基于曲軸瞬時(shí)加速度分析的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程著火判定與應(yīng)用

1、汽車(chē)工程2003年(第25卷 第2期Automotive Engineering 2003(Vol. 25 No. 22003025基于曲軸瞬時(shí)加速度分析的發(fā)動(dòng)機(jī)3啟動(dòng)過(guò)程著火判定與應(yīng)用楊福源張京永王曉光周明歐陽(yáng)明高(清華大學(xué), 汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100084摘要即通過(guò)兩次啟動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)加速度對(duì)比尋找噴油啟動(dòng)過(guò)程的著火始點(diǎn)。, 而且識(shí)別精度也從循環(huán)級(jí)提高到角度級(jí)。試驗(yàn)在一臺(tái)6敘詞:電控發(fā)動(dòng)機(jī), 啟動(dòng)過(guò)程, 燃燒始點(diǎn)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(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的噴油量、噴油正時(shí)、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(tái), 迎來(lái)了電控柴油機(jī)的新時(shí)代。世界各大汽車(chē)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(wú)

5、需改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到普遍關(guān)注。柴油機(jī)的啟動(dòng)性能尤其是低溫啟動(dòng)性能是評(píng)價(jià)柴油機(jī)性能優(yōu)劣的指標(biāo)之一, 國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作以改善柴油機(jī)的啟動(dòng)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(guò)參數(shù)優(yōu)化,3國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973 項(xiàng)目(2001CB209205 。力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。作為前提條件, 對(duì)柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程著火時(shí)刻的準(zhǔn)確判定十分重要。同時(shí), 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(cè)與控制提供了新的可能。在20世紀(jì)90年代, 通過(guò)分析缸內(nèi)壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 在汽油機(jī)上開(kāi)始利用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速判定發(fā)動(dòng)機(jī)的失火情況。研究表明, 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的異常波

6、動(dòng)反映了某個(gè)(或多個(gè) 氣缸的非正常燃燒, 由此通過(guò)對(duì)噴油量的反饋控制實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作。Citron S J 1等人比較早地研究了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和缸內(nèi)壓力的關(guān)系2, 之后發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速被廣泛用于電控汽油機(jī)的失火檢測(cè)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(chē)工程2003年(第25卷 第2期把瞬時(shí)轉(zhuǎn)速用于失火判定時(shí), 對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角的定位精度和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求并不高, 僅需達(dá)到某缸的某個(gè)循環(huán)。對(duì)6缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō), 其曲軸轉(zhuǎn)角分辨率為120CA 。文中在理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上, 提出了一種判定起動(dòng)循環(huán)燃燒

7、始點(diǎn)的方法。即通過(guò)對(duì)相同條件下電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)和噴油啟動(dòng)過(guò)程中的曲軸瞬時(shí)加速度的對(duì)比分析, 得到兩個(gè)過(guò)程曲線的分離位置, 從而判定缸內(nèi)燃燒始點(diǎn)。貴。(4 傳感器的安裝形式對(duì)測(cè)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(dòng)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(hào)失真現(xiàn)象5?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)是否啟動(dòng)的外在表現(xiàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是否高于電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。而電控發(fā)動(dòng)機(jī)又必須具有轉(zhuǎn)速信號(hào)的發(fā)生和采集裝置。因此, 通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的分析來(lái)判定發(fā)動(dòng)機(jī)的, 而且將可能開(kāi)辟2啟動(dòng)過(guò)程著火循環(huán)的判定方法發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的評(píng)價(jià)指標(biāo)目前僅是啟動(dòng)時(shí)間(次數(shù) 有標(biāo)準(zhǔn)可循。因此,

8、環(huán)。即從該循環(huán)開(kāi)始, 失, 輸出功為正, 中的變化, 從而判定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況是目前廣泛采用的分析柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的手段。柴油機(jī)工作循環(huán)的實(shí)測(cè)氣缸壓力曲線如圖1。在無(wú)燃燒情況下, 隨活塞的上下運(yùn)動(dòng), 缸內(nèi)氣體經(jīng)過(guò)壓縮和膨脹過(guò)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(shí), 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(guò)程中出現(xiàn)臺(tái)階(有時(shí)為雙峰 。因此, 根據(jù)臺(tái)階位置就可以判定發(fā)動(dòng)機(jī)著火時(shí)刻。作為循環(huán)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程分析手段, 缸內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)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(shí)信號(hào)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(duì)位置和角度的要求, 加工這樣的安裝孔并不容易。即便對(duì)某些發(fā)動(dòng)機(jī)可以利用電熱塞孔安裝傳感器, 一般也都需要對(duì)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(jià)格昂3運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)過(guò)程中, 作用于曲柄的轉(zhuǎn)矩T 由三部分組成:外部驅(qū)動(dòng)力矩和

10、阻力矩T motor 、缸內(nèi)氣體對(duì)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(duì)活塞的作用力, F j 為往復(fù)慣性力, 其他參數(shù)見(jiàn)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(zhǎng)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(dòng)過(guò)程中(一次噴油、一次拖動(dòng) , 在燃燒開(kāi)始前兩者所受慣性力相同, 即慣性力不影響對(duì)燃燒始點(diǎn)的判定。氣體作用力F g 可分為兩部分, 即無(wú)缸內(nèi)燃燒時(shí)的氣體作用力F m 和燃燒引起的壓力增加F c 。在電

11、動(dòng)機(jī)(起動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的循環(huán)中, F c=0, 這時(shí)F g =F m ; 在噴油啟動(dòng)過(guò)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(duì)氣缸壓力2003年(第25卷 第2期汽車(chē)工程113的影響, 假設(shè)燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角為s , 則在相同 和相同拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩(T motorm =曲軸起始位置(、T motros 條件下, 當(dāng)s 時(shí), T m -T s =0; 當(dāng)當(dāng)s 時(shí), T m -T s 0。s 時(shí), 兩個(gè)過(guò)程的曲軸瞬時(shí)加速度差j s -j m 0。因此根據(jù)噴油啟動(dòng)和拖動(dòng)過(guò)程的加速度變化, 可以判定燃燒是否開(kāi)始。拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) , 重復(fù)若干次試驗(yàn), 對(duì)比其曲

12、軸轉(zhuǎn)速和加速度曲線(圖4 。從4次重復(fù)性測(cè)試結(jié)果可以看出, 曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和加速度信號(hào)具有非常好的重復(fù)性, 說(shuō)明在連續(xù)重復(fù)過(guò)程中, 發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)具有較好的一致性, 對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很小。因而可以認(rèn)為兩個(gè)過(guò)程具有可比性。4試驗(yàn)方案及測(cè)試設(shè)備試驗(yàn)工作在一臺(tái)日本五十鈴汽車(chē)公司生產(chǎn)的6缸高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行。該發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)多段噴射控制, 裝備有曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)傳感器。試驗(yàn)中, 直接從原線束中引出相關(guān)信號(hào)到高速數(shù)據(jù)采集儀。圖3為測(cè)試系統(tǒng)示意圖 。圖4曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和加速度信號(hào)的可重復(fù)性為了從定量角度評(píng)價(jià)其重復(fù)性, 可以利用數(shù)學(xué)上的相關(guān)性分析方法計(jì)算這些信號(hào)的相似性。相關(guān)性系數(shù)越接近110, 表示信號(hào)越相似。利用

13、MA TLAB 圖5重復(fù)測(cè)試時(shí)曲軸加速度的相關(guān)性分析數(shù)學(xué)工具箱對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的信號(hào)相關(guān)性分析結(jié)果如圖5。從圖5可以看出, 兩次拖動(dòng)過(guò)程的加速度互相關(guān)特性有如下特點(diǎn):(1 加速度互相關(guān)函數(shù)在延時(shí)為0時(shí)取得最大值; (2 延時(shí)為0時(shí)相關(guān)系數(shù)非常接近1。因此, 對(duì)4次測(cè)試結(jié)果的分析表明它們確實(shí)具有非常好的相關(guān)性, 亦即可重復(fù)性。512基于曲軸瞬時(shí)加速度分析的著火始點(diǎn)判定51211基于加速度曲線的直觀判定將噴油啟動(dòng)與電機(jī)拖動(dòng)時(shí)的曲軸瞬時(shí)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(dòng)開(kāi)始的曲軸第一圈(48個(gè)齒為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周 內(nèi), 噴油啟動(dòng)時(shí)的速度和加速度曲線與拖動(dòng)時(shí)幾乎重合

14、。說(shuō)明在啟動(dòng)過(guò)程的第一個(gè)階段發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的瞬時(shí)信號(hào)在循著拖動(dòng)線的軌跡移動(dòng), 這與第3節(jié)的理論分析相吻合。(2 從轉(zhuǎn)過(guò)約60齒位置開(kāi)始, 啟動(dòng)時(shí)的加速度線脫離拖動(dòng)線, 振蕩加劇。說(shuō)明因發(fā)動(dòng)機(jī)某缸(配合凸輪軸信號(hào)可判定發(fā)火缸 著火燃燒使得氣體作用圖3測(cè)試系統(tǒng)示意圖試驗(yàn)在ISU ZU6H K1高壓共軌柴油機(jī)上進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)自帶三菱起動(dòng)機(jī), 型號(hào)M008T60971,24V 。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國(guó)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(jì)算機(jī), 離

15、線狀態(tài)下利用MA TLAB 數(shù)學(xué)工具箱對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。表1發(fā)動(dòng)機(jī)主要配置及參數(shù)項(xiàng)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(yàn)結(jié)果及分析511曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和加速度信號(hào)的可重復(fù)性在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)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(dòng)機(jī) 114汽車(chē)工程2003年(第25卷 第2期圖6 力增大, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角加速度和轉(zhuǎn)速脫離原拖動(dòng)線。(3 度線分離點(diǎn)落后3個(gè)齒(15CA 。把啟動(dòng)和拖動(dòng)過(guò)程曲軸瞬時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)相減, 得到圖7的曲線。可以看到, 因信號(hào)間存在微小的相位差使

16、得差值信號(hào)的波動(dòng)加劇, 分離點(diǎn)的位置并不明顯。為此, 嘗試通過(guò)對(duì)信號(hào)能量進(jìn)行放大的分析方法尋找分離點(diǎn)。+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(diǎn)相對(duì)應(yīng)的值, 即為分離點(diǎn)。的選取, 較大時(shí), 積分區(qū)間長(zhǎng)度較對(duì)于的大, 對(duì)兩信號(hào)的不一致情況反應(yīng)較好; 但隨著增加, 時(shí)間分辨率將下降?；谠?缸機(jī)的曲軸信號(hào)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(guò)計(jì)算信號(hào)的方均差尋找分離點(diǎn)圖7噴油啟動(dòng)與拖動(dòng)過(guò)程曲軸信號(hào)的差值513通過(guò)計(jì)算方均差分析差值信號(hào)t T因?yàn)閮尚盘?hào)均為功率有

17、限信號(hào), 依據(jù)P =t T 2x (t d t , 計(jì)算得到信號(hào)功率。拖動(dòng)信號(hào)P t =設(shè)拖動(dòng)信號(hào)為x t (t , 啟動(dòng)信號(hào)為x q ( t , 則兩信號(hào)的方均誤差為=257517044, 啟動(dòng)信號(hào)P q =421017。選取啟動(dòng)信號(hào)功率的2%為分離點(diǎn)的方均差判22據(jù), 即104, 分離depart =2%Pq , 則depart =017點(diǎn)在第58個(gè)采樣點(diǎn)附近(圖8中的標(biāo)記點(diǎn) 。此結(jié)t Tx (t -0tTx q (t d t2式中t T 為信號(hào)的時(shí)間總長(zhǎng)度。+ 積分區(qū)間內(nèi)的兩信號(hào)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(cè)試了噴油提前角對(duì)啟動(dòng)過(guò)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(chē)工程115噴油量和目標(biāo)軌道壓力不變, 分別把噴油定時(shí)設(shè)定為上止點(diǎn)前5CA 、8CA 、12CA , 測(cè)得如圖9的曲線?？梢悦黠@看出, 提前角為5CA 、8CA 和12CA 三種啟動(dòng)條件下的加速度分離點(diǎn)的位置是不同的, 分別在曲軸轉(zhuǎn)過(guò)59齒、123齒和75齒位置?？梢哉f(shuō), 不同噴油提前角對(duì)燃燒的影響通過(guò)曲軸瞬時(shí)加速度信號(hào)反映了出來(lái), 瞬時(shí)加速度信號(hào)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(hào), 說(shuō)明連續(xù)進(jìn)行的兩個(gè)啟動(dòng)過(guò)程的曲軸瞬時(shí)加速度信號(hào)具有可比性。(2 理論分析和試驗(yàn)表明, 若忽略燃油噴射及可燃

19、混合氣形成對(duì)氣缸壓力的影響, 對(duì)比拖動(dòng)和噴油啟動(dòng)過(guò)程的曲軸瞬時(shí)加速度信號(hào)可以判定發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)循環(huán)缸內(nèi)燃燒的始點(diǎn)。(3 該方法不同于失火判定, 利用加速度信號(hào)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(jí)提高到了角度級(jí)。(4 直接利用電控發(fā)動(dòng)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