采用离子电流法的发动机非正常燃烧诊断

高忠权,李春艳,刘兵,黄佐华,富田荣二,吉山定见

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.冈山大学机械工程学院,日本冈山;3.北九州大学机械系统工程学院,日本北九州)



采用离子电流法的发动机非正常燃烧诊断

高忠权1,李春艳1,刘兵1,黄佐华1,富田荣二2,吉山定见3

(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.冈山大学机械工程学院,日本冈山;3.北九州大学机械系统工程学院,日本北九州)

为了在线获得发动机工作过程中气缸内的燃烧信息,并对发动机非正常燃烧进行诊断,在一台点燃式汽油机的气缸垫内对称布置8个离子电流测量电极,来采集发动机正常燃烧与爆震、失火时气缸内的离子电流信号,经分析比较给出了爆震和失火的诊断依据。结果显示:爆震时,气缸垫内4号测量电极测得的离子电流信号的峰值大于1 μA,7号测量电极测得的离子电流信号提前出现且在上止点附近;失火时,5号、6号测量电极测得的离子电流很微弱,小于0.2 μA,离子电流信号推迟出现且在上止点后30°～40°之间。该结果可为离子电流法获取点燃式及压燃式发动机气缸内不同位置的信息提供理论依据,且方法简单易行、获得燃烧信息全面,可为实现基于离子电流法的发动机电控系统开发提供实验基础。

点燃式汽油机;离子电流法;爆震;失火

爆震和失火是火花点火汽油机非正常燃烧的2种方式,对发动机爆震和失火进行实时、准确在线监测是实现发动机精确电子控制的重要环节。国内外研究者通常采用压力传感器法检测发动机内2种非正常燃烧状况[1],但是压力传感器价格昂贵、对测量环境要求苛刻,一般适用于实验室测量。爆震传感器是通过安装在发动机上的振动传感器[2-3]对燃烧过程中的爆震进行测量的,该方法复杂且无法判断失火情况。

离子电流法是将发动机自有的火花塞作为传感器进行实时在线监测的,测量方法简单、成本低廉、响应性能较好。以火花塞作为电极测量得到的离子电流特征值可表征发动机缸内压力[4-5]、空燃比[6]及非正常燃烧[7-8]信息等。研究表明,离子电流法在测量爆震与失火方面有其局限性[9-10]:只反映了火花塞附近的局部燃烧情况[11-13];点火电压上万伏,点火后会在火花塞电极两端形成持续时间较长的振荡感应电动势,由此干扰了离子电流信号;对于非点燃式汽油机,如HCCI、柴油机等,需要在气缸盖上通过布置电极来采集离子电流信号[14]。

为突破火花塞测量非正常燃烧的局限性以及更全面地获得缸内燃烧信息,本文在发动机气缸垫内通过对称布置8个离子电流测量电极,对汽油机的工作过程进行了离子电流信号采集,同时比较了正常燃烧与爆震、失火工况下气缸垫内离子电流信号的异同,给出了多电极离子电流法诊断爆震和失火的依据,提出了在非火花点火发动机气缸垫内安装离子电流测量电极的新方案,以期为基于离子电流法的发动机测量与控制系统的开发提供实验基础和理论依据。

1 实验装置及方法

图1 多电极实验系统示意

实验在日本冈山大学Heat Power实验室的四缸汽油发动机上进行。图1给出了多电极实验系统示意,整个实验系统由四缸发动机、尾气组分分析仪、电机、测功机、数字采集仪和进气压力控制仪组成。传感器采用了曲轴相位传感器、进气管压力传感器与控制器、进气与排气温度传感器、氧传感器、气缸内燃烧压力传感器和冷却水温传感器。发动机配套电控系统可以用来调整进气压力、点火提前角、空燃比等参数。表1给出了HH368Q发动机主要结构与性能参数。

表1 HH368Q发动机主要结构与性能参数

图2给出了多电极离子电流测量系统示意。该系统由日本内山工业公司(Uchiyama Manufacturing Corp.)和钻石电气制造公司(Diamond Electric Mfg.)提供。系统中的电极是安装在气缸垫的8个片状电极,每个电极与一个直流电源(偏置电压为12 V)和一个电阻(RG=100 kΩ)连接且接地,8个离子电流信号分别从8个RG的两端获取。以火花塞作为测量电极的系统测量线路从火花塞正极引出,连接偏置电源,测量电阻(RP=100 kΩ)与发动机机体连接,离子电流信号从电阻RP两端获取。8个气缸垫内的电极与火花塞共同作为传感器,来采集燃烧过程中发动机缸内产生的离子电流信号。

图2 多电极离子电流测量系统示意

(a)气缸垫 (b)电极安装位置图3 测量电极布置示意

图3给出了测量电极布置示意图。图中8个测量电极安装在四缸机的第4个气缸缸垫内,缸垫为高绝缘材料。火花塞位于气缸中心,8个相同的电极布置在气缸垫中。如图3a所示,每个电极的线路由气缸的一侧引出,之后接入测量电路;如图3b所示,编号1～8的8个电极围绕气缸四周均匀布置,以保障获取气缸各个方向的燃烧信息,压力传感器布置在2个进气门之间。

图4a给出了8个测量电极与火花塞测量电极的相对位置及电极形状,每个电极为“凸”型片状电极,材料为SUS33型号钢;图4b给出了图4a中3号电极AA′线位置剖面,电极上下为绝缘的气缸垫,发动机气缸垫与电极的总厚度为2 mm,其中电极厚度为1.6 mm,2个绝缘层总厚度为0.4 mm。

2 测量结果分析

2.1 发动机爆震测量

(a)压力

(b)电流图5 爆震时压力与离子电流信号

图5给出了当量空燃比下转速为1 500 r/min、进气压力为100 kPa、点火于上止点前25°时,爆震(第43个循环测得)的压力曲线和火花塞电极测得的离子电流情况。可以看出,压力和火花塞离子电流均出现明显的高频波动。这是爆震发生在缸内火焰燃烧后期,爆震时伴随着较强的压力波动[15],从而引起缸内离子振荡,而一定的高频信号又会叠加在离子电流的后焰区(区域划分依据见文献[7]),造成后焰区离子电流振荡。

图6给出了图5工况下爆震(第43循环测得)与正常燃烧(第36循环测得)时8个电极测得的离子电流曲线。由于8个电极远离点火电极,每个测量电极测得的离子电流均避免了点火信号的干扰,且与火花塞附近火核形成过程无关,因此离子电流信号只呈现出了一个峰值。可以看出:爆震时4号测量电极测得的离子电流峰值非常大,大于1 μA;6号测量电极测得的离子电流信号出现在上止点后大约5°;7号测量电极测得的离子电流信号出现在上止点附近。这是因为,末端混合气自燃时的离子浓度高于正常燃烧时火焰前锋面内的离子浓度,所以爆震发生时4号电极测得的电流峰值非常高。爆震主要是火焰在到达壁面之前加热了壁面附近的末端混合气,引起了壁面附近的混合气自燃,而壁面附近混合气自燃会产生大量的带电粒子,因此自燃时安装在气缸垫内的6号、7号测量电极会提早检测到离子电流信号,该信号的出现时刻早于从点火中心发展的火焰到达气缸壁面的时刻。

(a)爆震 (b)正常燃烧图6 爆震与正常燃烧时多电极的离子电流曲线

图7为图6工况下8个测量电极测得的离子电流出现、达到峰值和结束时的3个特征时间的雷达图。离子电流信号由火焰前锋面与电极接触而产生,由于火焰前锋面中含有大量的化学离子化产生的带电粒子,所以当火焰前锋面接触电极时,带电粒子被电极吸收而产生离子电流。随着火焰与电极接触面积的增加,越来越多的离子被电极吸收,信号逐渐增大,因此根据布置在气缸垫内的测量电极测得的离子电流信号可以获知这8个电极在对应方向上的火焰发展信息。可以看出,8个测量电极测得的3个特征时间呈非对称分布,表明火焰是以非对称的形式发展,同时可以观察到,爆震时离子电流信号在径向上发生了明显的变化。6号、7号测量电极测得的离子电流信号的出现时刻早于正常燃烧时的出现时刻,其他测量电极测得的只发生了细微的变化,因此爆震时测得的离子电流信号出现时刻的雷达图没有正常燃烧时的饱满;3号、4号、6号测量电极测得的离子电流信号的峰值时刻与其出现时刻的时间差小于正常燃烧时的时间差,显然峰值时刻紧随出现时刻,说明爆震时燃料燃烧更快,其加速了火焰峰值时刻的到来;7号测量电极测得的离子电流信号的结束时刻明显早于正常燃烧时的结束时刻,说明爆震时未燃混合气会迅速燃烧完毕,燃烧持续时间比正常燃烧短。

(a)爆震(第43循环) (b)正常燃烧(第36循环)图7 图6工况下多电极离子电流特征时间

图8给出了随机抽取的4组爆震时多电极法测得的离子电流曲线。可以看出,爆震时4号测量电极测得的离子电流的峰值均大于1 μA,7号测量电极测得的离子电流信号提早出现且在上止点附近。此结果进一步验证了本文发动机爆震判断依据的可行性。

(a)第8循环 (b)第31循环

(c)第40循环 (d)第56循环图8 爆震时多电极的离子电流

2.2 发动机失火测量

图9给出了发动机在转速为1 500 r/min、过量空气系数为1.2、进气压力为80 kPa、点火时刻于上止点前20°时,失火(第25循环测得)的离子电流和压力曲线。可以看出,与正常燃烧相比,失火时压力曲线与火花塞离子电流曲线均明显偏低。失火时,燃料燃烧不充分,气缸内压力远小于正常燃烧时的压力,燃气产生的离子浓度远低于正常燃烧时的离子浓度,从而造成测量电极吸收到的离子数量大幅减少。

图10和11分别给出了图9工况下失火(第25循环测得)和正常燃烧(第35循环测得)时的多电极离子电流信号。可以看出,失火时5号、6号、7号测量电极测得的离子电流十分微弱,接近0,离子电流信号很晚出现,甚至于上止点后40°。这是由于进气门附近温度比排气门附近低,进气门附近的低温混合气不容易着火而发生不完全燃烧甚至不燃烧[16-17],因此进气门附近(5号、6号、7号测量电极附近)气体容易发生失火,燃烧推后且燃烧产生的离子数量较少,从而造成上述电极较晚才检测到离子电流信号,且信号微弱甚至为0。

(a)压力

(b)电流图9 失火时压力与离子电流

(a)失火(第25循环) (b)正常燃烧(第35循环)图10 失火与正常燃烧时多电极的离子电流

(a)失火(第25循环) (b)正常燃烧(第35循环)图11 图9工况下多电极离子电流特征时间

图11为8个电极测得的离子电流特征时间的雷达图。可以看出,失火时离子电流信号在径向上发生了明显的变化:8个电极附近的离子电流信号出现时刻均晚于正常燃烧时的出现时刻,尤其是1号、5号、6号、7号、8号测量电极所测出现时刻均晚于正常燃烧时的出现时刻(于上止点后10°以上);6号测量电极测得的离子电流信号的峰值时刻与其出现时刻的时间差远大于正常燃烧时的时间差,这是由于失火时燃烧不连贯,燃烧缓慢,从而导致峰值时刻推迟;6号、7号测量电极测得的离子电流持续时间远大于正常燃烧的持续时间,说明失火具有间断性,因此失火时测得的离子电流结束时刻的雷达图没有正常燃烧时饱满。总之,失火时6号测量电极的特征时间最为明显。

图12给出了随机抽取的4组失火时多电极测得的离子电流。可以看出,失火时5号、6号测量电极测得的离子电流十分微弱,小于0.2 μA,离子电流信号很晚出现且在上止点后30°～40°之间。该结果进一步验证了本文发动机失火判断依据的可行性。

(a)第19循环 (b)第21循环

(c)第43循环 (d)第62循环图12 失火时多电极的离子电流

3 结 论

(1)将离子电流测量电极布置在发动机气缸垫内,由此测得的离子电流能够避免点火信号的干扰,且能成功获取发动机缸内多个位置的燃烧信息;利用多电极离子电流法可检测发动机的爆震、失火,该方法简单可行。

(2)应用多电极离子电流法诊断爆震时,4号测量电极测得的离子电流的峰值大于1 μA,7号测量电极测得的离子电流信号提早出现,且在上止点附近,此时可以判定发动机发生爆震。

(3)应用多电极离子电流法诊断失火时,若5号、6号测量电极测得的离子电流十分微弱,小于0.2 μA,离子电流信号很晚出现且在上止点后30°～40°之间,此时可以判定发动机发生失火。

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(编辑 苗凌)

Detection of Engine Abnormal Combustion with Ion Current Method

GAO Zhongquan1, LI Chunyan1, LIU Bing1, HUANG Zuohua1, EIJI Tomita2, SADAMI Yoshiyama3

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Department of Mechanical Engineering, University of Kitakyushu, Kitakyushu, Japan; 3. Department of Mechanical System Engineering, Okayama University, Okayama, Japan)

To obtain the information about combustion in cylinder, and diagnose the abnormal combustion, abnormal combustion in a spark-ignition engine is experimentally investigated with ion current method. Eight ion current sensors are located symmetrically in the gasket. The ion current signals generating during normal combustion, knock and misfire are collected, and a diagnostic criterion for knock and misfire is established by analyzing the ion current signals. The results show that when knock occurs, the peak of ion current detected by the fourth ion current sensor exceeds 1 μA, and the ion current detected by seventh ion current sensor is advanced to the top dead center (TDC); when misfire occurs, the ion currents detected by the fifth and sixth ion current sensor are very week (less than 0.2 μA), and the appearance of the two ion currents are postponed to 30°-40° CA ATDC.

spark-ignition gasoline engine; ion current method; knock; misfire

2014-10-26。

高忠权(1982—),男,博士,讲师。

国家自然科学基金资助项目(51306143);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(xjj2013001);日本经济、贸易与工业基金资助项目。

时间:2015-02-27

10.7652/xjtuxb201505001

TK431

A

0253-987X(2015)05-0001-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150227.0845.005.html