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摘要：为对船舶柴油机缸内燃烧过程进行快速诊断，提出一种船舶柴油机燃烧起终点识别的新方法。该方法通过构建韦伯燃烧模型模拟缸内压力曲线，然后建立缸内燃烧和散热模型。根据计算出的燃烧放热率、缸内温度和缸内压力升高率，分析其燃烧起点，并通过缸内压力变异分析研究燃烧终点。结果表明：与实测压力相比，用韦伯燃烧模型得到的压力在燃烧相和膨胀相上呈现出较好的相似性，可替代实测压力对其波动进行修正，且计算时间短。船舶柴油机瞬时燃烧放热率、缸内温度、缸内压力升高率均能提供燃烧起点特征信息;在燃烧终点缸内压力变异系数有突变现象;瞬时传热对燃烧起点无直接影响。两种传热模型均表明船舶柴油机样机缸内燃烧的速燃期和缓燃期均由两个阶段组成。
关键词：内燃机; 特征识别; 放热率; 燃烧模型; 散热模型; 压力变异
中图分类号： U664.121
文献标志码： A
Abstract：To diagnose the in-cylinder combustion process of a marine diesel engine rapidly， a new method for identifying the combustion start and end of the marine diesel engine is proposed. In this method， Weber combustion model is constructed to simulate the in-cylinder pressure curve， and the in-cylinder combustion and heat dissipation models are established. According to the calculated combustion heat release rate， in-cylinder temperature and in-cylinder pressure increase rate， the combustion start is analyzed， and the combustion end is studied through the analysis on the in-cylinder pressure variation. The results show that： the pressure obtained by Weber combustion model is very similar to the measured pressure in the combustion phase and the expansion phase， and can replace the measured pressure to correct the fluctuation; the calculation time using the model is shorter. The instantaneous combustion heat release rate， the in-cylinder temperature and the increase rate of in-cylinder pressure show the characteristic information of combustion start; at the end of combustion， the coefficient of in-cylinder pressure variation has a sudden change; the instantaneous heat transfer has no direct effect on the combustion start. The two heat transfer models show that both the rapid combustion period and the slow combustion period of the in-cylinder combustion of the marine diesel engine prototype are composed of two stages.
Key words：internal combustion engine; characteristic identification; heat release rate; combustion model; heat dissipation model; pressure variation
0 引 言
不同于点火式内燃机，船舶压燃式内燃机在燃烧时并无明确起点。受燃油物理特性和缸内环境等多因素影响，燃烧起终点常常变化且燃烧特性不易评估。一方面，缸内的燃烧过程极短且发生在缸内不易观察;另一方面，燃烧的起点和终点会影响缸内燃烧过程，不正确的燃烧正时往往会产生异常压力和燃烧敲击，进而引起缸内燃烧不良，烧伤活塞顶，损坏发动机部件等：因此，找到一种有效的监测方法对船舶柴油机燃烧的起终点识别将十分有益。
目前，可利用振动信号变换方法对机械状态进行检测，但基于时频域的内燃机故障诊断方法有一定的不稳定性，这是因为气缸盖的振動响应来自燃油在缸内迅速燃烧膨胀所导致的压力变化，即受燃烧过程的影响，而燃烧过程本身持续时间短，又是一个包含物理、化学、流动、传热、传质的复杂过程，同时也受外界条件（如燃油供油规律、燃油雾化情况、缸内空气运动等因素）的影响。因此，即使柴油机转速、功率保持稳定，每一个工作循环的缸内压力变化过程也存在着一定的随机性。
利用缸内压力来评估燃烧过程可得到更接近真实的燃烧信息，再经过变换可实现柴油机故障自诊，并得到更准确的预测结果，例如：文献[1]做了基于缸内压力控制的热力学研究，在一个点火式内燃机上利用缸内压力估算空燃比来进行失火检测预测;文献[2]通过引入EGR率，考虑了部分压力损失，在一定程度上修正了Powell对空燃比评估不足的影响;文献[3]重点考虑了摩擦、平均有效压力和燃油雾化的影响，模拟发动机燃用生物柴油的燃烧过程，并在0%、50%和100%负载条件下进行试验，通过对气相色谱-质谱结果的分析，标定了排气中碳、氢、氧的含量。
国内学者在该领域也做了大量研究，如：文献[4]利用了缸内压力和曲轴瞬时转速估计各缸指示转矩，消除误差结果，评估各缸平均指示转矩状态参数;文献[5]根据高海拔工况下的柴油机燃烧特性试验，利用零维模型和韦伯函数拟合了燃烧放热规律，修正了高海拔工况下工质的成分和供油策略;文献[6]提出了一种基于缸内压力的双燃料发动机燃烧评价方法，通过对缸内压力标准差和变异系数的修正，发现了变异系数在燃烧过程中有一个明显的跳跃现象，使得双燃料发动机的燃烧过程能清晰显示。
由于测压通道测量的缸内压力有滞后现象，文献[7]提出了基于数字信号处理理论的数字滤波法对测量的缸内压力进行预处理，设计了复合带阻滤波，并将示功图划分为3个相加部分，在基本构形部分低频分量被控制，在燃烧引起的压力突升部分和通道效应造成的压力振荡部分中频分量被控制;将通道引起的频带滤除，另外还附加一个高频阻带对量化误差引起的噪声进行衰减;依据测压通道长短对频域相位进行校正;采用逆滤波加选频滤波或计算通道系统的平均传递函数进行研究：方法略为复杂。文献[8]建立了测压通道内气体波动方程的封闭解，用于示功图测压通道的修正。
综上，利用实测各分缸缸内压力可构建韦伯燃烧模型，进一步通过燃烧放热规律、缸内压力变化和压力数值变异来识别压缩燃烧起点和终点，并考虑影响缸内散热的因素。
1 模型描述
1.1 模型原理与假设
本文基于热力学、多刚体动力学和一定的假设，模拟柴油机缸内燃烧过程，总方程包括能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体方程，具体模型包括缸内燃烧模型、散热模型、体积变化率模型、活塞运动模型、工质组分模型和废气混合物模型等。
根据缸内燃烧实际过程，在零维模型的基础上将缸内区域划分为可燃区和未燃区，将气体视为理想气体，不考虑高压气体的超临界变化。假设压力在缸内均匀分布，喷入缸内燃油已全部汽化，且不考虑散热过程中水蒸气的潜热变化。
1.2 缸内动力学模型
通过图2发现：累计燃烧放热率在上止点前某一角度迅速上升;从该时刻起，缸内温度迅速升高，由此相信，累计燃烧放热率和缸内温度的迅速升高由燃油压缩达到可燃条件所致，进而可判定该时刻为燃烧起点。该时刻前缸内温度的升高由缸内体积被压缩所致。
未完全燃烧的可燃气体存在后燃的现象，因此无法有效表征着火结束时刻。缸内实时温度逐渐下降由气体膨胀体积增加所致。
3.2 利用压力升高率特征识别燃烧起点
缸内压力变化同样可提供有效特征表征燃烧起点，如图3为累计燃烧放热率对缸内压力升高率的影响。影响压力升高率的因素较多。凸轮型线速率、柱塞直径、高压油管长度、高压油管内径、喷油器弹簧预紧力、喷孔流量系数、不同燃油的汽化吸热等的改变都会致使压力升高率发生变化。此外不同喷油时刻也会影响压力升高率。这是因为若延后喷油时刻，则会使燃油压力波传播的时间增长，增加燃油在油管内的黏性阻力损失，使得喷油压力下降，导致最大压力升高率和最小压力升高率随高压油管长度的增加而减小。随着凸轮转速的增加，喷油压力也会明显增加，并导致最大压力升高率发生相应的变化。
由图3可知：受缸内体积减小的影响，压力升高率在燃烧开始前缓慢增加，在快接近上止点时，压力升高放缓，曲线下降，直至燃烧开始压力升高率才迅速增加;压力升高率开始迅速增加时刻与累计燃烧放热率迅速增加时刻为同一时刻，进一步验证了燃烧起点;在活塞通过上止点后压力升高率达到峰值，随后逐渐下降，表现为燃烧气体对活塞做正功，直至压力升高率变为负值。
3.3 利用瞬时燃烧放热率特征识别燃烧起点
由上述可知，无论是利用缸内温度还是缸内压力升高率都可对燃烧起点进行评估。利用瞬时燃烧放热率特征可更精确地对燃烧相进行评估，见图4。图4表明，瞬时燃烧放热率可提供丰富的燃烧相，在上止点前曲轴转角约为1.6°时，瞬时燃烧放热率迅速上升，特征明显，且对速燃期有更为明显的特征指示。结果与第3.1、3.2节得到的燃烧起点一致。
结合缸内压力特征可进一步确立滞燃期、缓燃期和后燃期，进一步验证燃烧过程对缸内温度和压力变化的影响机理。由于压力波的微小波动变化，图4并不能直接反映滞燃期，需要根据柴油机本身喷油时刻重新标定柴油机着火燃烧时的滞燃期着火角。
3.4 瞬时传热系数影响因素
标定喷油时刻后，重新标定瞬时燃烧放热率，并考虑气缸套散热影响因素，采用Woschni传热系数和Sitkei传热系数进行对比研究，结果见图5。
图5表明，不论采用Woschni传热系数还是采用Sitkei传热系数，对燃烧起点的评估均无直接影响。
采用两种传热系数得到的瞬时燃烧放热率基本相似。通过分析发现，速燃期和缓燃期均可进一步分为两个阶段。可推测出：速燃期的两个阶段为火焰的传播扩散阶段和火焰碰壁反弹阶段;缓燃期的两个阶段为气缸容积增大带来的温度降低階段和气缸容积增大后带动的燃烧团空气卷吸阶段。
同时，相较于采用Sitkei传热系数，采用Woschni传热系数的结果显示，在速燃期第二阶段和缓燃期第一阶段的瞬时燃烧放热率较低，对试验台架机的评估较为保守，而采用Sitkei传热系数的结果更接近真实值。
3.5 燃烧终点特征识别
未完全燃烧燃料及其壁面附近未燃混合气体在高温环境下继续裂解产生碳、氢等成分，虽然膨胀过程中温度下降，但仍有部分化合放出热量，在累计燃烧放热率上的表现更为平稳，并没有明显的拐点。实际上，无论是对瞬时燃烧放热率还是对累计燃烧放热率的分析，都无法直观得到像燃烧起点特征一样的燃烧终点信息，因此需进行更多分析。
缸内压力是汇集缸内所有现象后的对外表现结果，受缸内燃烧过程、缸内传热损失、缸内水雾蒸发等因素影响，因此考虑利用缸内压力探索燃烧终点的特征。
通过对缸内压力的数值变换，如式（3）和（4），可得到缸内压力标准差和变异系数，见图6。由于在每个采样间隔内，无论是气体压力还是压力标准差变化都是微小的，因而该系数的取得是在每个采样间隔内进行的。即在每个采样点上计算瞬时压力与平均压力的标准差，然后求得该瞬时角度下的变异系数。以0°曲轴转角为例，缸内平均压力为2.217 MPa，燃烧爆发压力约为8.8 MPa，二者差值约为6.60 MPa，标准差为0.089 38 MPa，这时将标准差除以平均压力后可得缸内气体变异系数ξp约为4%左右。
由图6可知，缸内压力标准差和变异系数在上止点前后的同一转角时刻各有两个突变点，且缸内压力变异系数比缸内压力标准差有更明显的突变。图7为缸内压力标准差、缸内压力变异系数与累计燃烧放热率三者对比图。
分析图7可知，缸内压力标准差与缸内压力变异系数的第二个起跳点接近累计燃烧放热率末端。通过计算发现，该起跳点在曲轴转角上稍提前于累计燃烧放热率结束点，曲轴转角的误差为1.46°。第一个起跳点可能与混合气体的混合过程有关。比较柴油机结构参数和工作过程发现，该奇点附近的关键柴油机动作为进气阀关闭，柴油机进气阀关闭角为上止点前32°，起跳点为上止点前27°，曲轴转角的误差为5°。当进气阀关闭后，随着活塞运动，缸内压力上升迅速，缸内压力变异系数从减小转为增大，出現奇点。受阀的弹簧预紧力、阀的密封性和气体压力传递时间等共同影响，奇点可能存在一定的误差。
5 结 论
与实测压力相比，韦伯燃烧模拟结果在燃烧相和膨胀相上呈现出较好的相似性，可替代实测压力曲线进行预测，修正实测压力波动等问题，同时其计算时间短，这体现了热力学模型的优势。
压缩燃油达到其可燃条件后，累计燃烧放热率迅速升高，可评估该时刻为燃烧起点，同时引起缸内温度的迅速升高。瞬时燃烧放热率、压力升高率也可用于燃烧起点的评估，可进一步验证累计燃烧放热率评估结果，且瞬时燃烧放热率含更丰富的燃烧相信息。
瞬时传热对燃烧起点无直接影响。试验台架机缸内燃烧速燃期和缓燃期均可进一步分为两个阶段。缸内压力标准差与缸内压力变异系数的第二个起跳点接近累计燃烧放热率末端，利于燃烧终点评估。
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（编辑 赵勉）