基于曲軸瞬時加速度分析的發(fā)動機啟動過程著火判定與應用

1、汽車工程2003年(第25卷 第2期Automotive Engineering 2003(Vol. 25 No. 22003025基于曲軸瞬時加速度分析的發(fā)動機3啟動過程著火判定與應用楊福源張京永王曉光周明歐陽明高(清華大學, 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室, 北京100084摘要即通過兩次啟動過程的瞬時加速度對比尋找噴油啟動過程的著火始點。, 而且識別精度也從循環(huán)級提高到角度級。試驗在一臺6敘詞:電控發(fā)動機, 啟動過程, 燃燒始點判定, J udgement and of During Engine StartupTransient Acceleration Analysis, Zhang

2、Jingyong , W ang Xiaoguang , Zhou Ming &Ouyang MinggaoTsi nghua U niversity , State Key L aboratory of A utomotive S af ety and Energy , Beiji ng 100084AbstractThis paper brings forward an ignition detection method based on crankshaft transient accelera 2tion analysis 1It compares the transient acce

3、leration of two startup procedures and then find out the ignition mo 2ment (start of combustion during startup period 1Crankshaft dynamics analysis and real test show that this method can identify the ignition moment ,with the accuracy improved from cycle level to angle level 1The test is carried ou

4、t on a 6-cylinder common rail diesel engine 1K eyw ords :Electronicallycontrolled engine ,Startup period , Ignition moment ,Crankshaft transient acceler 2ation將可對柴油機啟動過程的噴油量、噴油正時、噴射壓1序言新排放法規(guī)提出的苛刻要求使柴油機技術躍上了電子控制的平臺, 迎來了電控柴油機的新時代。世界各大汽車公司在燃油系統(tǒng)方面先后推出了電控分配泵、電控單體泵、高壓共軌以及電控泵噴嘴等新型燃油噴射系統(tǒng)。其中高壓共軌系統(tǒng)以其靈活的多段噴射和無

5、需改動發(fā)動機本體等獨特優(yōu)勢受到普遍關注。柴油機的啟動性能尤其是低溫啟動性能是評價柴油機性能優(yōu)劣的指標之一, 國內(nèi)外開展了大量的研究工作以改善柴油機的啟動性能1。采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)等電控措施以后, 通過參數(shù)優(yōu)化,3國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973 項目(2001CB209205 。力等參數(shù)進行優(yōu)化。作為前提條件, 對柴油機啟動過程著火時刻的準確判定十分重要。同時, 電控技術在柴油機上的廣泛應用也為柴油機狀態(tài)檢測與控制提供了新的可能。在20世紀90年代, 通過分析缸內(nèi)壓力和發(fā)動機曲軸轉速波動的對應關系, 在汽油機上開始利用發(fā)動機曲軸的瞬時轉速判定發(fā)動機的失火情況。研究表明, 瞬時轉速的異常波

6、動反映了某個(或多個 氣缸的非正常燃燒, 由此通過對噴油量的反饋控制實現(xiàn)發(fā)動機的穩(wěn)定工作。Citron S J 1等人比較早地研究了發(fā)動機轉速波動和缸內(nèi)壓力的關系2, 之后發(fā)動機瞬時轉速被廣泛用于電控汽油機的失火檢測和噴射控制3,4, 并在OBD 2標準中作了規(guī)定。在原稿收到日期為2002年7月21日, 修改稿收到日期為2002年9月23日。112汽車工程2003年(第25卷 第2期把瞬時轉速用于失火判定時, 對曲軸轉角的定位精度和系統(tǒng)響應時間要求并不高, 僅需達到某缸的某個循環(huán)。對6缸4沖程發(fā)動機來說, 其曲軸轉角分辨率為120CA 。文中在理論分析和試驗基礎上, 提出了一種判定起動循環(huán)燃燒

7、始點的方法。即通過對相同條件下電動機拖動和噴油啟動過程中的曲軸瞬時加速度的對比分析, 得到兩個過程曲線的分離位置, 從而判定缸內(nèi)燃燒始點。貴。(4 傳感器的安裝形式對測量結果有較大影響。傳感器伸入氣缸的深淺、端部形狀、環(huán)隙大小都可能影響發(fā)動機的壓縮比、功率、排放指標等, 并可能出現(xiàn)缸內(nèi)壓力振蕩等信號失真現(xiàn)象5?？紤]到發(fā)動機是否啟動的外在表現(xiàn)是發(fā)動機的轉速是否高于電動機的拖動轉速。而電控發(fā)動機又必須具有轉速信號的發(fā)生和采集裝置。因此, 通過對發(fā)動機曲軸瞬時轉速信號的分析來判定發(fā)動機的, 而且將可能開辟2啟動過程著火循環(huán)的判定方法發(fā)動機啟動過程的評價指標目前僅是啟動時間(次數(shù) 有標準可循。因此,

8、環(huán)。即從該循環(huán)開始, 失, 輸出功為正, 中的變化, 從而判定發(fā)動機的工作狀況是目前廣泛采用的分析柴油機啟動過程的手段。柴油機工作循環(huán)的實測氣缸壓力曲線如圖1。在無燃燒情況下, 隨活塞的上下運動, 缸內(nèi)氣體經(jīng)過壓縮和膨脹過程, 其壓力曲線是單調(diào)連續(xù)的單峰曲線(圖中虛線所示 ; 當存在缸內(nèi)燃燒時, 不僅缸圖1柴油機氣缸壓力內(nèi)壓力的峰值增大, 且隨轉角的變化在壓力上升過程中出現(xiàn)臺階(有時為雙峰 。因此, 根據(jù)臺階位置就可以判定發(fā)動機著火時刻。作為循環(huán)內(nèi)的發(fā)動機工作過程分析手段, 缸內(nèi)壓力監(jiān)測被廣泛應用于發(fā)動機研發(fā)、燃燒分析、排放控制等領域。盡管如此, 這種方法還存在以下不足。(1 多通道多循環(huán)連續(xù)

9、采集時信號調(diào)試不便, 且示波器的數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)量受到硬件限制。(2 必須在缸蓋上加工安裝孔以安裝缸內(nèi)壓力傳感器。受缸蓋上冷卻水道空間的影響以及傳感器對位置和角度的要求, 加工這樣的安裝孔并不容易。即便對某些發(fā)動機可以利用電熱塞孔安裝傳感器, 一般也都需要對原孔進行再加工。(3 缸內(nèi)壓力傳感器是高精度電子元器件, 要求耐高溫、體積小、寬域、偏差小、響應快, 因此價格昂3運動機械, 內(nèi)燃機曲軸的角速度變化由作用于曲柄上的轉矩T 和運動系統(tǒng)慣性質量m 決定。在慣性質量一定的情況下, 曲軸加速度j 的變化反映作用于曲柄上的轉矩的變化。在啟動過程中, 作用于曲柄的轉矩T 由三部分組成:外部驅動力矩和

10、阻力矩T motor 、缸內(nèi)氣體對活塞的作用力矩、慣性力矩。即T =T motor +(F g +F j rcos 圖2正置曲柄連桿機構式中F g 為缸內(nèi)氣體對活塞的作用力, F j 為往復慣性力, 其他參數(shù)見圖2。往復慣性力F j 為2F j =-m j =-m r2+cos cos 36式中為曲軸半徑r 與連桿長度l 之比, =r/l 。F j 與加速度的積分(轉速 有關。在條件相同的兩次啟動過程中(一次噴油、一次拖動 , 在燃燒開始前兩者所受慣性力相同, 即慣性力不影響對燃燒始點的判定。氣體作用力F g 可分為兩部分, 即無缸內(nèi)燃燒時的氣體作用力F m 和燃燒引起的壓力增加F c 。在電

11、動機(起動機 拖動發(fā)動機開始轉動的循環(huán)中, F c=0, 這時F g =F m ; 在噴油啟動過程中, F c 0, F g =F m +F c 。若忽略燃油噴射及可燃混合氣形成對氣缸壓力2003年(第25卷 第2期汽車工程113的影響, 假設燃燒始點的曲軸轉角為s , 則在相同 和相同拖動轉矩(T motorm =曲軸起始位置(、T motros 條件下, 當s 時, T m -T s =0; 當當s 時, T m -T s 0。s 時, 兩個過程的曲軸瞬時加速度差j s -j m 0。因此根據(jù)噴油啟動和拖動過程的加速度變化, 可以判定燃燒是否開始。拖動發(fā)動機 , 重復若干次試驗, 對比其曲

12、軸轉速和加速度曲線(圖4 。從4次重復性測試結果可以看出, 曲軸瞬時轉速和加速度信號具有非常好的重復性, 說明在連續(xù)重復過程中, 發(fā)動機的狀態(tài)具有較好的一致性, 對測試結果的影響很小。因而可以認為兩個過程具有可比性。4試驗方案及測試設備試驗工作在一臺日本五十鈴汽車公司生產(chǎn)的6缸高壓共軌柴油機上進行。該發(fā)動機可實現(xiàn)多段噴射控制, 裝備有曲軸轉角信號傳感器。試驗中, 直接從原線束中引出相關信號到高速數(shù)據(jù)采集儀。圖3為測試系統(tǒng)示意圖 。圖4曲軸瞬時轉速和加速度信號的可重復性為了從定量角度評價其重復性, 可以利用數(shù)學上的相關性分析方法計算這些信號的相似性。相關性系數(shù)越接近110, 表示信號越相似。利用

13、MA TLAB 圖5重復測試時曲軸加速度的相關性分析數(shù)學工具箱對測試結果進行的信號相關性分析結果如圖5。從圖5可以看出, 兩次拖動過程的加速度互相關特性有如下特點:(1 加速度互相關函數(shù)在延時為0時取得最大值; (2 延時為0時相關系數(shù)非常接近1。因此, 對4次測試結果的分析表明它們確實具有非常好的相關性, 亦即可重復性。512基于曲軸瞬時加速度分析的著火始點判定51211基于加速度曲線的直觀判定將噴油啟動與電機拖動時的曲軸瞬時轉速和加速度曲線相比較, 可以得到如圖6的結果。從圖中可以看到:(1 在啟動開始的曲軸第一圈(48個齒為曲軸轉動一周 內(nèi), 噴油啟動時的速度和加速度曲線與拖動時幾乎重合

14、。說明在啟動過程的第一個階段發(fā)動機曲軸的瞬時信號在循著拖動線的軌跡移動, 這與第3節(jié)的理論分析相吻合。(2 從轉過約60齒位置開始, 啟動時的加速度線脫離拖動線, 振蕩加劇。說明因發(fā)動機某缸(配合凸輪軸信號可判定發(fā)火缸 著火燃燒使得氣體作用圖3測試系統(tǒng)示意圖試驗在ISU ZU6H K1高壓共軌柴油機上進行。發(fā)動機的主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動機自帶三菱起動機, 型號M008T60971,24V 。數(shù)據(jù)采集設備采用美國安杰倫(Agilent 公司的800kHz 高速數(shù)據(jù)采集儀。在V EE 可視化編程界面下, 采集儀捕獲的數(shù)百兆字節(jié)數(shù)據(jù)經(jīng)由目前傳輸速率最高的IEEE1394高速數(shù)據(jù)接口傳到計算機, 離

15、線狀態(tài)下利用MA TLAB 數(shù)學工具箱對信號進行分析。表1發(fā)動機主要配置及參數(shù)項目型式排量/L燃油噴射系統(tǒng)增壓器曲軸轉角位置傳感器直列6缸718DENSO ECD -U2高壓共軌系統(tǒng)規(guī)格帶廢氣放氣閥的廢氣渦輪增壓器磁電式5試驗結果及分析511曲軸瞬時轉速和加速度信號的可重復性在相同的發(fā)動機潤滑條件、負載、電瓶電壓、環(huán)境溫度等條件下, 從相同的曲軸起始位置由起動機 114汽車工程2003年(第25卷 第2期圖6 力增大, 導致發(fā)動機曲軸角加速度和轉速脫離原拖動線。(3 度線分離點落后3個齒(15CA 。把啟動和拖動過程曲軸瞬時信號數(shù)據(jù)相減, 得到圖7的曲線。可以看到, 因信號間存在微小的相位差使

16、得差值信號的波動加劇, 分離點的位置并不明顯。為此, 嘗試通過對信號能量進行放大的分析方法尋找分離點。+2( 2t -x q t d t2( 將大于, 222( 2曲線中, 找到( 因此在depart 。2大于depart 點相對應的值, 即為分離點。的選取, 較大時, 積分區(qū)間長度較對于的大, 對兩信號的不一致情況反應較好; 但隨著增加, 時間分辨率將下降?；谠?缸機的曲軸信號每16齒為一周期, 選擇1/4周期(4齒 作為衡量尺2( 2曲線如圖8。度。所得方均誤差圖8通過計算信號的方均差尋找分離點圖7噴油啟動與拖動過程曲軸信號的差值513通過計算方均差分析差值信號t T因為兩信號均為功率有

17、限信號, 依據(jù)P =t T 2x (t d t , 計算得到信號功率。拖動信號P t =設拖動信號為x t (t , 啟動信號為x q ( t , 則兩信號的方均誤差為=257517044, 啟動信號P q =421017。選取啟動信號功率的2%為分離點的方均差判22據(jù), 即104, 分離depart =2%Pq , 則depart =017點在第58個采樣點附近(圖8中的標記點 。此結t Tx (t -0tTx q (t d t2式中t T 為信號的時間總長度。+ 積分區(qū)間內(nèi)的兩信號方均若考察(差變化, 即果與基于加速度曲線的判斷結果相符。514應用基于上述方法, 測試了噴油提前角對啟動過程

18、的影響。方法是:保持0500r/min 內(nèi)的目標循環(huán)2003年(第25卷 第2期汽車工程115噴油量和目標軌道壓力不變, 分別把噴油定時設定為上止點前5CA 、8CA 、12CA , 測得如圖9的曲線。可以明顯看出, 提前角為5CA 、8CA 和12CA 三種啟動條件下的加速度分離點的位置是不同的, 分別在曲軸轉過59齒、123齒和75齒位置。可以說, 不同噴油提前角對燃燒的影響通過曲軸瞬時加速度信號反映了出來, 瞬時加速度信號是可以區(qū)分不同噴射參數(shù)下的缸內(nèi)燃燒狀況的 。度和加速度信號, 說明連續(xù)進行的兩個啟動過程的曲軸瞬時加速度信號具有可比性。(2 理論分析和試驗表明, 若忽略燃油噴射及可燃

19、混合氣形成對氣缸壓力的影響, 對比拖動和噴油啟動過程的曲軸瞬時加速度信號可以判定發(fā)動機啟動循環(huán)缸內(nèi)燃燒的始點。(3 該方法不同于失火判定, 利用加速度信號可以更早判知缸內(nèi)氣體狀態(tài)的改變, 其判定精度從循環(huán)級提高到了角度級。(4 直接利用電控發(fā)動機必備的曲軸轉角傳感器, , 使用相當便利1. . 北京:科學出版社,19982Citron S J ,O Higgins J E ,and Chen L 1Cylinder by Cylinder EnginePressure and Pressure Torque Waveform Determination Utilizing Speed Fluc

20、tuations 1SAE Paper 8904863Lee D and Rizzoni G 1Detecting of Partial Misfire in IC Engines Us 2ing Measurement of Crankshaft Angular Velocity 1SAE Paper 9510704Williams J 1An Overview of Misfiring Cylinder Engine DiagnosticTechniques Based on Crankshaft Angular Velocity Measure 2ments 1SAE Paper 96003915Tadashi Tsurushima , Eiji Kunishima , Y asuo Asaumi , Yuzo Aoyag 2i 1The Effect of Knock on Heat Loss in Homogeneous Charge Com 2pression Ignition Engines 1SAE paper 2002