基于概率统计的发动机停机位置影响因素试验研究

盛利,刘志治,张文,石磊，王俊席

1.广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005;2.上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240;3.上海海能汽车电子有限公司，上海 201806

0 引言

发动机起停技术是指车辆在较长的怠速工况下，如等待红灯和交通拥堵等，发动机自动熄火，待车辆具有继续行驶的要求时迅速重新起动的技术。快速起停技术能够降低怠速过程总排放和油耗，受到了车企的密切关注。Moritaka等[1]认为怠速时间超过7 s，停机再起动要比怠速燃油消耗少。研究表明，采用起停技术在国内城市典型工况下可节约燃料7%～27%[2-3]，在交通拥堵严重的城市节约更多；在新欧洲标准行驶循环(new European driving cycle,NEDC)驾驶试验中，具备起停技术车辆的CO2排放降低了5%～8%[4]。实现停机位置控制有利于获得更短的起动时间，是目前研究的重点。

停机时刻曲轴位置分布影响发动机再次起动时间，对发动机系统有重要作用。目前，国内外学者对发动机停机行为和曲轴位置进行了研究。Dong等[5]研究了利用曲轴和凸轮轴传感器建立停机位置监测系统，并对反转现象进行了研究；李学军等[6]通过建立活塞的动力学模型，推导出熄火后缸内气体力矩和曲轴的输出力矩公式；Mueller[7]研究得到了一种利用发动机转速传感器来预估曲轴停机角度的方法；许楠等[8]建立了直喷发动机停机试验台架，研究了发动机停机过程的反转行为；苏岩等[9]研究了不同停机位置对正反转起动模式的影响；韩立伟等[10]研究了停机过程中缸内气体压力对曲轴反转的影响以及曲轴位置对起停技术的重要作用；国内外学者也对发动机怠速、停机过程以及在起动过程中的油耗与排放问题开展了深入研究，揭示了这些瞬态过程中的工作特性[11-13]。

目前国内外研究主要集中在对停机过程特性以及对再起动的影响，尚未开展对停机位置概率分布以及影响的研究。为了探究停机位置的分布规律，基于发动机台架进行大量停机试验，通过对大量数据进行概率统计分析，研究不同停机条件对发动机停机位置分布的影响规律。

1 试验台架与方案

本文中在某2 L直喷发动机上开展反复起停试验研究，发动机主要参数如表1所示。

表1 台架试验发动机主要参数

试验台架采用欧姆龙E6C3-AG5C绝对值编码器获取停机准确位置，使用Kistler公司的6125b 型缸压传感器获取停机过程气缸压力，并通过数据采集卡对停机过程的转速、节气门后压力等信号进行采集。台架试验信号采集布置如图1所示。

图1 试验台架信号采集布置示意图

试验中控制停机过程中的节气门开度和停机前转速，通过在不同的停机条件下重复进行停机试验，得到大量的停机位置数据，分析不同参数对停机位置分布规律的影响。节气门开度按照0、20%、40%、60%、80%、100%开度进行调节，转速按照700、800、1000、1200 r/min进行调节。每个停机工况进行100次停机试验，对数据进行概率统计分析。本文中采用概率集中度和停机区域对停机位置概率进行分析。停机区域为整个压缩冲程中停机概率大于0的停机区间宽度，停机区域可以用来表征停机分布在整个压缩冲程中的分散程度，停机区域小表明停机点聚拢在一起；概率集中度为在具有停机点分布的区间停机概率的标准差。

概率集中度(标准差)

概率集中度可以用来表征停机点在整个压缩冲程分布的均匀程度，概率集中度越高表明大部分的停机点聚集在小区间内，停机位置规律性更强。

2 节气门开度对停机位置的影响

试验主要考察停机过程中节气门开度对停机位置分布的影响。停机前转速稳定在750 r/min，发动机输出扭矩为1 N·m, 停机过程冷却水温稳定在90 ℃，分别将节气门开度设定为0、20%、40%、60%、80%和100%进行停机，每组试验起停发动机100次。不同节气门开度下停机位置分布如2所示(图中压缩缸曲轴停机位置均为上止点前(before top dead center,BTDC)曲轴转角)。

由图2可知：当节气门开度为0时，停机位置的分布呈现分散型，在整个压缩冲程均有分布，各个区间的停机概率差异较小，停机点分布比较均匀；当节气门开度为20%及以上时，停机位置分布差异很小，均呈现集中分布的特征，停机点大部分聚集在上止点前曲轴转角为60°～100°。因此，节气门开度为0时的停机分布与其余5组存在着明显差异，而其余5组差异很小。不同节气门开度下停机区域和概率集中度对比如图3所示。由图3可知：节气门开度为0时的参数与其它开度显著不同，在节气门开度为0时停机区域很大且概率集中度较小，说明在节气门开度为0时的停机分布特征为均匀分散型；其余5组的分布情况一致，停机区域小且概率集中度较大，说明停机分布非常集中。

图2 节气门开度对停机位置分布影响

图3 不同节气门开度下的停机区域和概率集中度

本文中针对不同节气门开度停机过程进行测试分析，试验中，只改变停机时的节气门开度，停机前各参数保持不变。停机前调整节气门开度至适宜值(约为12%)，以保证发动机在1050 r/min怠速运转，整个过程维持水温高于80 ℃。变节气门开度停机过程各参数变化如图4所示。

图4 变节气门开度停机过程各参数变化

由图4可知，在停机时刻之前，每个工况条件下各变量有较好的一致性。因为控制了停机前节气门开度，所以停机前的节气门后压力基本相同，为40 kPa。与相同的节气门后压力对应，最高缸压和最低缸压也基本相同，分别约为680、50 kPa。在停机时刻，改变节气门开度，同时令发动机立即停机。在停机过程中，停机时节气门开度较小的试验工况，节气门后压力、最高缸压和最低缸压先下降，然后逐渐升高。这是因为节气门开度突然变小，进气量减少，压力降低；停机过程中转速不断降低，进气时间延长，通过节气门气体的节流效应变弱，进气量增加，压力升高。对于停机时节气门开度较大的试验工况，由于不存在停机时节气门开度突然变小的因素，在停机过程中其节气门后压力、最高缸压和最低缸压一直升高。由于气缸压力的增大导致发动机活塞停止时刻趋于某固定位置附近，因此随节气门开度增大，停机位置更加趋于集中。

3 转速对停机位置的影响

进一步分析停机前怠速转速对停机位置分布的影响。试验过程中分别将转速设为700、800、1000、1200 r/min，每组试验起停发动机100次。停机位置分布如图5所示(图中压缩缸曲轴停机位置均为BTDC的曲轴转角)。

图5 转速对停机位置分布影响

由图5可知：不同怠速转速下4组数据的停机位置分布基本相似，大量的停机点主要分布在上止点前曲轴转角为60°～72°，但是停机点分布范围较大，分布呈现分散特征。此外，在各个区间的停机概率分布不均匀，少数区间上概率比较大，表现出偏正态分布特征。不同怠速转速下的停机区域和概率集中度变化很小，表明怠速转速对停机位置分布影响不大。

4 结论

开展了大量发动机停机试验，进行概率统计分析，研究了停机过程节气门开度、怠速转速对停机位置分布的影响。

1)在节气门开度为20%及以上时，发动机停机位置主要分布区域的上止点前曲轴转角为60°～100°，且该概率较为集中；随着停机条件的改变，停机位置分布变化不大。

2)停机过程中节气门开度对停机位置的分布具有显著影响，从节气门开度为0逐渐增大节气门开度，停机位置的分布更加趋向于压缩冲程的中间区间；但节气门开度达到20%以后，随着开度继续增加，停机位置分布受到的影响很小。

3)转速对发动机停机位置影响较小，在一定的怠速范围内，停机位置概率变化较小。