CN104612845B - 一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统及方法，所述系统包括离子电流探针、离子电流检测电路、喷油器、喷油驱动电路、微控制器、信号采集处理模块和汽车ECM，所述的离子电流检测电路分别与离子电流探针和微控制芯片连接，并且输入端接地，所述的喷油驱动电路分别与喷油器和微控制器连接，所述的微控制器分别与汽车ECM和信号采集处理模块连接。与现有技术相比，本发明具有低成本、监控精确等优点。

Description

一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机领域，尤其是涉及一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统及方法。

背景技术

能源与环境是全人类面临的两大挑战，如何积极地应对这两大问题成为社会关注的焦点，汽车作为能源的重要消耗者和环境的重要污染者，一直在新技术和新标准的引领下，顺应时代主题，朝着节能减排的目标前进，我国人口众多，但是人均汽车保有量较低，近年来汽车制造业发展迅猛，是世界上汽车市场潜力最大的国家，预计2020年汽车保有量将达到1.3-1.5亿，传统内燃机基本上都是以汽油或柴油作为燃料，而燃料燃烧产生大量有害气体和颗粒是空气污染的重要来源，作为一个石油能源短缺、环境污染严重的国家，开发待用清洁燃料的发动机以应对石油紧张和环境问题迫在眉睫。

在可以作为中长期车用石油替代燃料中，天然气具有很好的现实意义及应用前景，天然气的主要成分是甲烷，燃用天然气的发动机污染低、积碳少、寿命长、消耗低、运行安全，并且冷启动性能较传统内燃机得到改善，从经济性考虑，由于我国天然气资源远较石油丰富，其成本相对低，从可行性分析，我国近年来致力于调整能源结构，用以改变对石油进口依赖强的现状，在车用能源方面，主要是推广多种替代能源，天然气/柴油双燃料发动机便是其中一种形式，已经逐步开始应用。

对天然气/柴油双燃料发动机，主要的燃料(天然气)在进气道内就与空气混合，在压缩冲程，燃气、空气混合物被压缩，在压缩上止点前，柴油直接喷射进入气缸并引燃预混混合器。这种双燃料发动机一般以柴油机为原型进行改造，往往只需在进气道额外增设一套天然气供给装置即可，而不需对机体有较大的改动。故技术成熟度和成本效益十分显著，双燃料模式下，可以选用天然气为主体燃料，以节省燃料成本，也可以增加柴油的比例，以获得较大的功率输出。这种灵活的燃料切换模式，给动力装置带来的更多的自由度。

目前，双燃料发动机的研发，主要的攻关难点在于进一步提高天然气对柴油的替代率，同时增加功率密度，这个问题的主要瓶颈在于，双燃料发动机是以柴油机为本体设计的，压缩比较高，一般在大于16，而天然气火焰传播速度较慢，容易导致爆震的发生。如果对爆震不加控制，则不仅造成功率损失，严重的会损坏发动机。针对爆震，工业界也多种传感器来满足爆震检测及控制的需要。在常规的测量方法中，以压力传感器及壁面振动传感器使用的最为普遍，但由于存在着一些弊端，使它们在实际使用中受到了很大的限制，用离子电流法分析和研究爆震是近年来一种新的研究方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、监控精确的基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统，包括离子电流探针、离子电流检测电路、喷油器、喷油驱动电路、微控制器、信号采集处理模块和汽车ECM，所述的离子电流检测电路分别与离子电流探针和微控制器连接，并且接地，所述的喷油驱动电路分别与喷油器和微控制器连接，所述的微控制器分别与汽车ECM和信号采集处理模块连接。

所述的离子电流检测电路包括电压源U、检测电阻R和运算放大器，所述的电压源U正极与离子电流探针连接，负极通过检测电阻R接地，所述的运算放大器的正输入端连接到电压源U负极和检测电阻R之间，输出端分别与负输入端和微控制器连接。

所述的微控制器包括模数转换器和微控制器芯片，所述的微控制器芯片分别与模数转换器、信号采集处理模块、喷油驱动电路和汽车ECM连接，所述的模数转换器与运算放大器的输出端连接。

所述的信号采集处理模块包括信号处理器、曲轴位置传感器、凸轮轴相位传感器和喷油传感器，所述的信号处理器分别与微控制器、曲轴位置传感器、凸轮轴相位传感器和喷油传感器连接。

一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，包括以下步骤：

S401、微控制器接收到汽车ECM的喷油信号；

S402、结合发动机工作状态信号，确定喷油气缸的信息，通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，执行喷油操作；

S403、以点火驱动信号的下降沿作为离子电流检测电路的开始时刻；

S404、离子电流检测电路检测离子电流，并产生离子电流信号发送给微控制器；

S405、判断发动机是否运转了n个曲轴转角，0＜n＜40，若是，当到达离子电流信号采集结束时刻时，则进行S406，若否，则返回S404；

S406、微控制器判断离子电流的高频分量平均能量是否大于爆震阈值，若是，则进行S407，若否，则进行S409；

S407、确定发生爆震，并且确定发生爆震的气缸；

S408、执行补喷油操作，微控制器再一次通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，驱动喷油器再次喷油，并与ECM通讯，调整下一个循环的喷油时刻以及喷油量；

S409、不执行补喷油操作。

所述的工作状态信号包括曲轴位置传感器信号、凸轮轴相位传感器信号和喷油信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、低成本，缸压传感器基于压电晶体制成，其成本高昂，一般用于实验室测试使用，相比之下，离子电流技术成本约是缸压传感器的1％，使其工业化成为可能。

二、监控精确，爆震传感器通过接受缸体振动得到接近爆震的振动信号，但是由于其是检测的是发动机整体的振动，无法区分是哪一缸爆震，而离子电流直接测量燃烧离子得到，可以实时监控每一缸的燃烧状态。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明离子电流检测电路的结构示意图。

图3为本发明的震爆监控流程图。

图4为有爆震时快速傅里叶变换下离子电流不同频率成分的幅值图。

图5为无爆震时快速傅里叶变换下离子电流不同频率成分的幅值图。

其中，1、离子电流探针，2、离子电流检测电路，3、喷油器，4、喷油驱动电路，5、微控制器，6、信号采集处理模块，7、汽车ECM，21、运算放大器，51、模数转换器，52、微控制器芯片，61、信号处理器，62、曲轴位置传感器，63、凸轮轴相位传感器，64、喷油传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控系统，包括离子电流探针1、离子电流检测电路2、喷油器3、喷油驱动电路4、微控制器5、信号采集处理模块6和汽车ECM7，离子电流检测电路2分别与离子电流探针1和微控制芯片5连接，并且输入端接地，喷油驱动电路4分别与喷油器3和微控制器5连接，微控制器5分别与汽车ECM7和信号采集处理模块6连接，微控制器5包括模数转换器51和微控制器芯片52，微控制器芯片52分别与模数转换器51、信号采集处理模块6、喷油驱动电路4和汽车ECM7连接，模数转换器51与运算放大器21的输出端连接，信号采集处理模块6包括信号处理器61、曲轴位置传感器62、凸轮轴相位传感器63和喷油传感器64，信号处理器61分别与微控制器芯片52、曲轴位置传感器62、凸轮轴相位传感器63和喷油传感器64连接。

离子电流检测电路2以串联的方式接入由离子电流探针1和地构成的回路中，其中地可视为发动机缸体。离子电流检测电路2检测到的离子电流信号输入与其相连的微控制器5的模数转换器51。发动机的工作状态信号经过信号采集处理模块6的滤波、限幅、整形和缓冲处理后进入微控制器5的输入模块INPUT，其中发动机的工作状态信号包括曲轴位置传感器62采集到的曲轴位置信号、凸轮轴相位传感器63采集到的凸轮轴位置信号和喷油传感器64采集到的喷油信号。

如图2所示，离子电流检测电路2包括电压源U、检测电阻R和运算放大器21，电压源U正极与离子电流探针1连接，负极通过检测电阻R接地，运算放大器21的正输入端连接到电压源U负极和检测电阻R之间，输出端分别与负输入端和连接，微控制器5连接。

如图3所示，一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，包括以下步骤：

S401、微控制器接收到汽车ECM的喷油信号；

S402、结合发动机工作状态信号，包括曲轴位置传感器信号、凸轮轴相位传感器信号和喷油信号，确定喷油气缸的信息，通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，执行喷油操作；

S403、以点火驱动信号的下降沿作为离子电流检测电路的开始时刻；

S404、离子电流检测电路检测离子电流，并产生离子电流信号发送给微控制器；

S405、判断发动机是否运转了n个曲轴转角，0<n＜40，若是，当到达离子电流信号采集结束时刻时，则进行S406，若否，则返回S404；

S406、微控制器判断离子电流的高频分量平均能量是否大于爆震阈值，若是，则进行S407，若否，则进行S409；

S407、确定发生爆震，并且确定发生爆震的气缸；

S408、执行补喷油操作，微控制器再一次通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，驱动喷油器再次喷油，并与ECM通讯，调整下一个循环的喷油时刻以及喷油量；

S409、不执行补喷油操作。

图2是本发明的离子电流检测单元102的电路原理实施例，其中包括：直流电源201、检测电阻202和电压跟随器203，直流电源201正极接离子电流探针101，负极接检测电阻202，检测电阻202一侧接直流电源201负极，另一侧接地107。燃烧形成的离子电流会在检测电阻202两端形成电压，此电压经过电压跟随器203的阻抗变换处理，最后以离子电流信号108输出。

微控制器5根据曲轴位置信号和凸轮轴相位信号来计算发动机的曲轴转角以及各缸当前的工作状态。其中微控制器5捕捉到曲轴位置信号中的判缸信号后，即可知道缸上止点位置，结合凸轮轴相位信号又可区分该上止点位置是压缩上止点还是排气上止点，然后根据曲轴位置信号提供的时序即可判断各缸是处于进气、压缩、做功还是排气冲程。

微控制器5以曲轴位置传感器信号作为采集离子电流的模数转换器51的触发信号，每触发一次采集一次离子电流信号，离子电流信号由离子电流检测电路2检测，并由微控制器5采集。喷油驱动电路4的一侧接喷油器，另一侧接微控制器5的OUTPUT，微控制器5通过控制喷油驱动电路4来控制喷油器的打开与关闭。微控制器5接收喷油信号，喷油驱动电路4驱动喷油器执行一次喷油操作，同时以喷油信号下降沿作为离子电流信号采集窗口的开始时刻，以喷油信号之后的第n(0＜n＜40)个曲轴转角时刻作为离子电流信号采集窗口的结束时刻，采集离子电流信号；在发动机运转了n个曲轴转角后，判断离子电流信号的高频分量(8-13KHZ)平均能量是否大于爆震阈值，若大于，则判定爆震并立即执行补喷油操作。此外微控制器5的输出模块与发动机MCU通讯，调整下一个循环的喷油时刻以及喷油量，预防下一次爆震的发生。

如图4和5所示，图为有爆震和无爆震时快速傅里叶变换下离子电流不同频率成分的幅值大小，从图中可以看出有爆震工况和无爆震工况的离子电流信号明显不同：无爆震工况的离子电流信号随着频率的增大，幅值逐渐变小，而爆震信号在8-13KHZ之间出现了一个峰值，其值远远大于同一频率下的无爆震离子电流信号的幅值。

Claims (5)

1.一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，通过双燃料发动机爆震检控系统进行检控，所述的双燃料发动机爆震检控系统包括离子电流探针(1)、离子电流检测电路(2)、喷油器(3)、喷油驱动电路(4)、微控制器(5)、信号采集处理模块(6)和汽车ECM(7)，所述的离子电流检测电路(2)分别与离子电流探针(1)和微控制器(5)连接，并且接地，所述的喷油驱动电路(4)分别与喷油器(3)和微控制器(5)连接，所述的微控制器(5)分别与汽车ECM(7)和信号采集处理模块(6)连接，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S401、微控制器接收到汽车ECM的喷油信号；

S402、结合发动机工作状态信号，确定喷油气缸的信息，通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，执行喷油操作；

S403、以点火驱动信号的下降沿作为离子电流检测电路的开始时刻；

S404、离子电流检测电路检测离子电流，并产生离子电流信号发送给微控制器；

S405、判断发动机是否运转了n个曲轴转角，0<n<40，若是，当到达离子电流信号采集结束时刻时，则进行S406，若否，则返回S404；

S406、微控制器判断离子电流的高频分量平均能量是否大于爆震阈值，若是，则进行S407，若否，则进行S409；

S407、确定发生爆震，并且确定发生爆震的气缸；

S408、执行补喷油操作，微控制器再一次通过喷油驱动电路输出点火驱动信号至喷油器，驱动喷油器再次喷油，并与ECM通讯，调整下一个循环的喷油时刻以及喷油量；

S409、不执行补喷油操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，其特征在于，所述的离子电流检测电路(2)包括电压源U、检测电阻R和运算放大器(21)，所述的电压源U正极与离子电流探针(1)连接，负极通过检测电阻R接地，所述的运算放大器(21)的正输入端连接到电压源U负极和检测电阻R之间，输出端分别与负输入端和微控制器(5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，其特征在于，所述的微控制器(5)包括模数转换器(51)和微控制器芯片(52)，所述的微控制器芯片(52)分别与模数转换器(51)、信号采集处理模块(6)、喷油驱动电路(4)和汽车ECM(7)连接，所述的模数转换器(51)与运算放大器(21)的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，其特征在于，所述的信号采集处理模块(6)包括信号处理器(61)、曲轴位置传感器(62)、凸轮轴相位传感器(63)和喷油传感器(64)，所述的信号处理器(61)分别与微控制器(5)、曲轴位置传感器(62)、凸轮轴相位传感器(63)和喷油传感器(64)连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的双燃料发动机爆震检控方法，其特征在于，所述的工作状态信号包括曲轴位置传感器信号、凸轮轴相位传感器信号和喷油信号。