汽油发动机燃烧爆震的共振频率分析与标定

引言

汽油发动机正常工作时燃烧由火花塞点燃,火焰内核扩张并在燃烧室传播直到缸壁熄灭。其火焰前缘的传播速度小于音速,且缸内燃烧压力是稳定的。燃烧爆震是一种异常燃烧状态,它是由于燃烧室达到了临界的温度和压力,混合气体末端在火焰前缘到达前自燃。强烈爆震发生时,发动机将出现输出功率和热效率降低、燃烧室过热、发动机零部件应力增加等不良现象。因此,燃烧爆震约束了汽油发动机的性能和效率。

爆震监测和控制是发动机管理系统的重要功能之一。准确的爆震监测和点火角控制能确保发动机的点火角工作在爆震临界点附近,以实现发动机的最佳经济性、动力性,保证发动机的可靠性,避免出现令人讨厌的爆震噪声。

本文将以理论结合实践的方式,详细讨论汽油发动机燃烧爆震的共振频率和标定,为汽油发动机燃烧爆震的标定工作提供理论基础和实践经验。

1汽油发动机爆震的监测方法

爆震发生时发动机的噪声、缸内压力、缸体振动等发生显著变化,故存在多种方法监测爆震发生。根据物理量的不同,爆震的监测与分析可以分类为以下五种:

1.1基于发动机噪声变化

该方法在发动机缸体上安装铜管,并将该铜管引到车辆驾驶室或发动机台架控制室内,在中低转速可以清晰地分辨出爆震发生时特有的噪声。

1.2基于发动机气缸压力变化

该方法通过集成在火花塞上的缸压传感器,得到发动机气缸内压力波动,判断是否有爆震或非正常燃烧发生。

1.3基于发动机缸体振动

该方法通过安装在发动机缸体上的压电式加速度传感器分析发动机振动,判断是否有爆震发生。目前在量产发动机上,主要采用该方法。

1.4基于气体电离

该方法被少数的量产发动机所采用。通过分析发动机火花塞极间离子电流的变化,判断是否有爆震或非正常燃烧发生。同时,该方法也被用于发动机火花塞匹配和发动机自燃分析等。

1.5基于发动机传热分析

同样在发动机台架标定匹配过程中,基于发动机缸内的压力传感器,分析热传递,判断是否有爆震或非正常燃烧发生。

本文主要基于发动机缸体振动的检测方法,针对爆震的共振频率和强度展开分析。试验采用4缸1.3L自然进气发动机,缸径为76mm,试验燃油为Ron93号标准汽油。

2爆震共振频率的理论计算

理论研究表明,燃烧爆震发生时的共振频率与发动机的缸径有关。考虑到燃烧室内不同的压力波传播模式,爆震的共振频率可以由公式(1)表示:

式中,cs为气体声度:ra为发动机缸体半径:am,n代表不同的压力波传播模式,可由贝赛尔方程解出。

气体声度可由公式(2)导出:

式中,T为接近上止点时缸内气体的平均温度,通常接近2500K:R0为通用气体常数,约为8314J/(kmo1·K):y为比热比,对于燃烧废气该值约为1.34:M为排放尾气的分子量,约28.6。

试验发动机在不同燃烧室压力波传播模式如图1所示,其理论共振频率如表1所示。

通常一阶切向模式下爆震信号强度最大,二阶切向模式次之,三阶切向模式、一阶径向模式和二阶径向模式相对微弱。但由于一阶切向模式的频率较低,可能被发动机本体的噪声干扰(如气门落座噪声等),所以合理的爆震中心频对于爆震检测具有重要意义。

3基于傅里叶变换分析的爆震中心频率标定

3.1爆震信号的采样

本文采用ETAS公司的爆震强度分析工具KID2,发动机原配平直频率特性爆震传感器,用于对爆震窗口内的信号采样。采样频率为200kHz,采样工况为轻微爆震点(超越爆震临界点约2°点火角)。由于ECU(EngineContro1Unit)根据标定的爆震窗口进行爆震信号的积分计算,故对窗口内的信号进行FFT分析才具有实际意义。图2为采样信号总览,图3为局部爆震信号号大,图4为局部非爆震信号号大。图中"AcqAdCh1"为爆震信号,"AcqMeasurementwindow"为爆震窗口。

3.2爆震信号与非爆震信号的判断

计算每个窗口内的极值和所有窗口内峰间值的均值,当某个窗口内的峰间值超越均值2.5倍,则该窗口内的信号被判断为爆震信号。

定义相对爆震强度(Relativeknockintensity)为:

式中,РР(n)为峰间值(Рeak-to-Рeak):AvP(n-1)为均值,定义为:

式中,siPnal(i)为传感器信号,定义为:

式中,Non-knockinP为非爆震状态:KnockinP为爆震状态,定义为:

3.3爆震信号与非爆震信号的频域分析结果

分别对爆震和非爆震信号进行傅里叶变换分析,结果如图5所示,可以清晰地分辨出信号的1阶和2阶切向模式中心频率。

根据ECU处理能力可以选择不同频率段进行带通滤波分析。本文选择2阶切向模式频率为爆震中心频率,最终中心频率设为12.1kHz,品质因数为2.65,则滤波范围为9.82~14.38kHz。

4基于统计分析的爆震中心频率标定

4.1统计分析的意义和实现方法

由于存在气体运动在各个循环间的变化:燃料量、新鲜空气量、废气量在各个循环间的变化:发动机燃烧室内,特别是火花塞附近的新鲜空气、燃料与废气之间的混合比例在各个循环间的变化,这些变化将导致尽管发动机的所有可控量保持稳定,爆震强度仍在各个循环间一直变化,可以被定义为一个随机变量。因此,需要基于统计学分析爆震强度,由此分析不同共振频率下的信噪比。

4.2统计分析的评判标准

统计分析爆震信号的目的是将大量随机分布的爆震和非爆震信号的差别总结为一个值,通常以信噪比来表示这个区分能力。通过对不同中心频率信噪比的分析,可以对其做出合理标定。本文中信噪比(s/NRatio)定义为:

式中,uK为爆震信号的平均值:aK2为爆震信号的标准方差:nK为爆震信号的采样数:uB为背景信号的平均值:aB2为背景信号的标准方差:nB为背景信号的采样数。

4.3统计分析结果

本文根据1阶和2阶理论切向模式下的中心频率,分别在2400r/min、3600r/min、4800r/min和5600r/min以全负荷(w0T)和部分负荷(80kРa)采集并分析数据,结果如图6、图7所示。

结果与前一章节相似,采用2阶切向模式中心频率在全负荷和部分负荷均表现为略好于1阶。

5爆震强度的对比分析

为了检验基于加速度爆震传感器的爆震结果,需要引入一个独立的爆震参考系统。由于发动机燃烧室的压力波动可由缸压传感器直接测得,且该波动值能较好地反映爆震强度信息,故将发动机管理系统(ECU)处理的爆震结果与之对比分析。本文通过爆震云图方式来表达这个对比分析。

测试设备包括缸压传感器、ETAs-KID设备、燃烧分析仪、爆震开发电脑等。如图8所示,爆震云图中x轴为缸压传感器信号在所定义的爆震窗口内的极值,Y轴为8C9处理得到的爆震相对强度。云图分为5个区域,1:误检测区域:2:爆震临界区域:3:爆震区域:4:爆震漏检测区域:5:无爆震区域。

图9、图10为测试发动机在4000r/min全油门下,基础点火角提前59时的爆震云图结果,从结果中可以看出不同缸的爆震信噪比。由于爆震传感器距离4缸较远,故第4缸的信噪比最差。采用一阶切向模式中心频率时,1、2、4缸均有较多漏报,爆震控制无法将点火角控制在安全范围内。采用二阶切向模式中心频率时,漏报现象基本消除,爆震控制将点火角控制在安全范围内。

6结语

本文以理论分析为基础,通过快速傅里叶变换分析、统计学分析,详细讨论了燃烧爆震的共振频率和采用不同中心频率时爆震检测的信噪比,并引入缸压极值做参照进行对比分析,证明了理论分析与实际结果具有一致性,理论公式可以近似计算燃烧爆震的共振频率。基于快速傅里叶变换分析和统计学分析得到的信噪比结果与参照对比结果具有一致性,三种方式均可作为爆震匹配的有效手段。同时,采用参考对比的方法可以分析爆震控制水平,评价爆震标定结果。