CN103424262A - Hcci发动机缸内nox检测与标定试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，利用离子电流准确反映缸内燃烧状态的特点，检测各循环离子电流的信号强度，将离子电流信号经信号输出处理模块转变为离子电流特征信号，反馈至离子电流-NOX特征信号转换模块，结合实测NOX排放特征信号，将离子电流特征信号转变为预测NOX排放特征信号，并记录相应的离子电流信号处理参数，达到NOX排放标定的目的。同时，离子电流技术结合其标定参数也可在实车或发动机中作为NOX排放检测手段应用。本发明的优点是实现了缸内NOX产量检测，成本低，响应速度快，可适应HCCI发动机工作过程中对瞬态工况的判断和检测。
Description
技术领域
本发明涉及发动机缸内燃烧分析、排放检测与标定，属燃烧学与发动机性能标定研究领域范畴，特别涉及一种HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统。
背景技术
HCCI发动机是以往复活塞式汽油机为基础的一种新型燃烧模式，其向气缸里面注入混合非常均匀的空气和燃料混合气，通过活塞压缩混合气使之温度升高至一定程度自行燃烧的方式来做功。
传统发动机NOX排放检测手段成本高，响应速度慢，无法在发动机缸内进行瞬态NOX产量检测。
发明内容
本发明基于离子电流理论在发动机领域的应用，基于燃料燃烧过程中的基本电离反应，通过特定电场使电离离子形成移动，从而检测到相应的离子电流信号。将传统点燃式发动机中的火花塞接入离子电流采集电路，并配以相应的高压隔离装置，信号采集装置与信号处理装置，安装在HCCI发动机动力系统中。
本发明所要解决的技术问题是要提供一种能够实现了发动机瞬态NOX排放检测的HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统。
为了解决以上的技术问题，本发明提出一种HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，主要包括：偏置电压电源、离子电流采集电路、高压隔离硅堆、可调分压电阻、载流电阻、信号输出处理模块、离子电流-NOX特征信号转换模块、后处理系统传统NOX流量传感器、电子控制单元。一偏置电压电源加载于发动机火花塞两极板之间，负极板与高压隔离电路和及电容连接，高压隔离电路又与一可调分压电阻一端连接，可调分压电阻的另一端与载流电阻连接，载流电阻的两端电压与信号输出处理模块连接，信号输出处理模块与离子电流-NOX特征信号转换模块连接，离子电流-NOX特征信号转换模块又与电子控制单元、后处理系统传统NOX流量传感器连接，采集发动机缸内离子电流信号，将该电流信号转换成电压信号，经信号输出处理模块滤波和最值提取处理，得到离子电流特征信号，输入至离子电流-NOX特征信号转换模块，经翻转、放大和平移转换成预测NOX排放特征信号，实现对该工况下NOX排放的标定，其离子电流信号处理参数作为该工况下NOX排放的标定数据，用于基于离子电流技术的实车或发动机的NOX排放检测。
所述离子电流信号处理参数为滤波截止频率、放大系数和平移系数。
所述偏置电压电源采用车载12V直流电源。
所述高压隔离电路为高压硅堆和高压电阻并联电路。
所述高压硅堆为硅堆型号2CL2FK，反向击穿电压为40kV，将其与10M高压电阻并联，防止点火系统点火线圈放电瞬间所产生的高压损害离子电流检测电路。
电压电源加载于发动机火花塞两极板间，提供燃烧离子产物定向移动的电场。当发动机运行到压缩冲程上止点附近，缸内燃烧激发大量的自由离子，火花塞两极板间的离子在偏置电压的作用下产生定向移动，从而在回路中形成电流。高压隔离硅堆用于隔离SI点火过程可能对离子电流电路产生的电压冲击。载流电阻将较微弱的离子电流信号放大成电压信号，输入到信号输出处理模块。该模块对采集到的电压信号，即离子电流原始信号进行低通滤波与最值提取处理，得到离子电流特征信号。离子电流-NOX信号转换模块将离子电流特征信号与实测NOX排放特征信号进行比对，通过翻转、放大、平移操作将离子电流特征信号转变为预测NOX排放特征信号。在标定试验中，若预测NOX信号与实测NOX排放特征信号满足一定的相关性要求，其离子电流信号处理参数，滤波截止频率、放大系数、平移系数即将作为该工况下NOX排放的标定数据，保存在电子控制单元中，用于基于离子电流技术的实车或发动机的NOX排放检测；若未达到相应相关性要求，则可调整分压及信号处理参数重新进行标定。
本发明的优越功效在于：
1.利用离子电流信号及简易的离子电流信号采集装置，实现了缸内NOX产量检测，成本低，响应速度快，可适应HCCI发动机工作过程中对瞬态工况的判断和检测；
2．偏置电压电源采用车载12V直流电源，分压电阻采用DC调压模块，阻值可调，从而满足产生的不同大小离子电流的电压转换需求；
3．高压隔离装置由高压硅堆和高压电阻组成，硅堆型号2CL2FK，反向击穿电压为40kV，将其与10M高压电阻并联，可防止点火系统点火线圈放电瞬间所产生的高压损害离子电流检测电路；
4．基于离子电流特征信号，结合实测NOX排放特征信号，通过信号处理手段得到预测NOX排放特征信号，实现对发动机不同工况下NOX排放特性的标定；对于特定发动机，该标定数据可用于实车NOX排放检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明采集的离子电流原始信号图；
图4为本发明的离子电流特征信号图；
图5为图4经翻转得到的正值信号图；
图6为图5经放大得到的信号图；
图7为图6经平移后得到的离子电流特征信号图；
图中标号说明
1-发动机点火模块； 2-陶瓷电容；
3-发动机火花塞； 4-高压隔离电阻；
5-高压隔离硅堆； 6-DC调压模块；
7-载流电阻； 8-离子电流偏置电压电源；
9-信号输出处理模块； 10-离子电流-NOX信号转换模块
11-后处理系统NOX排放传感器； 12-电子控制单元。
具体实例说明
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
本实施例的发动机为改造的常通牌CT295柴油机两缸柴油发动机，其中一缸采用HCCI燃烧模式，另一缸不工作。使用的燃料为汽油乙醇混掺燃料，乙醇体积分数为30%，进气温度为280℃。
发动机冷机启动时，切换至SI模式使发动机正常启动。当发动机运转到给定HCCI模式起始工况时，切换至HCCI燃烧模式，火花塞3不再点火，用于离子电流检测。图3为采集到的离子电流原始信号（20个循环），可以看到，当发动机运行至压缩冲程上止点时，离子电流信号有明显增幅，由于采集到的离子电流电压信号为负值，其增幅朝向纵轴负方向，由于缸内各循环燃烧有所差异，其循环内离子电流峰值也有所差异；该原始信号进入信号输出处理模块，首先通过截止频率4kHz的低通滤波，将原始信号集中在-1V左右的高频干扰消除，后经过最值提取得到各循环离子电流信号峰值，组成离子电流特征信号，即为图4所示。该特征信号继续输入到离子电流-NOX信号转换模块，首先翻转得到正值信号，如图5-所示；分别计算离子电流特征信号、实测NOX排放特征信号的数据最大差值，以其比值为离子电流特征信号放大系数，该例中为0.1529，则离子电流特征信号放大0.1529倍，得到图6的离子电流特征信号；继续分别计算离子电流特征信号、NOX排放特征信号的均值，以其均值差为离子电流信号平移系数，该例中为0.6429（单位：V），则离子电流特征信号平移0.6429V。经过翻转、放大、平移操作，离子电流特征信号最终转变为预测NOX排放特征信号，如图7的离子电流特征信号所示。经计算，实测与预测NOX排放特征信号间的相关性系数为0.9327，满足大于0.9的标定要求。则截止频率4kHz、放大系数0.1529，平移系数0.6429即将作为该工况下NOX排放的标定数据，将用于基于离子电流的实车或发动机的NOX排放检测。实车应用时，若发动机在该工况下运转，其离子电流信号可参考以上的标定数据参数，直接得到相应的预测NOX排放特征信号。
Claims (5)
1.一种HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，其特征在于：一偏置电压电源加载于发动机火花塞两极板之间，负极板与高压隔离电路和及电容连接，高压隔离电路又与一可调分压电阻一端连接，可调分压电阻的另一端与载流电阻连接，载流电阻的两端电压与信号输出处理模块连接，信号输出处理模块与离子电流-NOX特征信号转换模块连接，离子电流-NOX特征信号转换模块又与电子控制单元、后处理系统传统NOX流量传感器连接，采集发动机缸内离子电流信号，将该电流信号转换成电压信号，经信号输出处理模块滤波和最值提取处理，得到离子电流特征信号，输入至离子电流-NOX特征信号转换模块，经翻转、放大和平移转换成预测NOX排放特征信号，实现对该工况下NOX排放的标定，其离子电流信号处理参数作为该工况下NOX排放的标定数据，用于基于离子电流技术的实车或发动机的NOX排放检测。
2.根据权利要求1所述的HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，其特征在于：所述离子电流信号处理参数为滤波截止频率、放大系数和平移系数。
3.根据权利要求1所述的HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，其特征在于：所述偏置电压电源采用车载12V直流电源。
4.根据权利要求1所述的HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，其特征在于：所述高压隔离电路为高压硅堆和高压电阻并联电路。
5.根据权利要求4所述的HCCI发动机缸内NOX检测与标定试验系统，其特征在于：所述高压硅堆为硅堆型号2CL2FK，反向击穿电压为40kV，将其与10M高压电阻并联，防止点火系统点火线圈放电瞬间所产生的高压损害离子电流检测电路。
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