汽油發(fā)動機(jī)燃燒爆震的共振頻率分析與標(biāo)定

引言

汽油發(fā)動機(jī)正常工作時燃燒由火花塞點(diǎn)燃,火焰內(nèi)核擴(kuò)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(nèi)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(dá)到了臨界的溫度和壓力,混合氣體末端在火焰前緣到達(dá)前自燃。強(qiáng)烈爆震發(fā)生時,發(fā)動機(jī)將出現(xiàn)輸出功率和熱效率降低、燃燒室過熱、發(fā)動機(jī)零部件應(yīng)力增加等不良現(xiàn)象。因此,燃燒爆震約束了汽油發(fā)動機(jī)的性能和效率。

爆震監(jiān)測和控制是發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)的重要功能之一。準(zhǔn)確的爆震監(jiān)測和點(diǎn)火角控制能確保發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火角工作在爆震臨界點(diǎn)附近,以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)性、動力性,保證發(fā)動機(jī)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(jié)合實(shí)踐的方式,詳細(xì)討論汽油發(fā)動機(jī)燃燒爆震的共振頻率和標(biāo)定,為汽油發(fā)動機(jī)燃燒爆震的標(biāo)定工作提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1汽油發(fā)動機(jī)爆震的監(jiān)測方法

爆震發(fā)生時發(fā)動機(jī)的噪聲、缸內(nèi)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(jī)噪聲變化

該方法在發(fā)動機(jī)缸體上安裝銅管,并將該銅管引到車輛駕駛室或發(fā)動機(jī)臺架控制室內(nèi),在中低轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)氣缸內(nèi)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(jī)缸體振動

該方法通過安裝在發(fā)動機(jī)缸體上的壓電式加速度傳感器分析發(fā)動機(jī)振動,判斷是否有爆震發(fā)生。目前在量產(chǎn)發(fā)動機(jī)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(chǎn)發(fā)動機(jī)所采用。通過分析發(fā)動機(jī)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(jī)火花塞匹配和發(fā)動機(jī)自燃分析等。

1.5基于發(fā)動機(jī)傳熱分析

同樣在發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定匹配過程中,基于發(fā)動機(jī)缸內(nèi)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(jī)缸體振動的檢測方法,針對爆震的共振頻率和強(qiáng)度展開分析。試驗(yàn)采用4缸1.3L自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī),缸徑為76mm,試驗(yàn)燃油為Ron93號標(biāo)準(zhǔn)汽油。

2爆震共振頻率的理論計(jì)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(jī)的缸徑有關(guān)。考慮到燃燒室內(nèi)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(jī)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(dǎo)出:

式中,T為接近上止點(diǎn)時缸內(nèi)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(yàn)發(fā)動機(jī)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(qiáng)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(jī)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(biāo)定

3.1爆震信號的采樣

本文采用ETAS公司的爆震強(qiáng)度分析工具KID2,發(fā)動機(jī)原配平直頻率特性爆震傳感器,用于對爆震窗口內(nèi)的信號采樣。采樣頻率為200kHz,采樣工況為輕微爆震點(diǎn)(超越爆震臨界點(diǎn)約2°點(diǎn)火角)。由于ECU(EngineContro1Unit)根據(jù)標(biāo)定的爆震窗口進(jìn)行爆震信號的積分計(jì)算,故對窗口內(nèi)的信號進(jìn)行FFT分析才具有實(shí)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(jì)算每個窗口內(nèi)的極值和所有窗口內(nèi)峰間值的均值,當(dāng)某個窗口內(nèi)的峰間值超越均值2.5倍,則該窗口內(nèi)的信號被判斷為爆震信號。

定義相對爆震強(qiáng)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(jié)果

分別對爆震和非爆震信號進(jìn)行傅里葉變換分析,結(jié)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(jìn)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(shè)為12.1kHz,品質(zhì)因數(shù)為2.65,則濾波范圍為9.82~14.38kHz。

4基于統(tǒng)計(jì)分析的爆震中心頻率標(biāo)定

4.1統(tǒng)計(jì)分析的意義和實(shí)現(xiàn)方法

由于存在氣體運(yùn)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(jī)燃燒室內(nèi),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(dǎo)致盡管發(fā)動機(jī)的所有可控量保持穩(wěn)定,爆震強(qiáng)度仍在各個循環(huán)間一直變化,可以被定義為一個隨機(jī)變量。因此,需要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析爆震強(qiáng)度,由此分析不同共振頻率下的信噪比。

4.2統(tǒng)計(jì)分析的評判標(biāo)準(zhǔn)

統(tǒng)計(jì)分析爆震信號的目的是將大量隨機(jī)分布的爆震和非爆震信號的差別總結(jié)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)方差:nB為背景信號的采樣數(shù)。

4.3統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(fù)荷(w0T)和部分負(fù)荷(80kРa)采集并分析數(shù)據(jù),結(jié)果如圖6、圖7所示。

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

5爆震強(qiáng)度的對比分析

為了檢驗(yàn)基于加速度爆震傳感器的爆震結(jié)果,需要引入一個獨(dú)立的爆震參考系統(tǒng)。由于發(fā)動機(jī)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(qiáng)度信息,故將發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(ECU)處理的爆震結(jié)果與之對比分析。本文通過爆震云圖方式來表達(dá)這個對比分析。

測試設(shè)備包括缸壓傳感器、ETAs-KID設(shè)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(nèi)的極值,Y軸為8C9處理得到的爆震相對強(qiáng)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(jī)在4000r/min全油門下,基礎(chǔ)點(diǎn)火角提前59時的爆震云圖結(jié)果,從結(jié)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(yuǎn),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(bào),爆震控制無法將點(diǎn)火角控制在安全范圍內(nèi)。采用二階切向模式中心頻率時,漏報(bào)現(xiàn)象基本消除,爆震控制將點(diǎn)火角控制在安全范圍內(nèi)。

6結(jié)語

本文以理論分析為基礎(chǔ),通過快速傅里葉變換分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,詳細(xì)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(jìn)行對比分析,證明了理論分析與實(shí)際結(jié)果具有一致性,理論公式可以近似計(jì)算燃燒爆震的共振頻率。基于快速傅里葉變換分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得到的信噪比結(jié)果與參照對比結(jié)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(biāo)定結(jié)果。