基于曲軸瞬時加速度分析的發(fā)動機(jī)啟動過程著火判定與應(yīng)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(jī)3啟動過程著火判定與應(yīng)用楊福源張京永王曉光周明歐陽明高(清華大學(xué), 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(jī), 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(jī)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(jī)技術(shù)躍上了電子控制的平臺, 迎來了電控柴油機(jī)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(jī)本體等獨特優(yōu)勢受到普遍關(guān)注。柴油機(jī)的啟動性能尤其是低溫啟動性能是評價柴油機(jī)性能優(yōu)劣的指標(biāo)之一, 國內(nèi)外開展了大量的研究工作以改善柴油機(jī)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(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 項目(2001CB209205 。力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。作為前提條件, 對柴油機(jī)啟動過程著火時刻的準(zhǔn)確判定十分重要。同時, 電控技術(shù)在柴油機(jī)上的廣泛應(yīng)用也為柴油機(jī)狀態(tài)檢測與控制提供了新的可能。在20世紀(jì)90年代, 通過分析缸內(nèi)壓力和發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動的對應(yīng)關(guān)系, 在汽油機(jī)上開始利用發(fā)動機(jī)曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速判定發(fā)動機(jī)的失火情況。研究表明, 瞬時轉(zhuǎn)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(jī)的穩(wěn)定工作。Citron S J 1等人比較早地研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動和缸內(nèi)壓力的關(guān)系2, 之后發(fā)動機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速被廣泛用于電控汽油機(jī)的失火檢測和噴射控制3,4, 并在OBD 2標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)速用于失火判定時, 對曲軸轉(zhuǎn)角的定位精度和系統(tǒng)響應(yīng)時間要求并不高, 僅需達(dá)到某缸的某個循環(huán)。對6缸4沖程發(fā)動機(jī)來說, 其曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為120CA 。文中在理論分析和試驗基礎(chǔ)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(jī)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(jié)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(jī)的壓縮比、功率、排放指標(biāo)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(jī)是否啟動的外在表現(xiàn)是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速是否高于電動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)速。而電控發(fā)動機(jī)又必須具有轉(zhuǎn)速信號的發(fā)生和采集裝置。因此, 通過對發(fā)動機(jī)曲軸瞬時轉(zhuǎn)速信號的分析來判定發(fā)動機(jī)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(jī)啟動過程的評價指標(biāo)目前僅是啟動時間(次數(shù) 有標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的工作狀況是目前廣泛采用的分析柴油機(jī)啟動過程的手段。柴油機(jī)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(dāng)存在缸內(nèi)燃燒時, 不僅缸圖1柴油機(jī)氣缸壓力內(nèi)壓力的峰值增大, 且隨轉(zhuǎn)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(jī)著火時刻。作為循環(huán)內(nèi)的發(fā)動機(jī)工作過程分析手段, 缸內(nèi)壓力監(jiān)測被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)研發(fā)、燃燒分析、排放控制等領(lǐng)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(jī)可以利用電熱塞孔安裝傳感器, 一般也都需要對原孔進(jìn)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(yīng)快, 因此價格昂3運動機(jī)械, 內(nèi)燃機(jī)曲軸的角速度變化由作用于曲柄上的轉(zhuǎn)矩T 和運動系統(tǒng)慣性質(zhì)量m 決定。在慣性質(zhì)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(zhuǎn)矩的變化。在啟動過程中, 作用于曲柄的轉(zhuǎn)矩T 由三部分組成:外部驅(qū)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(jī)構(gòu)式中F g 為缸內(nèi)氣體對活塞的作用力, F j 為往復(fù)慣性力, 其他參數(shù)見圖2。往復(fù)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(zhuǎn)速 有關(guān)。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(jī)(起動機(jī) 拖動發(fā)動機(jī)開始轉(zhuǎn)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(shè)燃燒始點的曲軸轉(zhuǎn)角為s , 則在相同 和相同拖動轉(zhuǎn)矩(T motorm =曲軸起始位置(、T motros 條件下, 當(dāng)s 時, T m -T s =0; 當(dāng)當(dāng)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(jī) , 重復(fù)若干次試驗, 對比其曲

12、軸轉(zhuǎn)速和加速度曲線(圖4 。從4次重復(fù)性測試結(jié)果可以看出, 曲軸瞬時轉(zhuǎn)速和加速度信號具有非常好的重復(fù)性, 說明在連續(xù)重復(fù)過程中, 發(fā)動機(jī)的狀態(tài)具有較好的一致性, 對測試結(jié)果的影響很小。因而可以認(rèn)為兩個過程具有可比性。4試驗方案及測試設(shè)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(jī)上進(jìn)行。該發(fā)動機(jī)可實現(xiàn)多段噴射控制, 裝備有曲軸轉(zhuǎn)角信號傳感器。試驗中, 直接從原線束中引出相關(guān)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(zhuǎn)速和加速度信號的可重復(fù)性為了從定量角度評價其重復(fù)性, 可以利用數(shù)學(xué)上的相關(guān)性分析方法計算這些信號的相似性。相關(guān)性系數(shù)越接近110, 表示信號越相似。利用

13、MA TLAB 圖5重復(fù)測試時曲軸加速度的相關(guān)性分析數(shù)學(xué)工具箱對測試結(jié)果進(jìn)行的信號相關(guān)性分析結(jié)果如圖5。從圖5可以看出, 兩次拖動過程的加速度互相關(guān)特性有如下特點:(1 加速度互相關(guān)函數(shù)在延時為0時取得最大值; (2 延時為0時相關(guān)系數(shù)非常接近1。因此, 對4次測試結(jié)果的分析表明它們確實具有非常好的相關(guān)性, 亦即可重復(fù)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(jī)拖動時的曲軸瞬時轉(zhuǎn)速和加速度曲線相比較, 可以得到如圖6的結(jié)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(zhuǎn)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(jī)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(zhuǎn)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(jī)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(jī)上進(jìn)行。發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動機(jī)自帶三菱起動機(jī), 型號M008T60971,24V 。數(shù)據(jù)采集設(shè)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(jī), 離

15、線狀態(tài)下利用MA TLAB 數(shù)學(xué)工具箱對信號進(jìn)行分析。表1發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)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(jié)果及分析511曲軸瞬時轉(zhuǎn)速和加速度信號的可重復(fù)性在相同的發(fā)動機(jī)潤滑條件、負(fù)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(jī) 114汽車工程2003年(第25卷 第2期圖6 力增大, 導(dǎo)致發(fā)動機(jī)曲軸角加速度和轉(zhuǎn)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?？梢钥吹? 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(jìn)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(yīng)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(yīng)較好; 但隨著增加, 時間分辨率將下降?；谠?缸機(jī)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(shè)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(biāo)記點 。此結(jié)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(jié)果相符。514應(yīng)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(biāo)循環(huán)2003年(第25卷 第2期汽車工程115噴油量和目標(biāo)軌道壓力不變, 分別把噴油定時設(shè)定為上止點前5CA 、8CA 、12CA , 測得如圖9的曲線?？梢悦黠@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(zhuǎn)過59齒、123齒和75齒位置?？梢哉f, 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(jìn)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(jī)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(jī)必備的曲軸轉(zhuǎn)角傳感器, , 使用相當(dāng)便利1. . 北京:科學(xué)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