所 示，主要由c f r 发动机、压缩比调节装置，同步交流电机、点火系、加热装置 等几个主要部分组成【”。 c f r 发动机为单缸、立式、四冲程、在运转中可连续改变压缩比的水冷式 发动机，其主要技术数据如下【3 6 1 ： 气缸直径 6 5 r a m 冲程 1 0 0 m m 工作容积 3 3 2 m l 压缩比( 调节范围) 4 ：1 1 2 ：1 工作压力( 热机压缩压力) 0 7 0 8 5 m p a ( 当压缩比为5 5 ：1 时) 工作温度( 混合气温度) 1 4 9 1 ( 马达法) 5 0 1 0 ( 研究法) 发动机转速9 0 0 2 0 r f m ( 马达法) 6 0 0 15 r p r o ( 研究法) 上海大学硕士学位论文 点火电压 火花塞型号 润滑方式 图2 1测试系统的结构示意图 机油压力( 热机： 作压力) 冷却方式 电动机 1 2 v 1 4 1 1 1 型 复合式，其中曲轴、连杆及曲轴轴 承系强制润滑；凸轮轴、活塞系飞溅润 滑；外部气门机构及压缩比调解机构系 定期加注润滑 0 l l v i p a 热对流型自动循环式蒸发冷却，带有用 循环水冷却的冷却器和指示水位的水位 计 型号y m l l 2 4 4 发动机缸套和汽缸头在电机驱动下可以上下移动，实现压缩比调节。试验机 有三个油杯，用于盛放试验燃油和标准燃油。在油杯下方装有燃油液位高度调控 装置，调节液位高度，可以调节进油量，即调节混合气浓度。安装在汽缸头上的 磁致伸缩型测爆传感器直接和汽缸内的燃烧气体相接触，产生与缸内气体压力变 卜海大学倾卜学位论文 化速率成诈比例的电压。汽缸内的爆震倾向越严重，传感器产生的电压信号( 以 下称为爆震信号) 越大。传感器输出的爆震信号经滤波、放大以及a d 转化后送 给单片机，单片机对采集的信号进行处理保留其中的峰值( 即我们所要测量的 爆震强度) ，然后经r s 2 3 2 串口发动给上位机，并显示，由此完成对爆震强度的 测试。 2 12 试验机测控系统 辛烷值是通过测定标准条件下的爆震强度而测定的。保持测试条件“标准” 是保证测试精度的前提。因此在测试过程中需要对各种参数进行监控。s y p 2 1 0 2 v 型汽油辛烷值试验机的测控系统如图2 2 所示 1 = 幽2 - 2 删控系统不意图 测控系统采用主从两级计算机控制( 图2 2 ) 。其中主机是p c i 0 4 系统，由 p c i 0 4 c p u 模块、l c d 触摸屏等组成。采用w i n d o w sc e4 2 操作系统，控制软 件使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 2 开发而成，负责人机交互、试验过程控制和打印 等工作。从机是一个m c s 5 t 单片机系统，可以独立运行，负责现场数掘采集和 工况控制，主要完成爆震强度的采集、温度控制、压缩比调节和油温、水温、油 压等现场参数检测工作。主从控制器通过r s 2 3 2 接口通讯。 0 r 海大学硕士学位论文 2 2 试验机性畿实测和分析 如上所述，s y p 一2 1 0 2 v 试验机在测试过程中采用了主从两级计算机控制，部 分实现了系统的自动化。这在很大程度上改进了试验机的性能，但由于并未对 c f r 发动机进行实质性的改进，系统依然存在测试精度不高，测试结果重复性差 等问题。下面分别结合马达法与研究法的实际测试结果对系统的性能进行分析。 2 21 马达法实验 发动机转速9 0 0 r m i n ，进气温度1 4 9 。c ，点火提前角在压缩比为5 5 时设置 为上止点前2 4 。 3 6 。实验过程与结果如下： 1 ) 爆震稳定性实验 发动机预热2 0 分钟后，用甲苯标准燃料对发动机进行标定，调节压缩比和 液面高度使爆震达到最大。在发动机工况稳定后，用9 3 # 市场油做稳定性试验。 试验结果如图2 3 所示。其中图2 3 ( a ) 是用数字示波器记录的测爆传感器实际 输出的信号，图2 3 ( b ) 是经过信号放大、峰值保持和滤波处理后，每隔3 0 秒 记录一“次数据而得到的爆震强度曲线。 ( 8 ) 4 分0 0 秒1 4 分0 2 秒的波形 海人学硕二l 学位论文 髫 v 世 鬻 梃 蝼 时间( 分钟) ( b ) 图23 马达法爆震稳定性试验 由图2 3 ( a ) 可以看出爆震信号不是非常稳定，而是在1 5 m v 左右上下波动。 这样的波动很难通过电路滤除，因此我们在上位机软件中对采集到的信号进行了 数字滤波。通过放大、滤波，上位机实际测得的爆震数据如图2 3 b 所示，由于 滤波造成的延时，爆震信号在4 分钟左右才达到最大5 4 v ，然后基本保持稳定。 2 ) 压缩比法测试试验 丑 髁 趟 幽2 - 4 马选法睫缩比法试验油号琏缩比曲线 按a s t m 标准f 3 1 【，用标准异辛烷和正庚烷按体积比配制8 6 # 标准油。调节 卜海大学硕卜学位论文 发动机压缩比到6 0 。以8 6 # 标准油为标准燃料放入发动机中燃烧。调节液面高 度使爆震达到最大，并以此最大爆震值为标准爆震值( 此试验中为54 5 v ) 。配 制7 5 # 、8 0 # 、8 4 萍和9 0 # 标准油，并将他们依次放入发动机中燃烧，调节压缩比 使其最大爆震强度正好等于标准爆震强度，并记录下相应的压缩比。图2 - 4 中实 线是实测的油号压缩比曲线，虚线是通过线性拟合后的直线。本次实测的油号一 压缩比线性误差为o 0 0 6 ，可以满足使用要求。 3 ) 内插法测试实验 用内插法测试标准甲苯燃料( 其辛烷值己知) 的辛烷值，以此来检验试验机 的测试精度。用标准异辛烷和正庚烷分别配制出8 4 # 、8 6 # 标准油，用甲苯和正 庚烷配出等效马达法辛烷值8 5 3 的标准甲苯燃料，将它们分别倒入3 个油杯中。 先将8 4 # 标准油放入发动机，调节液面高度和发动机压缩比，使爆震读数达到最 大，记录下爆震值。保持压缩比不变，再顺序将8 6 # 标准油，甲苯燃料放入发动 机燃烧，调节液位高度，使爆震达到最大，并分别记下最大爆震读数。然后按照 内插法辛烷值计算公式( 式1 - 1 ) 计算出辛烷值并记录。次试验后，让机器冷 却5 分钟。如此做3 组实验得到数据如表2 1 所示。 表2 - 1 马达法内插法试验甲苯标准燃料的测试 爆震强度( v ) 8 4 # 标准油 6 6 06 5 86 6 6 8 6 # 标准油 5 4 554 25 4 3 8 53 甲苯燃料5 8 25 7 85 9 马达法辛烷值 8 5 _ 3 58 5 3 88 5 2 4 误差( m o n l + o 0 5+ o 0 80 0 6 由试验数据可以看出：甲苯标准燃料的测试精度优于o 1 个辛烷值，可以 满足使用要求。 通过以上两个试验可以看出：s y p 一2 1 0 2 v 试验机在用马达法测试汽油辛烷值 时系统基本满足精度要求，但也存在着数据达到稳定的时间较长，测试过程中的 耗油量比较大的问题。 22 2 研究法实验 将混合气温度设定为5 0 ，发动机转速为6 0 0 r m i n ，点火提前角固定在压 13 j 二海人学碗1 学位论文 缩行程上止点前1 3 。1 3 6 1 。研究法的实验过程和数据如下。 1 ) 爆震稳定性实验 同马达法一样在发动机工况稳定后，用9 3 # 市场油做稳定性试验。每隔3 0 秒记录一次爆震数据，试验结果如图2 - 5 所示，其中2 5 ( a ) 是数字示波器记 录的测爆传感器实际输出的信号，2 5 ( b ) 是经处理后测得的爆震强度曲线： ( 1 3 ) 4 分0 0 秒4 分0 2 秒的波形 时间( 分钟) ( b ) 圉2 - 5 研究法爆震稳定性试验 由图2 5 ( a ) 可以看出，传感器输出的爆震信号比马达法时输出的爆震信号 小，只有1 2 m v 左右，并且不规则的上下波动，其中有些循环爆震非常小，爆震 峰几乎被压缩波淹没。经过滤波放大处理，实际测得的爆震强度如图2 - 5 ( b ) 所 4 j 一海大学硕_ | 学位论文 示，爆震强度在2 分钟时达到最大4 4 7 v ，然后一直在4 4 v 左右震荡，这使得 操作人员的读数变得困难，增大了读数的误差。 2 ) 压缩比法试验 测试过程同马达法相似，用标准异辛烷和正庚烷配制8 5 # 标准油。调节发动 机压缩比到6 0 。以8 5 # 标准油为标准燃料放入发动机中燃烧。调节液面高度使 爆震达到最大并以此最大爆震值为标准爆震值( 此试验中为4 4 5 v ) 。配制8 0 # ， 9 0 # ，9 4 # ，9 7 # 标准油，并将他们依次放入发动机中燃烧，调节压缩比使其最大 爆震强度正好等于标准爆震强度，并记录下相应的压缩比。由此得出一条油号压 缩比曲线如图2 - 6 所示。图中实线是实际测得的油号压缩比曲线，虚线是线性拟 合的直线。 8 18 2 8 3 8 4 8 5 8 68 7 州8 99 09 19 2 9 3 9 49 69 6 9 79 8 油号 图2 - 6 研究浊压缩比法试验油号压缩比曲线 由n i , j 以看出，s y p 一2 1 0 2 v 试验机在研究法实验条件下，用压缩比法测试时， 虽然压缩比随着油号( 辛烷值) 的增大而增大，但压缩比油号曲线存在折点，测 试的误差比较大，线性误差为o 0 4 5 。 3 ) 内插法试验 用标准异辛烷和正庚烷配制9 2 # ，9 4 # 标准油。用标准甲苯和正庚烷配出等 效研究法辛烷值9 3 4 的甲苯燃料，将它们分别倒入3 个油杯中。将发动机压缩 比调到67 。按照与马达法一样的操作过程得到3 组实验数据如表2 - 2 所示。 海大学硕士学位论文 表2 - 2 研究法内插法试验甲苯标准燃料的测试 爆震强度 9 2 # 标准油 5 1 051 25 1 8 9 4 # 标准油 3 _ 3 036 73 5 8 9 3 4 甲苯燃料 4 3 64 1 04 2 9 研究法辛烷值 9 2 8 29 3 4 l9 3 1 1 误差( r o n ) 一o 5 8+ o 0 1+ 0 2 9 由试验数据可以看出：s y p 一2 1 0 2 v 试验机在用研究法测试汽油辛烷值时，测 试精度与结果重复性都不好。 223 试验结果分析 通过以上的实验以及在实际操作中的观察，试验机在测试过程中存在以下问 题： 1 ) 爆震传感器输出的爆震信号不稳定。在实验中，即使发动机的工况达到 稳定后，爆震信号的幅值也一直存在着上下的波动。 2 ) 系统的重复性不好，前后两次测试同种燃油所得到的辛烷值的误差比 较大。 3 ) 完成一次测试的时间太长，效率太低。在一次测定过程中，操作人员需 要反复调整油杯液面高度，以及发动机的压缩比。而由于测试过程中，气缸套会 发生热胀冷缩，从而影响到压缩比，所以工作人员不得不在测试过程中不断的停 机，以减少气缸热膨胀的影响。这样加上其他各种因素的影响，完成一次测定的 时f 自j 需要1 ”2 小时，测试的效率很低。 4 ) 在实验机的实际使用中，还存在着不同地区系统的测试精度不同等问题。 由上面的实验结果还可以看出马达法条件下系统的测试精度和重复性明显 好于研究法测试条件下的测试精度与重复性。因此我们认为研究法测试汽油辛烷 值时对测试条件的要求更加严格，对各种参数的变化更加敏感。所以，在后面的 研究中，我们将重点放在研究法试验条件上。 2 3 改进思路 经过对上述问题的分析，我们认为引起上述问题的原因有以下几个方面： j ：晦大学硕一l + 学位论文 1 发动机空燃比不稳定。吸气冲程中进入气缸的混合气空燃比直接决定了爆 震的强度和稳定性。吸气冲程中，进气通道内气体流态的变化以及进油通道液面 高度的变化都将导致空燃比的变化，并影响到混合气的爆震。 2 点火正时偏移和点火电路对测爆电路的干扰。试验机的点火系是一个机械 控制的点火系，通过机械装置控制发动机的点火。在测试过程中，由于机械振动 等原因点火提前角会发生偏移，使每次点火的时间不能保持一致。并且由于点火 电路与测爆电路通过机壳共地，使点火产生的电磁干扰通过机壳被耦合到测爆电 路上。这些都影响了系统的测试精度。 3 配气相位问题。配气相位决定了发动机进排气门的开关时间，试验机的配 气相位是通过一个机械杠杆装置由凸轮控制的。在测试过程中，无论是配气相位 由于机械的振动而改变或者进排气门没有关紧都将影响到混合气的爆震。 本文主要解决上述的第一和第二个问题，暂时不考虑第三个问题。研究的内 容包括3 部分：1 ) 发动机进气系统的分析与改进；2 ) 发动机进油系统的分析与 改进；3 ) 点火系的分析与改进。 231 发动机进气和进油系统的分析与改进 图2 7 发动机进气和进油系统结构图 进气管2 喉管3 进气阀4 气缸5 油杯6 浮子室7 进油管8 喷油管 l7 ：海人学顿i ：学位论文 试验机进气系统和进油系统如图2 ，7 所示。其中进气系统山进气管、喉管、 进气阀门、气缸组成；进油系统由油杯、浮子室、进油管、喷油管组成。工作过 程中，通过三通阀选择三个浮子室( 分属三个进油系，图中只画出一个) 中的一 个连通进油管。在吸气冲程中，活塞向下运动，空气顺序流过进气管、喉管、进 气阀门进入气缸。当空气流经喉管时，流速增加而气压下降，由此产生的大气压 力与喉管压力的差值使燃油被吸入喷油管，经喷油嘴喷出，和空气形成混合气进 入汽缸。显然，混合气的浓度和每个吸气冲程中进入气缸的空气和燃油质量紧密 相关。进入气缸的燃油质量主要由大气压力和喉管压力的差值以及浮子室中燃油 液面的高度决定。而进入气缸的空气质量受到众多因素的影响，如：大气压力， 喉管直径，气缸直径，发动机转速等。这些因素在决定进气质量的同时也决定了 喉管处的压力，从而影响到进油质量。因此我们将主要研究发动机众多参数如何 影响吸气冲程中吸入气缸的空气质量，燃油质量以及空燃比。并从这些研究出发， 确定系统的改进措施。 ， 研究的方法主要是：对于进气系统，通过用c f d 软件f l u e n t 对发动机进气 系统建模和仿真。计算出吸气冲程中流入气缸的进气量以及喉管处的压力，由喉 管处的压力算出每吸气冲程进入气缸的进油量，最终得到混合气空燃比。比较和 分析不同参数( 如大气压力，喉管直径等) 条件下的仿真结果，评估各参数的变 化对空燃比的影响。根据仿真和分析的结果对进气道进行改进。 对于进油系统，通过用m a f l a b s i m u l i n k 对浮子室液位控制系统的仿真，分析 液位控制的精度以及液面的波动对试验机测试精度的影响。以仿真和分析的结果 为依据对进油系进行改进。 2 32 点火系的分析与改进 图2 8 发动机点火系 海夫学倾1 j 学位论文 发动机点火系如图2 8 所示。由前述，此点火系存在着点火提前角偏移和线 圈放电对测爆电路干扰的问题。本文对点火系进行了改进。将机械控制点火改为 电子控制点火，点火电路的地线与测爆电路的地线分隔开，避免由点火系引起的 对系统测试精度和稳定性的影响。 上海大学硕。l 学位论文 第三章发动机进气道三维流场仿真与分析 c f r 发动机进气道中的流场直接影响到吸气冲程中进入气缸的混合气的空 燃比进而影响试验机的性能。因此研究发动机进气道内气体流场的分布及其与空 燃比的关系对改进系统性能是很有意义的。本章用计算流体动力学( c f d ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的方法分别对国产c f r 发动机和a s t m 标准试 验机的进气道进行三维流场仿真，研究进气道流场的分布，分析不同大气压力、 喉管直径、气缸直径下进气道气体流场和空燃比的变化，提出国产发动机进气道 的改进方向。在改动最小的前提下，提出将喉管直径减小，水平进气管加长的改 进方案，并对改进后的进气道进行了仿真，仿真的结果表明改进后，吸气冲程中 进入气缸的混合气的空燃比近似等于a s t m 标准发动机的空燃比。 3 1c f d 软件f lu e n t 简介”“ f l u e n t 是f l u e n t 公司经过多年开发改进的一种适用范围广泛、功能强 大、适合于工程问题计算的计算流体力学软件。可用于外部流场分析、发动机流 场分析、空调系统分析、水泵及风扇的流场模拟、油箱晃动模拟、液压油路设计、 化学反应模拟等方面。 对于所有的流动，f l u e n t 都是解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或 可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程，数值方法采用了有限体积法。 f l u e n t 软件的结构主要可分为三大模块： 3 1 1 前处理软件g a m b i t g a m b i t 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学( c f d ) 模 型和其它科学应用而设计的一个软件包。g a m b i t 通过它的用户界面( g u i ) 来 接受用户的输入。g a m b i t 具有如下特点： 1 完整的建模能力 g a m b i t 拥有自己的绘图器，可以完成复杂外形的二维，三维建模，并提供 了强大的靠尔代数运算功能，能够准确模拟出分析对象的几何外形。 2 强大的网格生成能力 g a m b i t 软件提供了功能强大、灵活易用的网格划分工具，可以划分出满足 ：j f 譬人学碗上学位论文 c f d 特殊需要的网格。 a 完全非结构化的网格 g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化 网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程具有很强的自动化能 力，因而大大减少了工程师的工作量。 b 网格的自适应技术 f l u e n t 采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和 优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在c f d 技术中提高计算精度 的最重要的技术之一。尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题， 采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精 度。如采用自适应网格后可以有效地分析汽车后视镜附近的气流分离现象，汽车 尾部的旋涡区域及发动机水套的温度场等复杂问题。f l u e n t 软件具有多种自适 应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值( o n 压力梯度) 、网格容积变化率、 壁面y + y + 值等进行白适应。 c 混合网格与附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。( 附面层 是流动变化最为剧烈的区域，因而附面层网格对计算的精度有很大影响) 。而且 附面层内的贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质 量。另外，g a m b i t 能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混 合起来，这对复杂几何外形来说尤为重要。 3 丰富的c a d 接口 g a m b i t 包含全面的几何建模能力，既可以在g a m b i t 内直接建立点、线、 面、体的几何模型，也可以从p r o e ，u g i i 、e a s ，c a t i a ，s o l d w o r k s ， a n s y s ，p a t r a n 等主流的c a d c a e 系统导入几何和网格。g a m b i t 与c a d 软件之间的直接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大 的方