天然气发动机爆震检测及控制方法研究.pdf

第4期(总第19 2 期)2023 年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.009天然气发动机爆震检测及控制方法研究周树艳1-2,龚笑舞1-2,赵曼泓1-2,陆运佳1-2,周奇12,杨琛1.2（1.中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡2 140 6 3;2.一汽解放商开院动力总成前瞻技术研究部，江苏无锡2 140 6 3）摘要：天然气发动机爆震问题严重影响发动机的稳定性和安全性。爆震控制是天然气发动机控制系统的核心模块，相比柴油机控制系统，可参考经验非常少。相关的仿真结果显示高精度爆震控制能有效提升整机热效率；而天然气自主控制系统开发中缺乏爆震控制模块的技术，且后期台架性能试验中不具备自主标定爆震控制的能力，寻求供应商标定服务技术支持费用昂贵。综合种种因素，天然气发动机爆震控制技术研究显得非常有必要。对比分析了不同爆震信号的检测方式，爆震信号的处理、判断以及爆震控制的逻辑，简要阐述了爆震标定的流程。关键词：爆震控制；爆震标定；爆震信号中图分类号：TK434.6Research on Knock Detection and Control Methods of Natural Gas EngineZHOU Shuyane,.CONG Xiaowu,ZHAO Minlhong,U Yunjia,ZHOU Ore YANG Chen.(1.FAW Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute,Wuxi 214063,China;2.Powertrain Advanced Technology Research Department,FAW Jiefang Commercial Vehicle Development Institute,Wuxi 214063,China)Abstract:The knock of natural gas engines seriously affects the stability and safety of the engine.Knock control is the core module ofnatural gas engine control systems,and compared to diesel engine control systems,there is very little reference experience.The rele-vant simulation results show that high-precision knock control can effectively improve the overall thermal efficiency of the engine.Thereis a lack of technology for knock control modules in the development of natural gas autonomous control systems,and in the later stageof bench performance tests,there is no ability to independently calibrate knock control.Additionally,the cost of providing customizedservice technical support is expensive.Considering various factors,it is necessary to study the knock control technology of natural gasengines.It compares and analyzes the detection methods of dfferent knock signals,the processing and judgment of knock signals,thelogic of knock control,and briefly explains the process of knock calibration.Key words:knock control;knock calibration;knock signals文献标志码：A文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 38-0 5引言爆震是发动机的一种异常燃烧现象 。简单来说，当发动机气缸内的压力和温度升高时，混合气体非正常点火爆燃，导致发动机剧烈振动，这种现象叫做爆震。从专业上讲，发动机吸入燃料和空气的混合气,压缩冲程活塞没有到达设计的点火位置，而是各种控制之外的因素（如高温或高压)导致混合气自行燃烧。此时燃烧产生的巨大冲击力与活塞运动方向相反，引起发动机振动。爆震现象，通常表现为发动机内各种不规则的金属敲击声，比如当当、喔喔、咔，还有可能引起发动机晃动，甚至车身明显晃动。爆震的主要危害有发动机排放恶化、动力下降、噪音增大、油（气)耗增加、车辆舒适性变差等。严重时还会造成发动机敲缸、发动机熄火、发动机机械零件损坏2 。引起爆震的主要原因有：燃油清洁度不足；点火角过大；发动机温度过高；发动机燃烧室积碳过多；空燃比不正确；燃料的辛烷值太低3*收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 3作者简介：周树艳（19 8 1一），女，江苏连云港人，高级工程师，目前主要从事电控共轨系统的研发工作。2023年第4期1爆震产生的原理在正常的燃烧中，燃烧唯一的来源是定时的火花，火焰的前锋完全横穿燃烧室，且火焰传播是相对均匀一致的。若不满足上述条件的为异常燃烧，包括火焰不能完全消耗混合气（部分燃烧和失火），火焰前锋点火比火花塞点火提前或滞后，如在燃烧室的过热点，部分或全部混合气以极高的速率燃烧，则产生爆震。在爆震情况下，因为末端混合气中所含化学能的快速释放，燃烧过程是不正常的。图1各种燃烧情况缸压曲线中，1号曲线为早燃，2 号曲线为爆震燃烧,3号曲线为正常燃烧，4号曲线为延迟燃烧（会导致缸压低和排温的升高）。缸压周树艳，等：天然气发动机爆震检测及控制方法研究39器的原始信号,2 条竖线之间为爆震窗口。其中1缸有爆震，2 缸和3缸没有爆震。图2 d中上半部分是经高通滤波后的缸压传感器信号，下半部分是用爆震传感器测得的爆震原始信号。从图中可以看出，当有爆震产生时,用缸压传感器或者爆震传感器都能检测到异常振动信号。a独立式缸压传感器4b集成式缸压传感器曲轴转角图1各种燃烧情况缸压曲线爆震产生的原因跟发动机本体的设计也有关系，包括燃烧室设计（缸径、行程、压缩比、形状、挤流比等）、火花塞位置、涡流比。另外，在发动机运行期间，发动机的运行参数（进气温度、缸壁温度（水温）、进气压力、点火角、燃料质量分数、辛烷值、发动机转速等)也会导致爆震的产生。轻微的爆震有利于发动机热效率的提升，强烈爆震会造成各种危害。因此,对于爆震,既要抑制又要利用42爆震信号的检测爆震信号的检测方式主要有3种，即缸压传感器检测、爆震传感器检测和离子电流检测。2.1缸压传感器检测发动机产生爆震时，缸内压力会急剧升高,并产生高频、大幅的波动，使用缸压传感器检测缸压信号的变化是最直接的爆震检测手段。缸压传感器有独立式和集成式2 种，如图2 a、图2 b所示,独立式缸压传感器需要在缸盖上打爆压孔进行安装；集成式的缸压传感器上面带有火花塞，不需要另外在缸盖上打爆压孔。图2 c中的3条曲线为3个缸压传感109F8F76F543F北-100102030元40506070 80曲轴转角/）c缸压信号6F田审42020-10010203040506070803F20-1-20-10010203040506070 80曲轴转角/）d处理后的爆震信号图2 缸压传感器2.2爆震传感器检测发动机产生爆震时，缸体传导由爆震产生的异常振动,该振动被控制系统识别后,可以用于判断是否发生爆震。爆震传感器的工作原理：当发动机发1缸、2工3缸12缸3缸1缸2缸3缸1缸一工工40生振动或者敲缸时,压电陶瓷产生1个电压峰值,振动或者敲缸越严重，产生的峰值就越大。发动机控制器(ECU)对接收到的爆震传感器的信号进行处理，如果判断爆震发生，就会推迟点火时刻，阻止发动机继续产生爆震。发动机控制器没有接收到爆震传感器的信号时，则提前点火时刻，保证输出发动机的最佳功率。因此,采用爆震传感器的目的是提高发动机动力性能的同时不产生爆震。图3a为爆震传感器实物图，该爆震传感器为无源传感器；图3b为爆震传感器的工作原理图；图3c为爆震传感器的内部结构图,图中1为锁紧螺母,2 为配重块,3为绝缘垫片,4为电极插片,5为压电陶瓷,6 为电极插片，7 为绝缘垫片，8 为底座，9 为外壳。图3d为爆R00G:0T2a爆震传感器振动作用力+极化方向1+b爆震传感器工作原理图123456爆震传感器的内部结构图504540352015F10F5F66现代车用动力震传感器特性曲线图。常见的爆震传感器的工作温度范围是40 130，半导体一般无法在较高的温度下工作。极间电阻/电容仅影响ECU硬件电路的匹配。爆震传感器的灵敏度单位为mV,即为不同振动频率下，每检测到1g(g=9.8m/s)振动加速度传感器输出电压值，如图3d所示。2.3离子电流检测发动机燃烧做功期间，燃烧室产生大量的电离子,发动机燃烧状态的变化会导致离子电流的强弱发生变化,因此可以通过检测离子电流信号来判断发动机缸内燃烧状况。相比缸压传感器的闭环控制方法,基于缸内离子电流的检测技术具有结构简单、成本低等优势，而且已经在发动机失火、爆震等燃烧诊断方面取得了显著成果,受到了行业越来越广泛的关注。图4a为电容充电状态，在火花塞放电点火时刻,次级线圈产生几十千伏的高压，通过二极管D2形成环路给电容C充电，在发动机燃烧阶段燃烧室产生大量电离子，次级线圈放电结束后，即完成给电容C的充电。接着C放电，图4b为电容放电状态,通过二极管D,以及电阻R,R形成环路,驱动电离子定向移动产生离子电流信号,其中R1,R,回+路可以进行离子电流信号的采样。-T火花塞78上限值平均值下限值老化值810d爆震传感器特性曲线图3爆震传感器2023年第4期T电源正端SWD离子电流信号Ra电容充电T,9电源正端SW火花塞Db电容放电1214频率/kHzRR离子电流信号H16182022图4电容充放电电路上面所述的3种检测方式各有优缺点,对比分2023年第4期析结果如表1所示。表1不同爆震信号检测方式对比序号检测方式信号输出形式1缸压传感器2爆震传感器3离子电流优点直接准确传感器成本低、无源器件、可靠性高不需要额外的传感器，可直接需要特殊的点火线圈和硬件处分析燃烧情况周树艳，等：天然气发动机爆震检测及控制方法研究检测原理压力缸内压力的剧烈变化电压缸体的异常振动电流气体电离产生电离子缺点传感器成本高、易损坏，信号只进入台架信号处理、控制及标定难度高理电路，且标定开发难度高413.2控制器爆震信号处理爆震标定试验中，信号可以在软件INCA或者燃烧分析仪Indicom中同步，如图6 所示。爆震原始爆震标定信号用控制器缸压传感器信号爆震强度监测设备aINCA同步示意图爆震原始信号控制器缸压传感器信号b Indicom同步示意图图6 信号同步示意图信号转换模块INCAIndicom3火爆震信号处理3.1爆震原始信号的处理爆震传感器检测到的爆震原始信号通常需要经过滤波、放大、整形、积分这几个步骤处理。爆震原始信号的电压值很小,为毫伏级电压,且信号非常敏感，因此需要滤波和放大处理；爆震信号为差分信号，值有正有负，因此需对信号进行整形,最后将整形后的信号进行积分。积分区间即爆震采样窗口，是一个用爆震开始时对应的曲轴转角减去爆震结束时对应曲轴转角的动态变化的窗口。爆震传感器的原始信号是时域信号，需要经过快速傅里叶变换成频域信号5。图5a是爆震时域信号，图5b是爆震频域信号。0.50.0-0.500.103.2.1在INCA 中同步某些系统供应商采用INCA作为同步数据采集和绘制爆震云图的工具。爆震传感器原始信号进入控制器,再通过信号转换模块进入INCA；缸压传感器信号进人爆震强度监测设备，然后通过通用测量与标定协议（XCP）进入INCA,2路信号在INCA中进行同步并生成爆震云图。3.2.2在Indicom 中同步如图6 b所示，爆震原始信号首先执行操作进人燃烧分析仪，进行窗口标定和爆震中心频率标定。然后执行操作进人控制器，经过滤波、放大、整形、积分后，再由控制器传递给燃烧分析仪。同时传递的还有爆震控制模块相关的参数变量，例如爆震阈值、爆震推角值和逻辑缸号等。爆震标定有4个值：爆震中心频率、爆震窗口、爆震阈值和点火角。缸压传感器信号则直接接人燃烧分析仪。在燃烧分析仪中进行信号同步并由专门的模块生成爆震云图。不管采用哪种信号同步方式，在爆震标定开始前，都需完成如下准备工作：发动机基础标定；发动机爆震信号质量预评估；缸压传感器信号测12时间/msa爆震时域信号3量设备连接和配置；控制器输出信号配置。4爆震判断审0.050.000.0当爆震积分值大于爆震阈值时，则判断有爆震发生。其中,爆震阈值的标定需要结合发动机的性能来确定。爆震根据强度大小分为轻微爆震、中度爆震和重度爆震。不同等级的爆震采取的措施也有0.10.2时间/msb爆震频域信号图5爆震信号0.3所差异6 。目前主流控制系统供应商和技术服务商均使用基于信号同步的爆震云图评估爆震检测技术,如图7 所示。426爆震误检临界状态54域值线一32无爆震临界状态8.0.1爆震云图采集同一缸同一循环的缸压信号以及爆震传感器信号，在同一张图中进行比较。图7 中，横坐标轴表示燃烧分析仪基于缸压传感器信号计算的爆震强度,纵坐标轴表示ECU基于爆震传感器信号计算的爆震积分值。划分爆震云图区域的2 条阈值线中,纵坐标轴方向的阈值线代表根据燃烧分析仪基于缸压传感器信号计算的爆震强度划分是否为严重爆震的阈值。横坐标轴方向阈值线代表根据ECU基于爆震传感器信号计算的爆震积分值划分是否为严重爆震的阈值。爆震云图评价的参数为：正确检测比率、错误检测比率和漏检比率。5爆震控制当检测到有爆震信号发生时，需要进行控制调节。ECU根据水温、发动机转速和负荷以及发动机现代车用动力是否起动结束计算爆震控制的使能条件，并根据发动机转速以及发动机是否发生爆震计算点火角推迟时间6 。当爆震发生时，点火角推迟可以抑制爆震；当爆震消除后，点火角慢慢恢复为正常角度。强烈爆震爆震漏检0.20.30.4,0.50.6缸压/MPa图7 爆震云图来稿须知2023年第4期6结束语0.70.80.91.0本文介绍了发动机爆震产生的原理，爆震信号的检测、处理、判断方法以及爆震控制逻辑，为后期点燃式气体发动机自主电控系统开发研究提供相应支撑。参考文献：1孙久岭.天然气发动机爆震燃烧特性及识别算法研究D.北京：北京交通大学,2 0 2 2.2刘博,吴越,吴,等.预燃室通道直径和形状对低速天然气双燃料发动机爆震的影响J.内燃机工程,2 0 2 3，44(1):76-83.3王凡.天然气发动机爆震特性仿真研究D.北京：北京交通大学,2 0 2 2.4吴华堂.船用天然气发动机爆震检测与控制技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2 0 2 2.5金露平.关于汽油发动机爆震分析J.内燃机与配件，2019(2):113-115.6魏远飞,郭伟,侯邦明.某汽油发动机爆震问题分析与解决J.汽车实用技术，2 0 19（8）：130-132.1、文章应具有科学性、先进性和实用性，论点鲜明、论据充分、数据可靠、逻辑严谨、文字流畅。所涉及的技术内容、试验数据文责自负。2、论文严禁涉及国家机密、工作秘密和商业秘密等内容，涉密自负。3、本刊已被中国学术期刊（光盘版）、中国学术期刊综合评价数据库、中国核心期刊（选）数据库、万方数据一一数字化期刊、中国报刊订阅指南信息库收录。向本刊投稿被录用的稿件,将一律由编辑部统一纳人上述数据库。凡有不同意者,请另投他刊。本刊所付稿酬包含刊物内容的上网服务报酬，不再另付。4、本刊与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社主办的“中国知网”（）合作，作者许可该社在全球范围内使用该文的信息网络传播权、数字化复制权、数字化汇编权、发行权、翻译权。有不同意者，请另投他刊。5、请勿一稿多投。联系方式：地址：无锡市钱荣路15号中国一汽无锡油泵油嘴研究所电话:[phone]联系人：袁竹林沈骐骥邮编:2 140 6 3E-mail：y u a n z l f a w d e.c o m.c n(主题请注明投稿)