CN101806240B - 一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法，它包括：一转速传感器，其采集发动机的飞轮的转速信号；一凸轮轴位置传感器，其采集发动机的凸轮轴相位；一加速度传感器，其采集发动机的振动信号；一电荷放大器，其将采集到的发动机振动信号由电荷信号转换为电压信号；一数据采集设备，其对输入的发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号进行模数转换；一上位机，其根据经模数转换后的发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号的数字信号，标定出发动机的燃烧分析窗口和燃烧特征频率带；一燃烧分析控制单元，其根据燃烧分析窗口来采集发动机的振动信号，再滤波得到燃烧特征频率带段内的发动机振动信号，之后计算出发动机的燃烧相位。本发明成本低，适合量产，并能够将燃烧相位准确检测出来，可以广泛应用在内燃机燃烧领域。

Description

一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法，特别是关于一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法。

背景技术

均质压燃是一种结合了汽油机和柴油机优势的新型燃烧方式，具有大幅提高汽油机燃油经济性，同时降低NOx排放95％以上的优势。但均质压燃发动机在产业化过程中仍然面临着着火控制困难的问题。这是由于均质压燃没有直接的着火触发装置，着火和燃烧都要受到化学动力学控制，因此在实际的产业化过程中需要对发动机进行单缸独立闭环控制，才能保证均质压燃的高效和稳定。而单缸独立闭环控制的关键在于反馈的缸内燃烧相位状况。目前，国际上发布的均质压燃产业化技术方案均采用了缸内压力传感器，利用缸内压力传感器直接测量缸内压力作为缸内燃烧相位状况的反馈信息，来有效实现闭环控制。然而，使用缸内压力传感器时需要在发动机缸盖或缸体上设置单独的通道，对发动机的结构进行一定的改造后方可使用。而且，缸内压力传感器的价格昂贵，使用寿命短，耐久性差，对多缸发动机需要每缸都分别安装缸内压力传感器，成本过高，不适合量产。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低，适合量产，并能够将燃烧相位准确检测出来的均质压燃发动机燃烧相位的检测装置及其检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于，它包括：一转速传感器，其采集发动机的飞轮的转速信号；

一凸轮轴位置传感器，其采集发动机的凸轮轴相位；一加速度传感器，其采集发动机的振动信号；一电荷放大器，其将采集到的发动机振动信号由电荷信号转换为电压信号；一数据采集设备，其对输入的所述发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号进行模数转换；一上位机，其根据经模数转换后的所述发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号的数字信号，标定出所述发动机的燃烧分析窗口和燃烧特征频率带；一燃烧分析控制单元，其根据所述燃烧分析窗口来采集所述发动机的振动信号，再滤波得到所述燃烧特征频率带段内的发动机振动信号，之后计算出发动机的燃烧相位。

所述上位机包括：一上止点标定模块，其中预设有上止点偏差，用于将所述发动机的转速信号、凸轮轴的相位和预设上止点偏差结合，标定出所述发动机的燃烧分析窗口；一燃烧频率标定模块，其中预设有燃烧特征截止频率，用于将所述预设燃烧特征截止频率和发动机振动信号结合，确定发动机的燃烧特征频率带。

所述燃烧分析控制单元内预设有：一通讯模块，其将所述数据采集设备输送的信号输出给所述上位机，并接收所述上位机中上止点标定模块反馈的发动机的燃烧分析窗口，再按照所述发动机的燃烧分析窗口采集发动机振动信号；一带通滤波模块，其接收所述上位机中燃烧频率标定模块输出的燃烧特征频率带，并对输入的所述发动机振动信号进行滤波处理，得到所述发动机燃烧特征频率带段内的发动机振动信号；一时频分析模块，其对所述发动机燃烧特征频率带段内的发动机振动信号进行时频分析，得到某一曲轴转角下的振动能量函数；一能量函数拟合模块，其对某一曲轴转角下的振动能量函数进行拟合，得到所述发动机的燃烧相位。

所述通讯模块采用TCP/IP协议，与所述数据采集设备通讯。

所述转速传感器采用磁感应式58齿曲轴位置传感器，所述凸轮轴位置传感器采用霍尔式凸轮轴位置传感器，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器和爆震传感器之一。

所述转速传感器采用磁感应式58齿曲轴位置传感器，所述凸轮轴位置传感器采用霍尔式凸轮轴位置传感器，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器和爆震传感器之一。

一种均质压燃发动机燃烧相位的检测方法，它包括以下步骤：1)利用所述均质压燃发动机燃烧相位的检测装置中转速传感器和凸轮轴位置传感器采集发动机的转速信号和凸轮轴位置信号，以及上位机中预设的发动机的上止点偏差，由上位机在燃烧分析控制单元中标定出发动机的上止点的位置，得到发动机燃烧分析窗口；同时利用上位机中预设的发动机的燃烧特征截止频率，以及加速度传感器采集到的振动信息，得到发动机的燃烧特征频率带；2)数据采集：依据步骤1)中标定出的发动机燃烧分析窗口，由燃烧分析控制单元的通讯模块采集发动机燃烧分析窗口内的发动机的振动信号并输入带通滤波模块；3)滤波：依据步骤1)中标定出的燃烧特征频率带，带通滤波模块对步骤2)中采集到的发动机振动信号进行滤波处理，得到发动机的燃烧特征频率带段内的振动信号，并将经过滤波后的振动信号输送入时频分析模块；4)时频分析：时频分析模块对步骤3)得到的燃烧特征频率带段内振动信号进行分析，计算出任意曲轴转角对应的振动能量和频率，积分燃烧特征频段内的幅值，得到振动能量函数并输入能量函数拟合模块；5)燃烧相位提取：能量函数拟合模块对步骤4)得出的振动能量函数进行拟合，检测出燃烧相位信息，完成一次燃烧相位检测，返回步骤2)，进入下一次燃烧相位检测。

所述步骤4)中的时频分析方法为Wigner-Ville时频分析方法。

所述步骤5)中的能量函数拟合采用单韦伯函数对振动能量函数进行拟合。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明设置的转速传感器采集的发动机飞轮的转速信号，凸轮轴位置传感器采集的所述发动机的凸轮轴相位，加速度传感器采集发动机的振动信号，均依次通过数据采集设备、燃烧分析控制单元采集设备输送给上位机，再由上位机标定出输送给燃烧分析控制单元的发动机的燃烧分析窗口和燃烧特征频率带，之后燃烧分析控制单元根据燃烧分析窗口来采集发动机的振动信号，再滤波得到燃烧特征频率带段内的发动机振动信号，最后根据燃烧特征频率带段内的发动机振动信号，计算出发动机的燃烧相位，而无需对发动机进行改造，便于在现有发动机基础上进行推广。2、由于本发明的上位机内预设有标定发动机的燃烧分析窗口用的上止点标定模块，还预设有标定发动机的燃烧特征频率带的燃烧频率标定模块，而且上止点标定模块和燃烧频率标定模块可以根据发动机特征进行参数设定，适用范围广。3、由于本发明的通讯模块为TCP/IP协议，可以实现在线标定。4、由于本发明的转速传感器采用磁感应式58齿曲轴位置传感器，凸轮轴位置传感器采用霍尔式凸轮轴位置传感器，加速度传感器采用压电式加速度传感器和爆震传感器之一，因此设备成本低。5、由于本发明采用了Wigner-Ville时频分析方法对发动机的振动信息进行时频分析，该分析方法对发动机振动信号进行处理时，具有较高的时域和频域分辨率，有利于燃烧相位的准确获得。6、由于本发明采用了单韦伯函数对能量函数进行拟合，单韦伯函数的形态是汽油机放热率曲线，可以更为直接方便地提取出燃烧相位信息。本发明成本低，适合量产，并能够将燃烧相位准确检测出来，可以广泛应用在内燃机燃烧领域。

附图说明

图1是本发明装置的方框图

图2是本发明装置中上位机和燃烧分析控制单元的连接方框图

图3是本发明方法的流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括一转速传感器1、一凸轮轴位置传感器2、一加速度传感器3、一电荷放大器4、一数据采集设备5、一上位机6和一燃烧分析控制单元7。转速传感器1和凸轮轴位置传感器2分别采集发动机8上飞轮转速信号、凸轮轴的相位信号，输送给数据采集设备5；同时加速度传感器3采集发动机8上的振动信号，该振动信号为电荷信号，输送给电荷放大器4；电荷放大器4将加速度传感器采集的转换为电压信号，输送给数据采集设备5。数据采集设备5将输入的各信号进行模数转换，通过燃烧分析控制单元7输送给上位机6。上位机6标定出输送给燃烧分析控制单元7的发动机燃烧分析窗口和燃烧特征频率带。燃烧分析控制单元7根据燃烧分析窗口来采集发动机8的振动信号，再滤波得到燃烧特征频率带段内的发动机8的振动信号，之后计算出发动机8的燃烧相位。本实施例中，发动机8以四缸均质压燃发动机为例。

本发明的转速传感器1设置在发动机8的飞轮上，采集飞轮的转速信号，本实施例中的转速传感器1采用磁感应式58齿曲轴位置传感器。凸轮轴位置传感器2设置在发动机8的凸轮轴信号轮侧，采集凸轮轴的相位信号，本实施例中的凸轮轴位置传感器2采用霍尔式凸轮轴位置传感器。加速度传感器3设置在发动机8的缸体或缸盖上，采集发动机8的振动信号，本实施例中的加速度传感器3采用压电式加速度传感器或者爆震传感器。电荷放大器4具有将电荷信号转换为电压信号的功能。数据采集设备5为一数据采集卡，具有模数转换的功能，数据采集设备5采用16位MCU(Micro Controller Unit)(MSP430)的数据采集卡制成。

如图1、图2所示，上位机6内预设有上止点标定模块61和燃烧频率标定模块62，上止点标定模块61预设有发动机8的上止点偏差，燃烧频率标定模块62预设有发动机8的燃烧特征截止频率。通过上止点偏差可以标定出发动机8的上止点位置，通过燃烧特征截止频率可以标定出燃烧特征频率带。不同的发动机8具有不同的上止点偏差和燃烧特征截止频率，本实施例中预设的上止点偏差和燃烧特征截止频率与四缸均质压燃发动机相对应。燃烧分析控制单元7接收数据采集设备5输入的各种数字信号，并将发动机8的转速信号和凸轮轴的相位输送给上止点标定模块61，同时将发动机8的振动信号输送给燃烧频率标定模块62。上止点标定模块61利用发动机8的转速信号和凸轮轴的相位，并结合设定的上止点偏差，标定出发动机8的上止点，由此确定出发动机8的燃烧分析窗口。该燃烧分析窗口根据不同的燃烧模式进行预设，对于本发明的均质压燃的燃烧方式，燃烧持续期在20度曲轴转角以内，因此，选取上止点前10度到上止点后20度曲轴转角范围作为发动机8的燃烧分析窗口。燃烧频率标定模块62结合燃烧特征截止频率和发动机的振动信号，确定发动机8的燃烧特征频率带。对于四缸均质压燃发动机，燃烧振动频率在3000HZ以内。

本发明的燃烧分析控制单元7采用一Motorola 32位单片机M68300制成，其内预设有通讯模块71、带通滤波模块72、时频分析模块73和能量函数拟合模块74。通讯模块71采用TCP/IP协议与数据采集设备5通讯，由此便于上位机6的在线标定。通讯模块71将数据采集设备5输送的信号输出给上位机6，并接收到上位机6反馈的发动机8的燃烧分析窗口，并按照燃烧分析窗口采集输送给带通滤波模块72的发动机振动信号。带通滤波模块72也接收上位机6中燃烧频率标定模块62输出的燃烧特征频率带，并对输入的发动机振动信号进行滤波处理，得到发动机8的燃烧特征频率带段内的振动信号，并输送给时频分析模块73。时频分析模块73利用Wigner-Ville时频分析方法对滤波后的振动信号进行时频分析，得到某一曲轴转角对应的频率分布，将各频率段内的幅值进行积分可以得到某一曲轴转角下的振动能量函数。能量函数拟合模块74利用单韦伯函数对能量函数进行拟合，得到燃烧始点、中点、持续期等各燃烧相位信息。

时频分析模块73根据得到的振动信号计算出发动机任意曲轴转角对应的振动能量和频率的计算公式为本领域的公知技术，本实施例所采用的公式为：

$W_x(t,f)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}x(t+\mathrm{\τ}/2)x^{*}(t-\mathrm{\τ}/2)e^{-j2\mathrm{\π\τ}}\mathrm{d\τ}$

式中，x(t)是滤波后的燃烧特征频率带段内的振动信号，W_x(t，f)是x(t)信号在时刻t、频率f上的能量分布密度，τ为计算的时间步长，x^*为信号x的共轭复数形式。

本发明的燃烧分析控制单元7通过CAN总线与发动机控制单元9进行信息交互，发动机控制单元9根据燃烧分析控制单元7计算出的燃烧相位信息，来反馈控制发动机8的喷油策略(比如：调整预喷油量和主喷油量的比例)，进一步调整发动机8的燃烧相位，形成燃烧相位的闭环控制。

实验证明，采用本发明的装置和方法检测的燃烧始点误差在1度曲轴转角以内，具有较好的可靠性。

如图3所示，利用上述装置检测均质压燃发动机燃烧相位的方法包括以下步骤：

1)标定燃烧分析控制单元：利用检测装置中的转速传感器和凸轮轴位置传感器采集发动机的转速信号和凸轮轴位置信号，以及上位机6中预设的发动机8的上止点偏差，由上位机6在燃烧分析控制单元7中标定出发动机8的上止点的位置，得到发动机燃烧分析窗口；同时利用上位机6中预设的发动机8的燃烧特征截止频率，以及加速度传感器采集到的振动信息，得到发动机的燃烧特征频率带。

2)数据采集：依据步骤1)中标定出的发动机燃烧分析窗口，由燃烧分析控制单元7的通讯模块71采集发动机燃烧分析窗口内的发动机的振动信号并输入带通滤波模块72。

3)滤波：依据步骤1)中标定出的燃烧特征频率带，带通滤波模块72对步骤2)中采集到的发动机振动信号进行滤波处理，得到发动机的燃烧特征频率带段内的振动信号，并将经过滤波后的振动信号输送入时频分析模块73。

4)时频分析：时频分析模块73利用Wigner-Ville时频分析方法对步骤3)得到的燃烧特征频率带段内振动信号进行分析，计算出任意曲轴转角对应的振动能量和频率，积分燃烧特征频段内的幅值，得到某一曲轴转角下的振动能量函数并输入能量函数拟合模块74。

5)燃烧相位提取：能量函数拟合模块74利用单韦伯函数对能量函数对步骤4)得出的振动能量函数进行拟合，提取出燃烧始点、中点、持续期等各燃烧相位信息，完成一次燃烧相位检测，之后再返回步骤2)，进入下一次燃烧相位检测过程。

Claims (9)

1.一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于，它包括：

一转速传感器，其采集发动机的飞轮的转速信号；

一凸轮轴位置传感器，其采集发动机的凸轮轴相位；

一加速度传感器，其采集发动机的振动信号；

一电荷放大器，其将采集到的发动机振动信号由电荷信号转换为电压信号；

一数据采集设备，其对输入的所述发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号进行模数转换；

一上位机，其根据经模数转换后的所述发动机的飞轮转速信号、凸轮轴相位和振动信号的数字信号，以标定出所述发动机的燃烧分析窗口和燃烧特征频率带；

一燃烧分析控制单元，其根据所述燃烧分析窗口来采集所述发动机的振动信号，再滤波得到所述燃烧特征频率带段内的发动机振动信号，之后计算出发动机的燃烧相位。

2.如权利要求1所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于：所述上位机包括：

一上止点标定模块，其中预设有上止点偏差，用于将所述发动机的转速信号、凸轮轴的相位和预设上止点偏差结合，标定出所述发动机的燃烧分析窗口；

一燃烧频率标定模块，其中预设有燃烧特征截止频率，用于将所述预设燃烧特征截止频率和发动机振动信号结合，以确定发动机的燃烧特征频率带。

3.如权利要求1或2所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于：所述燃烧分析控制单元内预设有：

一通讯模块，其将所述数据采集设备输送的信号输出给所述上位机，并接收所述上位机中上止点标定模块反馈的发动机的燃烧分析窗口，再按照所述发动机的燃烧分析窗口采集发动机振动信号；

一带通滤波模块，其接收所述上位机中燃烧频率标定模块输出的燃烧特征频率带，并对输入的所述发动机振动信号进行滤波处理，得到所述发动机燃烧特征频率带段内的发动机振动信号；

一时频分析模块，其对所述发动机燃烧特征频率带段内的发动机振动信号进行时频分析，得到某一曲轴转角下的振动能量函数；

一能量函数拟合模块，其对某一曲轴转角下的振动能量函数进行拟合，得到所述发动机的燃烧相位。

4.如权利要求3所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于：所述通讯模块采用TCP/IP协议与所述数据采集设备通讯。

5.如权利要求1或2或4所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于：所述转速传感器采用磁感应式58齿曲轴位置传感器，所述凸轮轴位置传感器采用霍尔式凸轮轴位置传感器，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器和爆震传感器之一。

6.如权利要求3所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测装置，其特征在于：所述转速传感器采用磁感应式58齿曲轴位置传感器，所述凸轮轴位置传感器采用霍尔式凸轮轴位置传感器，所述加速度传感器采用压电式加速度传感器和爆震传感器之一。

7.一种使用如权利要求1～6中任一项所述装置的均质压燃发动机燃烧相位的检测方法，它包括以下步骤：

1)利用所述均质压燃发动机燃烧相位的检测装置中转速传感器和凸轮轴位置传感器采集到的发动机的转速信号和凸轮轴位置信号，以及结合上位机中预设的发动机的上止点偏差，由上位机在燃烧分析控制单元中标定出发动机的上止点的位置，得到发动机燃烧分析窗口；同时利用上位机中预设的发动机的燃烧特征截止频率，以及加速度传感器采集到的振动信息，得到发动机的燃烧特征频率带；

2)数据采集：依据步骤1)中标定出的发动机燃烧分析窗口，由燃烧分析控制单元的通讯模块采集发动机燃烧分析窗口内的发动机的振动信号并输入带通滤波模块；

3)滤波：依据步骤1)中标定出的燃烧特征频率带，带通滤波模块对步骤2)中采集到的发动机振动信号进行滤波处理，得到发动机的燃烧特征频率带段内的振动信号，并将经过滤波后的振动信号输送入时频分析模块；

4)时频分析：时频分析模块对步骤3)得到的燃烧特征频率带段内振动信号进行分析，计算出任意曲轴转角对应的振动能量和频率，积分燃烧特征频段内的幅值，得到振动能量函数并输入能量函数拟合模块；

5)燃烧相位提取：能量函数拟合模块对步骤4)得出的振动能量函数进行拟合，检测出燃烧相位信息，完成一次燃烧相位检测，返回步骤2)，进入下一次燃烧相位检测。

8.如权利要求7所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测方法，其特征在于：所述步骤4)中的时频分析方法为Wigner-Ville时频分析方法。

9.如权利要求7所述的一种均质压燃发动机燃烧相位的检测方法，其特征在于：所述步骤5)中的能量函数拟合采用单韦伯函数对振动能量函数进行拟合。

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