基于离子电流与缸压信息融合的HCCI发动机不完全燃烧提前诊断*

2020-11-04朱登豪李理光

汽车工程 2020年10期

王硕，朱登豪，邓俊，李理光，2

（1.同济大学汽车学院，上海 201804； 2.同济大学中德学院，上海 201804）

前言

HCCI燃烧最早于1979年由Onishi［1］和Noguchi［2］两人提出。1989年，Thring［3］第一次使用HCCI这一名称描述这种燃烧方式，随后被学界广泛接受。相比于传统汽油机，HCCI发动机压缩比高，无泵气损失，在效率方面有显著提升。Yu等人［4］通过仿真研究，发现在17～21的压缩比下，HCCI汽油机可获得50.2%～51.4%的热效率；Dec等［5］在一台改造的单缸发动机上实现了HCCI燃烧，并获得了47%的热效率。而在排放方面，HCCI发动机混合气均匀、稀薄燃烧的工作原理决定了其在大多数工况下，最高燃烧温度不高于1 800 K［4］，可有效抑制氮氧化物的产生。Tao等［6］的研究表明，HCCI发动机氮氧化物浓度在不同气门策略下均保持在1×105以下；而Tanet等［7］的研究中，氮氧化物的生成浓度仅为1～2×10-6。所以，HCCI技术可以很好地解决内燃机效率与排放之间的矛盾。

HCCI发动机虽然在效率和排放上有着明显优势，但实际应用的难题之一便是燃烧诊断与控制问题。HCCI发动机的燃烧完全由化学动力学决定，这使得冷却水温度［8］、燃烧室壁温［9］、缸内残余废气［10］等因素都会对当前循环燃烧产生影响。而这些因素又受到上一循环燃烧的影响，即HCCI发动机燃烧具有明显的循环间耦合性。目前，通过可变气门系统，实现负阀重叠进行废气重压，或再辅以负阀重叠期间的预喷射进行燃油改质，被认为是实现HCCI燃烧最可行的方式。然而，这种方式加强了对缸内残余废气的依赖，也就加剧了循环间的燃烧耦合性。特别是在高低负荷边界，缸内残余废气情况的细微变化，会给发动机带来随机出现的不完全燃烧、失火、爆震等非正常燃烧现象［11-13］。

HCCI发动机的循环间耦合性一方面给燃烧控制带来了困难，但另一方面使非正常燃烧的提前诊断成为可能。通过对负阀重叠期间残余废气和燃油改质情况的分析，可提前诊断本循环是否可能发生非正常燃烧，从而在进气和喷油等过程中做出调节，避免非正常燃烧的出现。本文研究目标便是通过对HCCI发动机负阀重叠期间缸压和离子电流信号的监测与分析，对HCCI不完全燃烧现象做出提前诊断。

HCCI发动机燃烧诊断作为HCCI技术走向应用的重要前提之一，目前国内外已有众多学者进行了研究。张宏超［14］研究了HCCI发动机转速传感器和爆震传感器信号与发动机燃烧情况的关系。发现利用发动机转速信号的下降可有效诊断HCCI发动机失火，而通过转速传感器和爆震传感器信号相结合，对爆震也可做出有效的诊断。Fabrice等［15］通过对爆震传感器信号进行高频采样和傅里叶变换，结果表明爆震传感器信号与HCCI燃烧开始和结束相位具有高度相关性。相比于转速传感器和爆震传感器信号，缸压信号可直接反应缸内燃烧情况，在燃烧诊断的准确性上更具优势。方成［16］在HCCI的负荷控制研究中，利用缸压计算得出的最大压升率、最高爆发压力和循环变动量等作为发动机爆震诊断依据，实现了基于循环的控制。Ruonan等［17］将缸压最大压升率过低或过高作为HCCI发动机失火或爆震的诊断依据，并实现了循环间调节。除上文提出的缸压等传统信号外，离子电流作为一种既能直接反映缸内燃烧情况，同时成本较低的技术在近年来得到越来越多的关注。其在点燃式发动机的燃烧诊断方面已有一系列应用［18-20］，但在HCCI发动机领域的应用较为有限，目前已有的研究主要有：张栖玉等［21］通过对HCCI发动机离子电流的研究发现，离子电流在上止点后30°CA的积分值与空燃比之间存在很好的相关性，可用于诊断HCCI发动机在低负荷下的失火；在此基础上，张志永等［22］进一步研究发现，使用离子电流幅值信号作为失火诊断依据，可将诊断相位提前到上止点后20°CA；李超等［23］研究表明，使用离子电流积分信号对中高强度爆震进行诊断时，其诊断准确率可达87.2%，但对轻微爆震诊断效果欠佳。

通过以上研究可以发现，目前在HCCI发动机燃烧诊断领域，大多数研究都是在非正常燃烧发生之后才能做出诊断，这意味着本循环燃烧已发生恶化，负荷与排放都会受到影响，且由于HCCI发动机特有的循环间耦合性，还有可能对下一循环造成不良影响。虽然部分研究在燃烧开始阶段，即上止点附近做出诊断，但此时燃烧已开始，对非正常燃烧的调节手段已十分有限。本文聚焦于HCCI发动机不完全燃烧的“提前诊断”，即在循环进气开始之前便对发动机可能发生的不完全燃烧做出诊断，从而为HCCI发动机及时消除非正常燃烧提供依据。

1 实验设置

1.1 发动机参数

本实验原型机为第2代EA888 2.0 L增压直喷汽油机。在原型机基础上移除了增压器改为自然吸气发动机，同时通过加高活塞顶的方式将压缩比提高至16，以适应HCCI燃烧的需求，并加装了KSPG公司研发的UniValve®全可变配气系统［24］。该系统可实现进排气门正时在60°CA范围内独立可调，气门升程在0～8 mm范围内独立可调。完整的发动机参数如表1所示。本研究采用4缸中的1个缸进行实验。

表1 发动机参数

1.2 数采系统

数采系统使用的是国家仪器公司的PCI-6250高速采集卡，采用光电编码器触发，每0.5°CA记录一次数据。数采软件基于国家仪器公司的LabVIEW软件平台开发。缸内压力的测量采用奇石乐（Kistler）公司的6052C缸内压力传感器。不同于火花塞一体式传感器，该传感器直径较小，因此可采用侧置式安装，即在缸头侧面加工螺纹孔进行安装。由于HCCI发动机在起动阶段仍需要火花点火，所以气缸中心仍安装了火花塞并将其作为离子电流采集系统的电极。由于缸压传感器选择了侧置式传感器，所以不需要担心缸压采集与离子电流采集之间的干扰问题。离子电流采集系统为自主开发，其原理如图1所示，二极管用于隔绝来自点火线圈的干扰，电容可稳定供电，离子电流信号为与火花塞串联的电阻两端电压。

图1 离子电流采集系统示意图

2 结果与分析

2.1 随机出现的非正常燃烧现象

本实验采用的工况为：转速1 500 r/min、负荷0.18 MPa。喷油共分两段：负阀重叠期间预喷射0.35 ms，进气阶段主喷射0.58 ms。该工况下CA50与燃烧放热量的对比如图2所示。图中最上方为CA50曲线，可见部分循环出现了随机的燃烧相位滞后现象。与之相对的，图2下方的燃烧放热量曲线出现了明显下降，表明这一部分循环发生了部分不完全燃烧现象。

图2 CA50与燃烧放热量对比

图3 CA50与爆震指数对比

图3为CA50与爆震指数对比图，从图中底部的爆震指数曲线可看出，在某些不完全燃烧循环后会紧跟一个爆震循环。这种不完全燃烧和爆震交替出现的情况是HCCI发动机中的典型现象，其成因主要是不完全燃烧循环导致下一循环残余废气中的可燃成分增加，另一方面，不完全燃烧还会影响到排气过程，导致下一循环残余废气量增加，最终导致爆震的发生。考虑到此工况下爆震往往由不完全燃烧引起，理论上只要对不完全燃烧循环做出提前诊断与控制，即可避免后续爆震循环的出现。

2.2 非正常燃烧诊断效果评价标准

本文中采用诊断准确率Ra与灵敏度Rs两个指标对诊断进行评价。诊断准确率指所有判断为非正常燃烧的循环中，实际发生非正常燃烧的循环所占的比例；灵敏度指所有实际发生非正常燃烧的循环中，被诊断出的非正常燃烧循环所占的比例。

式中：n01为实际正常燃烧但被误诊断为非正常燃烧的循环数；n10为实际非正常燃烧但被判定为正常燃烧的循环数；n11为实际非正常燃烧且被正确诊断为非正常燃烧的循环数。

2.3 非正常燃烧诊断方式

2.3.1 基于缸压的诊断

图4为连续5个循环的缸压曲线，5个循环依次为：2个正常循环、2个不完全燃烧循环、1个爆震循环。图中高峰为主燃峰，主燃峰左侧较低的峰为负阀重叠期间缸压峰。将负阀重叠期间缸压放大后可以发现，虽然不同循环的峰值都在-360°CA附近，但在峰值和峰值相位上存在细微差别，这种差别为非正常燃烧的提前诊断提供了可能。

图4 不同循环在负阀重叠期的缸压存在差别

将CA50与负阀重叠期间缸压峰值和峰值相位作图后见图5和图6，图中虚线上方为不完全燃烧循环。由图可见，不完全燃烧循环的负阀重叠期缸压峰值分布并无明显规律，但其负阀重叠期缸压峰值相位则全部位于-359°CA及以前。因此，可以将负阀重叠期间缸压峰值相位作为不完全燃烧循环提前诊断的依据。

图5 燃烧相位与负阀重叠期的缸压峰值关系

图6 燃烧相位与负阀重叠期的缸压峰值相位关系

为对该诊断方法进行评价，在相同工况点进行了50次重复实验，共采集了25 000个循环的数据。对数据进行统计后发现，使用负阀重叠期间缸压峰值相位进行不完全燃烧提前诊断时，其敏感度可达93.8%，即大部分不完全燃烧循环都可被提前诊断。但准确率仅为60.8%，这主要是由于部分正常循环被误判为不完全燃烧循环。由图6可见，很多正常循环在负阀重叠期的缸压峰值相位同样位于-359°CA及以前。

2.3.2 基于离子电流的诊断

图7为连续5个循环的离子电流情况。由图可见，由于HCCI的高空燃比，在0°CA附近几乎观察不到离子电流。但是，在负阀重叠期的-360°CA附近，由于火花塞附近空燃比较低，预喷燃油发生低温化学电离，形成了明显的离子电流。相比于缸压，负阀重叠期的离子电流峰值和峰值相位在不同循环间的差异更加明显，说明其具有较高的敏感性。

图7 不同循环在负阀重叠期的离子电流差别

同样，将CA50与负阀重叠期离子电流峰值和峰值相位作图后如图8和图9所示。可以看到，离子电流峰值相位与是否不完全燃烧之间的规律不明显；而全部不完全燃烧循环在负阀重叠期的离子电流峰值都异常低，大部分位于0.03 V以下，可将此作为不完全燃烧提前诊断的依据。

图8 燃烧相位与负阀重叠期的离子电流峰值关系

在对同样的25 000个循环的数据进行统计后，使用负阀重叠期离子电流峰值作为不完全燃烧提前诊断的方法，其敏感度可达95.6%，略优于使用缸压峰值相位进行诊断的方法。但其诊断准确率同样较低，仅为58.5%。

2.3.3 缸压与离子电流相结合的诊断

综上，使用负阀重叠期间的缸压峰值相位或离子电流峰值作为不完全燃烧提前诊断的方法，其诊断准确率都较低。两种方法将大部分不完全燃烧循环判断出的同时，还会将部分正常循环误判为不完全燃烧循环。由于诊断方法的最终目的是为发动机控制提供依据，若将大量正常循环误判为非正常燃烧循环而加以干涉，考虑到HCCI发动机工作的敏感性，很可能会导致发动机的不稳定。所以，对于HCCI的诊断方法而言，在保证诊断敏感度的情况下，尽量提高诊断准确率是很有必要的。

本文中将上述两种方式相结合进行诊断，使不完全燃烧循环的诊断标准更加严苛。在对25 000个循环统计后发现，使用负阀重叠期缸压相位与离子电流峰值相结合的诊断方法，诊断准确率可大幅提高到90.0%，与此同时，诊断敏感度小幅下降至91.4%，仍处于可接受的范围。