CN102735395A - 一种内燃机爆震在线诊断和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机技术领域，涉及一种内燃机爆震在线诊断和控制方法：利用缸内压力传感器和光电编码器同步测定发动机缸内压力曲轴转角信号，并将所测得的信号导入发动机爆震在线诊断处理器中分析；调整发动机工作负载，使其工作在容易产生爆震的低速大负荷工作区域；在线比较处理器分析结果各曲轴转角下的压力峰值、缸内压力升高率、缸内压力振荡特征以及爆震中心频率特性是否超过了各自预设的爆震阈值；根据诊断最终结果来识别发动机是否发生爆震，如果发生了爆震则及时通过EGU调整发动机点火提前角和空燃比等参数反馈控制直至消除爆震。本发明能够在提高燃油经济性、降低内燃机低排放的前提下有效地识别和抑制现代内燃机爆震问题。

Description

一种内燃机爆震在线诊断和控制方法

所属技术领域

本发明涉及一种内燃机爆震在线诊断和控制方法，特别是涉及小型化汽油机爆震诊断和控制方法。

背景技术

在内燃机领域中，发动机是靠在活塞压缩接近上止点附近时点燃高温高压的可燃混合气，将燃烧产生的热能装化为动能，对外输出功率和扭矩的。但是，在某些情况下（比如压缩比过高，点火提前等），发动机会出现爆震或者敲缸现象。爆震是一种由不正常的燃烧而导致的燃烧室内出现高频压力大幅波动现象，即正常火焰在燃烧室内向前推进过程中，处于最后燃烧位置上的那部分未燃混合气在高温高压的作用下加快先期反应，以致在正常火焰未到之前未燃混合气的内部出现一个或数个自燃中心。自燃火焰前锋以极高的速率向外传播，迅速燃烧完可燃混合气，同时产生冲击波在缸内来回传播，造成强烈的高频压力振荡。轻微爆震时，发动机功率略有增加；强烈爆震时，发动机功率下降，机体过热，甚至会造成燃烧室附件和机体损坏。同时，为了实现节能减排的目的，现代内燃机逐渐向小型化趋势发展，与之对应的就是内燃机高压缩比和高增压技术的进步，然而这些措施都直接的增加了发动机发生爆震的倾向。因此，内燃机爆震在线诊断和控制对于大幅度提高内燃机升功率而抑制爆震具有重大的现实意义。

内燃机爆震诊断方法一般分为直接方法和间接方法。传统的爆震诊断和控制方法往往是通过测量机体振动、内燃机噪声和缸内压力峰值来识别爆震，在一定程度上造成了信号的失真。首先，在发动机机体上设置振动传感器或者爆震传感器，通过缸内压力振荡引起的机体振动强烈程度来判断爆震，但是这种方法的缺点是机体振动还受到车辆的机械传动等其他***的直接影响，所得到的信号不能直接反映爆震信息，尤其表现在多缸发动机上；其次，通过测量发动机噪声的声压级大小来识别爆震也存在着来机械噪声对燃烧噪声的干扰，信噪比较差；再者，对于与爆震直接相关的缸内压力信号来说，传统方法仅仅是通过缸内压力传感器测量单一的缸内压力峰值来识别爆震，在一定意义上造成了对爆震现象的误判而导致发动机热效率的降低，实用性较差[1-3]。

相关文献

[1]C.Hudsona,X.Gaoa,R.Stone.(2001)Knock measurement for fuel evaluation in spark ignitionengines,Fuel,80,pp395407.

[2]Mark Urlaub and Johann F.B¨ohme.Reconstruction of pressure signals on structure-bornesound.SAE Paper 2004010521.

for knock investigation

[3]Wei Haiqiao,Wei Jingsi,Shu Gequn.(2011)‘Calculation on Cylinder Pressure Fluctuationby Using the Wave Equation’,Chinese journal of mechanical engineering,Vol.24,NO.5,pp.19.

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中通过间接测量方法（振动、噪声信号）以及单一压力信号无法精确地识别爆震发生的缺陷，提出一种内燃机爆震在线诊断和控制方法，通过采用直接反映发动机爆震燃烧的缸内压力及其波动特性和频率特性来在线诊断和控制内燃机爆震，特别是小型化汽油机爆震现象，从而能够在提高燃油经济性、降低内燃机低排放的前提下有效地识别和抑制现代内燃机爆震问题，推动内燃机行业的发展。本发明的技术方案如下：

一种内燃机爆震在线诊断和控制方法，包括下列步骤：

（1）启动发动机，使各循环***进入正常工作状态；

（2）利用缸内压力传感器和光电编码器同步测定发动机缸内压力p曲轴转角

信号，并将所测得的信号导入发动机爆震在线诊断处理器中分析；

（3）调整发动机工作负载，使其工作在容易产生爆震的低速大负荷工作区域；

（4）在线比较处理器分析结果各曲轴转角下的压力峰值p_max、缸内压力升高率缸内压力振荡特征

以及爆震中心频率特性f_中心是否超过了各自预设的爆震阈值；

（5）根据诊断最终结果来识别发动机是否发生爆震，如果发生了爆震则及时通过EGU调整发动机点火提前角和空燃比等参数反馈控制直至消除爆震。

本发明具有以下优点：首先本发明是根据发动机工作过程中直接反映爆震燃烧的缸内压力信号来识别爆震现象的，从而避免了由于其他附件的振动、机械噪声等外界因素的干扰造成的爆震信号失真的问题；其次，针对内燃机爆震现象的随机性与复杂性，本发明对发动机缸内压力信号及其波动特征进行处理分析，从而避免了单纯的依靠缸内压力峰值来识别爆震发生所带来的误判。最后，本发明还考虑了燃烧室空腔共鸣特性，根据发动机压力波动的频率特性来获得爆震中心频率最终确定爆震是否发生，由此克服了长期以来对爆震时缸内压力频率特性的忽视。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的爆震识别与控制流程图；

图2是发动机爆震在线诊断处理器对压力曲轴信号的接收与处理过程示意图；

图3表示发动机一个循环内燃烧室缸内压力信号示意图；

图4表示发动机爆震缸内压力振荡特性示意图；

图5表示对发动机爆震时缸内振荡压力频谱分析得到的频谱特性示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明内燃机爆震在线诊断和控制方法，主要包括下列步骤：启动发动机，对发动机进行20分钟预热，保证各循环***进入正常工作状态；利用缸内压力传感器和光电编码器同步测定发动机缸内压力p曲轴转角

信号，并将所测得的信号导入发动机爆震在线诊断处理器中分析；调整发动机工作负载，使其工作在容易产生爆震的低速大负荷工作区域；在线比较处理器分析结果各曲轴转角下的压力峰值p_max、缸内压力升高率

缸内压力振荡特征

以及爆震中心频率特性f_中心是否超过了处理器预定的爆震阈值；根据诊断最终结果来识别发动机是否发生爆震，如果发生了爆震则及时调整发动机点火提前角和空燃比等参数来消除爆震。

需要说明的是，发动机缸内压力信息主要包括各曲轴转角下的压力峰值p_max、缸内压力升高率

缸内压力振荡特征

以及爆震中心频率特性f_中心；第一个参数反映了发动机工作区域，中间两个参数直接反映了发动机爆震的发生及其强度，它们可视为压力特征值；而最后一个反映压力振荡频率特性，视为频率特征值，也即对于给定发动机，在考虑燃烧室空腔共鸣的前提下对发动机振荡压力与曲轴转角对应关系进行频谱分析后最大幅值所对应的频率，对于典型发动机来讲，爆震中心频率一般在612KHz内。

我们知道，从宏观上观察内燃机燃烧过程，气缸压力在时间变化尺度上与发动机的循环周期的时间尺度相当。而气缸压力波动主要发生在活塞上止点附近，气缸压力变化的尺度具有瞬时性。因此，可以采用两种时间尺度来表示气缸压力的变化规律：用与循环周期相当的大时间尺度描述气缸压力变化的宏观特征，用与燃烧瞬时性相当的微时间尺度描述气缸压力波动的微观特征。可将气缸压力p分解为均值部分和波动值部分，即

$P=\stackrel{\‾}{P}+P^{\′}---\left(1\right)\′$

其中表示气缸压力均值部分，不包括压力波动值，反映大时间尺度的气缸压力变化的宏观特征，相当于随工作循环而变化的、去除了锯齿波动的气缸压力光滑曲线；而压力波动值P′则表示叠加在该平均值上的波动值，反映了微时间尺度气缸压力波动的微观特征。根据这个思路，我们可以将同步测量到的缸内压力曲轴信号进行处理，即将发动机瞬时缸内压力信号理解成反映发动机平均指示压力的均值压力和表示缸内振荡压力的脉动压力两部分的叠加。根据压力均值压力部分（如缸内最大压力）判断发动机此时所处工作区域，依据发动机缸内压力脉动部分（如压力升高率、压力振荡特征等）来诊断发动机是否发生爆震及其强度。

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

（1）首先启动发动机，一般情况下需要将发动机预热20分钟以上保证发动机供油***、冷却***进入正常的工作状态；

（2）为了获得发动机瞬时的缸内压力信号，需要利用缸内压力传感器、光电编码器、滤波器、信号采集仪和处理器等同步测量缸内压力和曲轴转角信号。由于这些技术手段对于普通发动机技术人员来说非常熟悉，故对其描述仅限于清楚地描述本发明的具体实施为限。然后将同步测量到的瞬时缸内压力曲轴转角信号导入到发动机爆震在线诊断处理器中进行分析处理，将发动机瞬时压力信号离散分解成为表示循环平均指示压力的均值压力和表示缸内振荡压力的脉动压力两部分。图3和图4分别显示了发动机运行时缸内压力变化情况和爆震时缸内压力高频振荡的情形。图5为对发动机爆震时缸内振荡压力频谱分析得到的频谱特性示意图。这里所谓的压力振荡是指活塞运行到上止点左右，发动机发生爆震时的瞬时缸内压力曲线和均值压力曲线之间产生的偏差值（可能为+，可能为-）。

（3）内燃机爆震燃烧现象最容易发生低速大负荷状态下，因此，需要调整发动机负荷将发动机工作区域转移到低速大负荷工况。在实验室条件下，发动机负荷的的调整可以通过与发动机联接的电力测功机来实现；而对于整车来说，可以理解成在车身加载来实现发动机工作区域的转移。

（4）在调节的过程中，随时在线比较处理器分析结果p_max，

以及爆震中心频率f_中心是否超过了处理器预定的爆震阈值。这个部分是本发明的关键部分。爆震诊断处理器首先将滤波后的发动机缸内压力曲轴信号进行处理，得到缸内压力p_max及其振荡信号

并将这些分析结果和发动机爆震阈值比较，根据这些信号的最大值超出爆震阈值的量来初步确定爆震的发生及其强度。如果初步确定爆震已经发生，然后在考虑了燃烧室空腔共鸣特性的前提下，根据发动机压力频率特性来确定此时的压力振荡中心频率是否处在爆震中心频率范围之内，并最终判断爆震是否发生。需要注意的是，这里的爆震阈值是通过大量的发动机标定实验获得各种工况下可能发生爆震燃烧的临界范围，如果超过这个阈值就意味着很有可能发生爆震的危险。

（5）最后，根据处理结果识别和控制爆震的发生。假如发动机输出的压力特征值超过爆震阈值，则继续比较频率特征值是否超过预定值，假如后者也超出临界范围，则可以确定爆震发生，立即通过ECU电控单元连续延迟点火时刻或者减小空燃比等参数直至爆震消失；否则，进行下一循环的爆震诊断识别工作。需要说明的是，因为有时候即使发动机缸内压力振荡幅值很大，但是频率特征值没有处在爆震频率区间之内，也不能判断爆震是否真的发生，因为存在着燃烧室空腔共鸣现象，所以要同时考虑压力特征值和频率特征值来判断爆震的出现。

Claims (1)

1.一种内燃机爆震在线诊断和控制方法，包括下列步骤：

（1）启动发动机，使各循环***进入正常工作状态；

（2）利用缸内压力传感器和光电编码器同步测定发动机缸内压力p-曲轴转角

信号，并将所测得的信号导入发动机爆震在线诊断处理器中分析；

（3）调整发动机工作负载，使其工作在容易产生爆震的低速大负荷工作区域；

（4）在线比较处理器分析结果各曲轴转角下的压力峰值p_max、缸内压力升高率

缸内压力振荡特征以及爆震中心频率特性f_中心是否超过了各自预设的爆震阈值；

（5）根据诊断最终结果来识别发动机是否发生爆震，如果发生了爆震则及时通过EGU调整发动机点火提前角和空燃比等参数反馈控制直至消除爆震。

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