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天然气发动机示功图测试分析

邹积军  
【摘要】: 为了有效地利用地球能源,减少发动机的尾气排放,CNG发动机的应用日益广泛。因此,对既可以反映天然气发动机的工作状态和燃烧过程,又可以作为研究其动力学特性依据的示功图的精确测量和有效分析是十分重要的。 本文对某天然气发动机缸内压力信号、齿盘脉冲信号、上止点脉冲信号进行同步采样。采用气缸压缩线法和磁电法确定了上止点,并用多变指数法对上止点位置进行了验证;利用缸内压力、上止点脉冲和齿盘脉冲同步采样信号,分别采用上止点基准法和本文提出的转角脉冲插值法来确定曲轴转角,并对两种方法获得的示功图进行了对比分析。根据发动机工作循环变动较大时,示功图具有燃烧膨胀阶段压力曲线差别较大,但进排气和压缩过程对应曲线仍基本重合的特点,本文提出了局部多循环平均与五点二次光顺法相结合的方法对该部分压力曲线进行预处理。这样,既保持了各循环示功图燃烧膨胀阶段压力曲线的特性,又有效地减小了进排气和压缩过程压力曲线的误差。 本文在分析试验所用天然气发动机示功图中主要压力参数循环变动性的基础之上,发现表征天然气发动机循环变动性的平均指示压力的变动不大;最高燃烧压力和最大压力升高率的变动比较明显,并且最高燃烧压力所对应的曲轴转角随压力的减小而远离上止点。在稳定工况下,即使示功图中最高燃烧压力等参数变动较大,但燃烧的循环变动对功率的影响仍较小。在次声级频段低谐次气体压力幅值随最高燃烧压力和最大压力升高率的增加而增大,但由于平均指示压力的变化并不明显,所以低谐次气体压力幅值变化不大。在可闻声级频段各谐次气体压力幅值随最高燃烧压力和最大压力升高率的增加而增大,而且随着谐次的增加越发地明显,其中最大的气体压力幅值相差到了3倍多,这会引起结构振动和燃烧噪声的相应增大。 本试验所用天然气发动机示功图有效谐次比柴油机少很多,如果所恢复示功图以判别该天然气发动机动力性为目的,只要准确恢复前12谐次气体力已能满足要求。经过分析该天然气发动机,其曲轴角振动测量误差主要由齿距误差及齿面磨损所造成的。本文所采用的并齿法可明显提高曲轴角速度测量精度,且满足恢复示功图的需要。通过对该气发动机曲轴角振动测量分析,得到轴系的最低阶角振动共振频率约为71Hz。因此,在利用曲轴角振动反演示功图时,不能将轴系作为准刚体模型。但特定转速下,通过曲轴角速度和曲轴切向力矩的传递关系恢复示功图的方法是可行的。示功图恢复的精度主要受到角振动测量误差和共振频率处传递函数的精度影响。


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