【视频案例】| 利用GT-SUITE缸压分析以检测气缸泄漏
一、研究背景及意义气缸的泄漏量的多少是气缸性能的好环的一个的重要的指示指标。鲁棒性和高保真性的油缸泄漏检测对监测气缸的健康状况具有重要意义。主要体现在以下两个方面：有助于及早发现问题，避免公司在保修/服务方面的重大支出减少因油耗增加而产生的不良二氧化碳排放具体的气缸的泄漏量对于发动机的影响如下图1所示。图1 缸内泄漏对发动机的影响说明曲轴箱通风系统通常不被认为是提高内燃机(汽缸)性能的主要因素。气缸泄漏可能是由于衬套磨损，活塞环退化所致。通过排气泄漏的汽缸泄漏会导致发动机性能下降，同时有害排放物(UHC、CO、PM)泄漏到曲轴箱中，反过来对曲轴的使用寿命和润滑油的质量产生不利影响。增加泄漏表明更高的泵气损失和退化的气缸状态,从而降低发动机效率、降低燃油效率和增加二氧化碳排放。在发动机的整个循环过程中，大部分泄漏气体产生的时期是在压缩和膨胀冲程期间。在燃烧过程中，曲轴箱内会产生较高的峰值压力，一部分气体会通过活塞环泄漏到曲轴箱内，活塞环不能保证曲轴箱的完美密封，也不是完全气密性的。目前的分析试图通过对气缸压力的测量来解决对气缸泄漏的检测能力。对于气缸泄漏量的分析有以下几个问题要解决：气缸压力相对于气缸泄漏水平的变化是多少?我们可以使用高速压力传感器来检测汽缸泄漏吗?在试验发动机中诱导气缸泄漏是困难和不可取的，因此需要采用模拟方法。对于上述的第二条，试验室级的传感器精度高，但是长时间运行的耐久性有问题，而且成本比较高。最近开发出新的传感器解决的高成本与耐久性的问题。图2 Kistler 6067水冷气缸压力传感器二、 模型简介建立GT-SUITE的气缸泄漏模型。有专门的模板用于定义气缸的泄漏模型。建立康明斯发动机的基本模型，发动机参数是16L,6缸发动机。具体的参数如图3所示。图3 发动机机型根据GT-SUITE/GT-POWER专门的模型进行气缸泄漏模型的定义。具体定义如图4所示。图4 气缸的泄漏模型其中，图4中的等效的泄漏直径等效为气缸直径的1-5%。分析压缩上止点前：90、60、30、10度和上止点压力与气缸泄漏流量的关系，量化泄漏增加时压力的检测分辨率。根据分析的需要，对如下的工况点进行分析。表1 仿真工况点三、高速高负荷（HSHL）工况点分析结果高速高负荷的仿真分析的结果如图5所示。图5 高速高负荷时，泄漏量与对应角度压力的影响图5中的Non-Dim Leak的计算如下所示：Non-Dim Leak= (Blowby Flow Rate/ Charge Flow Rate）随着泄漏量的增加，缸内压力会下降。PCP & P@10BTDC的压力影响最大。而P@60BTDC和P@90BTDC的影响很小(<1 bar)。在不同的泄漏量条件下，不同曲轴转角对应的压力变化量拟合曲线如图6所示。图6 不同泄漏量时，不同曲轴转角对应拟合函数趋势线的斜率可以帮助插值泄漏量对其他未模拟的中间泄漏水平的影响(注意R^2)。从拟合结果来看，拟合质量非常好。最终拟合出的斜率结果如图7所示。图7 不同泄漏量时，对应的变化斜率三个不同曲轴转角度下的压力与标准化气流的变化(针对不同的泄漏水平)。图8 不同泄漏量的三曲轴转角压力变化在给定的运行条件下，偏离目标气流量的气缸内压力的变化，可以根据图8所示的曲线给定气缸的泄漏量，也就是能定义气缸的健康状态了。从而可以得出，随着泄漏量的增加，对缸内的压力有显著的影响。泄漏量随着缸内的压力的变化而变化。并对燃料经济性有一定的影响。具体如图9分析结果。图9 不同泄漏量对压力和BSFC的影响四、低速低负荷分析结果低速低负荷的仿真结果如图10所示。图10 低速低负荷时，泄漏量与对应角度压力的影响随着泄漏量的增加，缸内压力会下降。PCP & P@10BTDC的压力影响最大。而P@60BTDC和P@90BTDC的影响很小(<0.2 bar)。在不同的泄漏量条件下，不同曲轴转角对应的压力变化量拟合曲线如图11所示。图11 不同泄漏量时，不同曲轴转角对应拟合函数趋势线的斜率可以帮助插值泄漏量对其他未模拟的中间泄漏水平的影响(注意R^2)。从拟合结果来看，拟合质量非常好。最终拟合出的斜率结果如图12所示。图12 不同泄漏量时，对应的压力变化斜率三个不同曲轴转角度下的压力与标准化气流的变化(针对不同的泄漏水平)。图13 不同泄漏量的三曲轴转角压力变化在给定的运行条件下，偏离目标气流的气缸内压力的变化，可以根据图13所示的曲线给定气缸的泄漏量，也就是能定义气缸的健康状态。从而可以得出，随着泄漏量的增加，对缸内的压力有显著的影响。泄漏量随着缸内的压力的变化而变化。并对燃料经济性有一定的影响。具体如图14分析结果。图14 不同泄漏量对压力和BSFC的影响从图14的结果可以看出，当泄漏量大时，低速低负荷相对于高速高负荷会有气体倒流（从曲轴箱回到气缸内的情况），这在许多文献里面也有详细说明。而对于BSFC的影响，低速低负荷的影响更显著一些。五、结论及展望本文根据GT-SUTIE/GT-POWER建立起的气缸的泄漏模型，根据缸内的测试压力进行气缸的健康状态进行判断。根据仿真的结果，可以得出以下结论：无论是在高速还是低速负载条件下，随着泄漏水平的增加，气缸压力都受到了显著影响。这种影响在PCP和P@10 degBTDC上特别显著的能观察到。当我们远离气缸压力峰值时，影响逐渐减小。泄漏量随气缸压力曲线变化而变化，最大泄漏发生在PCP附近。在低负荷情况下，在某些曲柄角度存在反向泄漏流。在较低负载下，即使低于1%的标准化泄漏水平也会导致PCP和P@10 degBTDC减少约1 bar，而在高负载下，这一减少量约为7 bar。这表明，如果发动机主要在低负载条件下工作，传感器应该足够好，能够准确地解决高达1bar的压力精度，从而能够捕捉到泄漏。由于从PCP和TDC角度可以看到高达>10度的影响显著，所以传感器的曲轴转角分辨率不应该是一个问题。该研究有助于量化气缸压力传感器的分辨率，以捕捉在两种关键工况下由于气缸泄漏而导致的气缸健康退化。未来的模拟工作包括验证多个发动机系列、运行条件和瞬态占空比的结果，并根据性能退化(燃油经济性)定义气缸健康公差水平。参考文献：GammaTechConference_CylinderLeakageAnalysis_v2.pdf（Cummins-GT2020全球用户大会文章） 来源：艾迪捷
