車用柴油機(jī)在線動(dòng)力性能監(jiān)測(cè)方法研究

趙春生 張志軍 劉艷利 李耀宗

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 天津 300400)

引言

柴油機(jī)是車輛的“心臟”，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞，直接影響到車輛的工作狀態(tài)。因此，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，確保系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行，處于最佳運(yùn)行工況，提高車輛的維修質(zhì)量和效率是十分必要的，而且也具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及自動(dòng)化程度的提高，內(nèi)燃機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)已從最開始的事后維修發(fā)展到定時(shí)檢測(cè)、再到現(xiàn)代故障診斷技術(shù)的視情維修。與其它類型機(jī)械的故障診斷一樣，內(nèi)燃機(jī)故障診斷首先必須對(duì)故障機(jī)理進(jìn)行研究，并以故障信號(hào)的檢測(cè)及處理為基本技術(shù)，以故障信號(hào)處理和特征提取理論為基本理論，以基于特征的故障信息融合識(shí)別為基本方法［1］。

柴油機(jī)在工作時(shí)，曲軸向傳動(dòng)軸傳遞扭矩。由于柴油機(jī)每個(gè)工作循環(huán)內(nèi)氣缸壓力呈周期性變化，導(dǎo)致曲軸的扭矩也呈周期性變化，只是隨氣缸數(shù)目不同其頻率不同;從柴油機(jī)曲軸輸出端直到車輛傳動(dòng)和走行部分都受這個(gè)交變扭矩的作用?？梢?，曲軸輸出扭矩是表征柴油機(jī)技術(shù)狀況的重要參數(shù)之一。隨著使用期的增加，在相同油量下，曲軸的輸出扭矩會(huì)減小。若通過(guò)曲軸輸出扭矩評(píng)估柴油機(jī)的技術(shù)狀況，則需要檢測(cè)曲軸的瞬時(shí)扭矩。實(shí)車檢測(cè)柴油機(jī)的瞬時(shí)扭矩，在技術(shù)上有一定的難度，主要是車用柴油機(jī)曲軸暴露在外的軸段部分很短，且軸段較粗，應(yīng)變有限［2］。

本文針對(duì)實(shí)車條件下，柴油機(jī)扭矩參數(shù)難以獲取的問(wèn)題，開展柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)力、扭矩和油門位置關(guān)聯(lián)關(guān)系研究，通過(guò)計(jì)算和標(biāo)定間接得到柴油機(jī)的扭矩，從而為柴油機(jī)在線性能評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1 基本原理

1．1 車輛行駛驅(qū)動(dòng)力與柴油機(jī)扭矩關(guān)系

車輛行駛的驅(qū)動(dòng)力Fkp按下式計(jì)算:

式中，Ttq為柴油機(jī)輸出扭矩;ik為變速器傳動(dòng)比;i0為減速器傳動(dòng)比;ηm為傳動(dòng)系效率;rk為車輪滾動(dòng)半徑。

驅(qū)動(dòng)力和阻力相平衡按下式計(jì)算:

式中，F(xiàn)f為滾動(dòng)阻力，即

其中，m為車輛質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

Fw為風(fēng)阻力，即

其中，c為空氣阻力系數(shù);ρk為空氣密度;s為車輛正面投影面積;v為車輛行駛速度。

Fi為爬坡阻力，當(dāng)坡度角小于15°時(shí)，

其中，αi為爬坡角度(rad)。

Fa為加速阻力，即

其中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);a為加速度。

由以上計(jì)算公式可知，在車輛行駛過(guò)程中，通過(guò)測(cè)取車速、坡度和加速度，便可得到車輛驅(qū)動(dòng)力，由此可得到柴油機(jī)的扭矩。

1．2 轉(zhuǎn)速、齒桿位移和扭矩關(guān)系

柴油機(jī)與從動(dòng)機(jī)具的工作特性相匹配時(shí)，其轉(zhuǎn)速和輸出扭矩必須通過(guò)自動(dòng)裝置調(diào)節(jié)或人工干預(yù)，按從動(dòng)機(jī)具的阻力特性來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不同的轉(zhuǎn)速和扭矩對(duì)應(yīng)其不同的運(yùn)行狀態(tài)。通常，將柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)稱為工況。柴油機(jī)在正常情況下，轉(zhuǎn)速和齒桿位移決定了柴油機(jī)扭矩的唯一性。這樣，就可以在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下，利用臺(tái)架試驗(yàn)獲取柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)扭矩Map圖。通過(guò)實(shí)際使用環(huán)境參數(shù)的修正，可得到柴油機(jī)當(dāng)前工況的標(biāo)準(zhǔn)扭矩值。與公式(1)計(jì)算出的實(shí)際輸出扭矩值進(jìn)行比對(duì)，便可對(duì)柴油機(jī)的性能進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

1．3 環(huán)境參數(shù)與柴油機(jī)扭矩關(guān)系

柴油機(jī)發(fā)出的功率取決于吸入氣缸的空氣量，在進(jìn)氣時(shí)的充氣量取決于它的進(jìn)氣方式、大氣密度、大氣溫度、相對(duì)濕度等因素。其中環(huán)境溫度對(duì)柴油機(jī)的充氣量影響較大:溫度一方面影響大氣的密度，另一方面影響柴油機(jī)的充氣效率。隨著環(huán)境溫度的升高，柴油機(jī)的進(jìn)氣流量減小、燃燒惡化，導(dǎo)致功率、扭矩隨環(huán)境溫度升高呈一定規(guī)律下降，造成整機(jī)動(dòng)力性不足、經(jīng)濟(jì)性降低。圖1為空氣密度與環(huán)境溫度變化關(guān)系圖。

圖1 空氣密度與環(huán)境溫度關(guān)系

另外，大氣密度對(duì)柴油機(jī)性能也有重要的影響，隨著海拔的升高，空氣密度減小，進(jìn)氣壓力降低，導(dǎo)致吸入柴油機(jī)氣缸內(nèi)的空氣量減少、壓縮終了的缸內(nèi)壓力和溫度降低，滯燃期和燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，后燃嚴(yán)重，整機(jī)性能惡化。圖2為空氣密度與環(huán)境壓力變化關(guān)系圖。

圖2 空氣密度與環(huán)境壓力關(guān)系

利用柴油機(jī)高原、高溫臺(tái)架試驗(yàn)，可獲取柴油機(jī)在不同環(huán)境條件下的功率降，便可得到不同環(huán)境條件的扭矩修正系數(shù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2．1 數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻與邏輯框圖

柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的判定主要是基于常用轉(zhuǎn)速高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，無(wú)必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻的選擇是當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、齒桿位移相對(duì)穩(wěn)定，且齒桿位移大于50%油量。即相對(duì)于車輛來(lái)講是在平坦路面上勻速行駛。這樣，公式(2)可簡(jiǎn)化為:

柴油機(jī)動(dòng)力性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)邏輯框圖見圖3。

圖3 動(dòng)力性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)邏輯框圖

2．2 閾值確定

車用柴油機(jī)標(biāo)定功率是根據(jù)車輛最大功率行駛情況確定，通常是以車輛在良好道路上用最大速度行駛時(shí)所需要的功率來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率。柴油機(jī)的功率下降勢(shì)必會(huì)影響到車輛的動(dòng)力性，即最大速度、加速性、爬坡及轉(zhuǎn)向性能下降，嚴(yán)重影響了車輛技術(shù)效能發(fā)揮。參照柴油機(jī)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，規(guī)定功率下降不大于5%為閾值特征。

3 試驗(yàn)研究

3．1 柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)扭矩Map制取

在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行某柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，測(cè)量記錄轉(zhuǎn)速、扭矩、齒桿位移，繪制扭矩Map見圖4。

3．2 環(huán)境修正系數(shù)Map制取

在高原和高溫試驗(yàn)室分別進(jìn)行柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，測(cè)量記錄轉(zhuǎn)速、扭矩、齒桿位移，繪制扭矩修正系數(shù)Map 見圖5、6。

3．3 道路滾動(dòng)阻力系數(shù)確定

圖4 柴油機(jī)扭矩Map圖

圖5 環(huán)境溫度修正系數(shù)Map圖

圖6 大氣壓力修正系數(shù)Map圖

車輛道路滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響因素較多，主要與履帶車輛推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤性質(zhì)以及車輛行駛速度有關(guān)。本文重點(diǎn)關(guān)注車輛在砂石路面行駛車輛道路滾動(dòng)阻力隨車速變化情況，具體數(shù)值見圖7［3］。

圖7 車速與滾動(dòng)阻力系數(shù)關(guān)系

3．4 實(shí)車試驗(yàn)

為驗(yàn)證車用柴油機(jī)在線動(dòng)力性能監(jiān)測(cè)方法的可行性與正確性，設(shè)計(jì)了兩種工況進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)研究。一是柴油機(jī)正常狀態(tài);二是通過(guò)人為調(diào)整，將柴油機(jī)功率減小8%，試驗(yàn)結(jié)果見表1:

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

4 結(jié)論

利用計(jì)算分析結(jié)合試驗(yàn)研究，在現(xiàn)有測(cè)試水平下，提出根據(jù)車速獲取柴油機(jī)在線扭矩的方法。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，為柴油機(jī)在線性能狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了一種借鑒思路，對(duì)柴油機(jī)在線性能評(píng)估有著重要意義。

1 楊建國(guó)，古今，袁智．狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在柴油機(jī)機(jī)械狀態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］．武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，22(4):358 ～363

2 王朝暉，張來(lái)斌，陳如恒，等．柴油機(jī)故障智能診斷技術(shù)及專家系統(tǒng)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1999

3 芮強(qiáng)，王紅巖，賀小軍．基于虛擬試驗(yàn)環(huán)境下履帶車輛滾動(dòng)阻力系數(shù)的測(cè)試［J］．裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(2):51～54