引言

汽油發(fā)動機正常工作時燃燒由火花塞點燃,火焰內核擴張并在燃燒室傳播直到缸壁熄滅。其火焰前緣的傳播速度小于音速,且缸內燃燒壓力是穩(wěn)定的。燃燒爆震是一種異常燃燒狀態(tài),它是由于燃燒室達到了臨界的溫度和壓力,混合氣體末端在火焰前緣到達前自燃。強烈爆震發(fā)生時,發(fā)動機將出現(xiàn)輸出功率和熱效率降低、燃燒室過熱、發(fā)動機零部件應力增加等不良現(xiàn)象。因此,燃燒爆震約束了汽油發(fā)動機的性能和效率。

爆震監(jiān)測和控制是發(fā)動機管理系統(tǒng)的重要功能之一。準確的爆震監(jiān)測和點火角控制能確保發(fā)動機的點火角工作在爆震臨界點附近,以實現(xiàn)發(fā)動機的最佳經(jīng)濟性、動力性,保證發(fā)動機的可靠性,避免出現(xiàn)令人討厭的爆震噪聲。

本文將以理論結合實踐的方式,詳細討論汽油發(fā)動機燃燒爆震的共振頻率和標定,為汽油發(fā)動機燃燒爆震的標定工作提供理論基礎和實踐經(jīng)驗。

1汽油發(fā)動機爆震的監(jiān)測方法

爆震發(fā)生時發(fā)動機的噪聲、缸內壓力、缸體振動等發(fā)生顯著變化,故存在多種方法監(jiān)測爆震發(fā)生。根據(jù)物理量的不同,爆震的監(jiān)測與分析可以分類為以下五種:

1.1基于發(fā)動機噪聲變化

該方法在發(fā)動機缸體上安裝銅管,并將該銅管引到車輛駕駛室或發(fā)動機臺架控制室內,在中低轉速可以清晰地分辨出爆震發(fā)生時特有的噪聲。

1.2基于發(fā)動機氣缸壓力變化

該方法通過集成在火花塞上的缸壓傳感器,得到發(fā)動機氣缸內壓力波動,判斷是否有爆震或非正常燃燒發(fā)生。

1.3基于發(fā)動機缸體振動

該方法通過安裝在發(fā)動機缸體上的壓電式加速度傳感器分析發(fā)動機振動,判斷是否有爆震發(fā)生。目前在量產發(fā)動機上,主要采用該方法。

1.4基于氣體電離

該方法被少數(shù)的量產發(fā)動機所采用。通過分析發(fā)動機火花塞極間離子電流的變化,判斷是否有爆震或非正常燃燒發(fā)生。同時,該方法也被用于發(fā)動機火花塞匹配和發(fā)動機自燃分析等。

1.5基于發(fā)動機傳熱分析

同樣在發(fā)動機臺架標定匹配過程中,基于發(fā)動機缸內的壓力傳感器,分析熱傳遞,判斷是否有爆震或非正常燃燒發(fā)生。

本文主要基于發(fā)動機缸體振動的檢測方法,針對爆震的共振頻率和強度展開分析。試驗采用4缸1.3L自然進氣發(fā)動機,缸徑為76mm,試驗燃油為Ron93號標準汽油。

2爆震共振頻率的理論計算

理論研究表明,燃燒爆震發(fā)生時的共振頻率與發(fā)動機的缸徑有關?？紤]到燃燒室內不同的壓力波傳播模式,爆震的共振頻率可以由公式(1)表示:

式中,cs為氣體聲度:ra為發(fā)動機缸體半徑:am,n代表不同的壓力波傳播模式,可由貝賽爾方程解出。

氣體聲度可由公式(2)導出:

式中,T為接近上止點時缸內氣體的平均溫度,通常接近2500K:R0為通用氣體常數(shù),約為8314J/(kmo1·K):y為比熱比,對于燃燒廢氣該值約為1.34:M為排放尾氣的分子量,約28.6。

試驗發(fā)動機在不同燃燒室壓力波傳播模式如圖1所示,其理論共振頻率如表1所示。

通常一階切向模式下爆震信號強度最大,二階切向模式次之,三階切向模式、一階徑向模式和二階徑向模式相對微弱。但由于一階切向模式的頻率較低,可能被發(fā)動機本體的噪聲干擾(如氣門落座噪聲等),所以合理的爆震中心頻對于爆震檢測具有重要意義。

3基于傅里葉變換分析的爆震中心頻率標定

3.1爆震信號的采樣

本文采用ETAS公司的爆震強度分析工具KID2,發(fā)動機原配平直頻率特性爆震傳感器,用于對爆震窗口內的信號采樣。采樣頻率為200kHz,采樣工況為輕微爆震點(超越爆震臨界點約2°點火角)。由于ECU(EngineContro1Unit)根據(jù)標定的爆震窗口進行爆震信號的積分計算,故對窗口內的信號進行FFT分析才具有實際意義。圖2為采樣信號總覽,圖3為局部爆震信號號大,圖4為局部非爆震信號號大。圖中"AcqAdCh1"為爆震信號,"AcqMeasurementwindow"為爆震窗口。

3.2爆震信號與非爆震信號的判斷

計算每個窗口內的極值和所有窗口內峰間值的均值,當某個窗口內的峰間值超越均值2.5倍,則該窗口內的信號被判斷為爆震信號。

定義相對爆震強度(Relativeknockintensity)為:

式中,РР(n)為峰間值(Рeak-to-Рeak):AvP(n-1)為均值,定義為:

式中,siPnal(i)為傳感器信號,定義為:

式中,Non-knockinP為非爆震狀態(tài):KnockinP為爆震狀態(tài),定義為:

3.3爆震信號與非爆震信號的頻域分析結果

分別對爆震和非爆震信號進行傅里葉變換分析,結果如圖5所示,可以清晰地分辨出信號的1階和2階切向模式中心頻率。

根據(jù)ECU處理能力可以選擇不同頻率段進行帶通濾波分析。本文選擇2階切向模式頻率為爆震中心頻率,最終中心頻率設為12.1kHz,品質因數(shù)為2.65,則濾波范圍為9.82~14.38kHz。

4基于統(tǒng)計分析的爆震中心頻率標定

4.1統(tǒng)計分析的意義和實現(xiàn)方法

由于存在氣體運動在各個循環(huán)間的變化:燃料量、新鮮空氣量、廢氣量在各個循環(huán)間的變化:發(fā)動機燃燒室內,特別是火花塞附近的新鮮空氣、燃料與廢氣之間的混合比例在各個循環(huán)間的變化,這些變化將導致盡管發(fā)動機的所有可控量保持穩(wěn)定,爆震強度仍在各個循環(huán)間一直變化,可以被定義為一個隨機變量。因此,需要基于統(tǒng)計學分析爆震強度,由此分析不同共振頻率下的信噪比。

4.2統(tǒng)計分析的評判標準

統(tǒng)計分析爆震信號的目的是將大量隨機分布的爆震和非爆震信號的差別總結為一個值,通常以信噪比來表示這個區(qū)分能力。通過對不同中心頻率信噪比的分析,可以對其做出合理標定。本文中信噪比(s/NRatio)定義為:

式中,uK為爆震信號的平均值:aK2為爆震信號的標準方差:nK為爆震信號的采樣數(shù):uB為背景信號的平均值:aB2為背景信號的標準方差:nB為背景信號的采樣數(shù)。

4.3統(tǒng)計分析結果

本文根據(jù)1階和2階理論切向模式下的中心頻率,分別在2400r/min、3600r/min、4800r/min和5600r/min以全負荷(w0T)和部分負荷(80kРa)采集并分析數(shù)據(jù),結果如圖6、圖7所示。

結果與前一章節(jié)相似,采用2階切向模式中心頻率在全負荷和部分負荷均表現(xiàn)為略好于1階。

5爆震強度的對比分析

為了檢驗基于加速度爆震傳感器的爆震結果,需要引入一個獨立的爆震參考系統(tǒng)。由于發(fā)動機燃燒室的壓力波動可由缸壓傳感器直接測得,且該波動值能較好地反映爆震強度信息,故將發(fā)動機管理系統(tǒng)(ECU)處理的爆震結果與之對比分析。本文通過爆震云圖方式來表達這個對比分析。

測試設備包括缸壓傳感器、ETAs-KID設備、燃燒分析儀、爆震開發(fā)電腦等。如圖8所示,爆震云圖中x軸為缸壓傳感器信號在所定義的爆震窗口內的極值,Y軸為8C9處理得到的爆震相對強度。云圖分為5個區(qū)域,1:誤檢測區(qū)域:2:爆震臨界區(qū)域:3:爆震區(qū)域:4:爆震漏檢測區(qū)域:5:無爆震區(qū)域。

圖9、圖10為測試發(fā)動機在4000r/min全油門下,基礎點火角提前59時的爆震云圖結果,從結果中可以看出不同缸的爆震信噪比。由于爆震傳感器距離4缸較遠,故第4缸的信噪比最差。采用一階切向模式中心頻率時,1、2、4缸均有較多漏報,爆震控制無法將點火角控制在安全范圍內。采用二階切向模式中心頻率時,漏報現(xiàn)象基本消除,爆震控制將點火角控制在安全范圍內。

6結語

本文以理論分析為基礎,通過快速傅里葉變換分析、統(tǒng)計學分析,詳細討論了燃燒爆震的共振頻率和采用不同中心頻率時爆震檢測的信噪比,并引入缸壓極值做參照進行對比分析,證明了理論分析與實際結果具有一致性,理論公式可以近似計算燃燒爆震的共振頻率?；诳焖俑道锶~變換分析和統(tǒng)計學分析得到的信噪比結果與參照對比結果具有一致性,三種方式均可作為爆震匹配的有效手段。同時,采用參考對比的方法可以分析爆震控制水平,評價爆震標定結果。