CN107084060A - 一种天然气发动机爆震控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气发动机爆震控制策略，包括实验确定爆震频率、校验修正、确认爆震阀值等步骤，并利用上述步骤，对发动机的各缸均进行爆震特征频率、爆震等级分类及爆震阀值的标定确认；本发明通过发动机爆震工况的数据采集及分析，转化为爆震频率信号，通过压电式加速度传感器可实现电控系统实时监测。并针对不同的爆震等级，改变电控数据，减小直至避免爆震情况的发生，保证发动机的可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气发动机爆震处理技术领域，尤其涉及一种天然气发动机爆震控制策略。
背景技术
天然气发动机作为车辆使用的动力来源，必须要在保证正常使用性能的前提下有足够高的可靠性。受气源产地及提炼工艺的限制，目前各地的天然气成分差异较大，尚未形成有效的标准及检验体制。当燃气成分中多烃烷含量较多时，容易导致爆震等一系列非正常燃烧现象的发生，从而导致发动运转时工作粗暴，增大发动机的各零部件的负荷，影响发动机整体的可靠性、耐久性，从而降低了发动机的适用性和使用寿命。这一切都制约了天然气发动机的普及，也会对产品品牌造成负面的影响，目前现有技术中还没有合适的爆震控制方法，来制约了天然气发动机的爆震，从而制约了天然气发动机的推广和应用。
目前，描述和预测爆震燃烧现象的发生是非常复杂的难题，它需要人们对爆震燃烧现象发生的时间、地点及其整个过程进行深入的研究。由于爆震燃烧现象的复杂性，虽然众多的研究人员们对火花点燃式发动机的爆震燃烧现象进行了大量的实验以及仿真研究，至今对导致燃烧室内爆震燃烧现象产生的燃烧机理的研究还不完善，由于燃烧过程的复杂性，爆震燃烧现象的研究一直是目前研究人员们所面临的一个非常具有挑战性的课题，从而也就对天然气发动机爆震现象的预防和控制形成了较大的困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高发动机可靠性和安全性的天然气发动机爆震控制策略。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种天然气发动机爆震控制策略，包括以下步骤：
步骤一、实验确定爆震频率
a、选择检测爆震信号的实验爆震传感器，启动发动机，模拟爆震的边界条件，利用燃烧分析仪采集数据，进行分析，并用所述燃烧分析仪判定爆震与否，判定结果为否，则改变爆震的边界条件，继续模拟；判定结果为是，则所述燃烧分析仪将采集的爆震时的数据传输至发动机的电控单元，并继续进行下一步；
b、利用所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，并在该爆震特性频率下，确定所述电控单元的滤波常数，并将实验爆震传感器的检测信号转换为电压信号；同时，根据所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，进行爆震窗口标定确认；
c、通过调整发动机运行工况参数，重复上述步骤，获取多个爆震特性频率和相应的电压信号，所述电控单元根据多次转换的所述电压信号和所述爆震窗口进行爆震等级分类；
步骤二、校验修正
d、启动发动机进行实际运行，调整发动机的工况使其与实验阶段发动机相应工况一致，根据其爆震特性频率和爆震等级进行判定是否需要对实际运行的发动机的爆震传感器校正，即与同工况下实验取得的爆震特性频率和等级对比一致，不需要校正，确认该爆震传感器选用适当，能保证监测发动机正常运行；需要校正，则校正爆震传感器直至在同工况下，即判定出该运行的发动机发生爆震且进行爆震等级判断，通过与同工况下相应数据对比，按需设置修正斜率及限值，并对点火提前角进行修正，重复上述步骤进行多次校验修正，最终选取合理的爆震传感器；
步骤三、确认爆震阀值
在非爆震和爆震工况下，爆震传感器信号存在明显区别的区域，即可作为发动机的爆震特征频率，并确认该爆震特征频率对应的爆震阀值；
利用上述步骤，对发动机的各缸均进行爆震特征频率、爆震等级分类及爆震阀值的标定确认。
作为优选的技术方案，所述爆震窗口标定确认包括以下步骤：
参考窗口标定，即不会发生爆震的曲轴转角位置区间或发动机运行工况下爆震信号稳定且没有明显背景噪声的区间；
爆震窗口标定，截取做功冲程中上止点后压力下降时对应的一段曲轴转角位置区间。
作为对上述技术方案的改进，所述爆震窗口标定和所述参考窗口标定均是以各缸上死点为基准，分别标定窗口起点角度和延续时间。
作为对上述技术方案的改进，所述爆震传感器设置为压电式加速度传感器。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过发动机爆震工况的数据采集及分析，转化为爆震频率信号，通过压电式加速度传感器可实现电控系统实时监测。并针对不同的爆震等级，改变电控数据，减小直至避免爆震情况的发生，保证发动机的可靠运行，具体具有以下优点：
1、提供了天然气发动机爆震评价和爆震控制方法；
2、提升天然气发动机燃气成分适用性，并且保证良好经济性能。可实现电控数据动态调节，根据不同气质成分选取最佳的控制。
3、提升发动机的进气系统的可靠性，拓宽了燃气发动机的适用范围。
4、避免因爆震燃烧现象发生导致的缸内压力波动、不均匀等异常情况，提高了发动机活塞、活塞环、气缸盖的可靠性。
5、加速度测量传感器成本低、耐久性好，直接布置在发动机本体上，容易实现，精确度高，无需额外增加辅助监测设备。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的结构流程图；
图2是本发明实施例爆震窗口和参考窗口的对比曲线图；
图3是本发明实施例正常频率与爆震频率的对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1所示，一种天然气发动机爆震控制策略，包括以下步骤：
步骤一、实验确定爆震频率
a、选择检测爆震信号的实验爆震传感器，启动发动机，模拟爆震的边界条件，利用燃烧分析仪采集数据，进行分析，并用所述燃烧分析仪判定爆震与否，判定结果为否，则改变爆震的边界条件，继续模拟；判定结果为是，则所述燃烧分析仪将采集的爆震时的数据传输至发动机的电控单元，并继续进行下一步，该实验可以在台架上进行。
b、利用所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，并在该爆震特性频率下，确定所述电控单元的滤波常数，并将实验爆震传感器的检测信号转换为电压信号；同时，根据所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，进行爆震窗口标定确认。
c、通过调整发动机运行工况参数，重复上述步骤，获取多个爆震特性频率和相应的电压信号，所述电控单元根据多次转换的所述电压信号和所述爆震窗口进行爆震等级分类。
所述爆震窗口标定确认包括以下步骤：参考窗口标定，即不会发生爆震的曲轴转角位置区间或发动机运行工况下爆震信号稳定且没有明显背景噪声的区间；爆震窗口标定，截取做功冲程中上止点后压力下降时对应的一段曲轴转角位置区间。所述爆震窗口标定和所述参考窗口标定均是以各缸上死点为基准，分别标定窗口起点角度和延续时间。
如图2所示，通常情况下，窗口值的标定是通过把对应爆震传感器的信号接出，运行发动机在爆震和非爆震工况下，对比两种工况下爆震信号的差异。参考窗口是截取压缩冲程中压力上升至上止点前对应的一段曲轴转角，爆震窗口是截取做功冲程中上止点后压力下降时对应的一段曲轴转角爆震窗口必须包含所有的爆震情况。
步骤二、校验修正
d、启动发动机进行实际运行，调整发动机的工况使其与实验阶段发动机相应工况一致，根据其爆震特性频率和爆震等级进行判定是否需要对实际运行的发动机的爆震传感器校正，即与同工况下实验取得的爆震特性频率和等级对比一致，不需要校正，确认该爆震传感器选用适当，能保证监测发动机正常运行；需要校正，则校正爆震传感器直至在同工况下，即判定出该运行的发动机发生爆震且进行爆震等级判断，通过与同工况下相应数据对比，按需设置修正斜率及限值，并对点火提前角进行修正，重复上述步骤进行多次校验修正，最终选取合理的爆震传感器；所述爆震传感器设置为压电式加速度传感器，价格便宜，成本低。
步骤三、确认爆震阀值
如图3所示，在非爆震和爆震工况下，爆震传感器信号存在明显区别的区域，即可作为发动机的爆震特征频率，并确认该爆震特征频率对应的爆震阀值。
区分爆震和正常燃烧：
发动机爆震直接表现为缸内压力曲线的高频振荡，这种高频压力振荡随时间增长而衰减。对缸压信号分别进行高通滤波和低通滤波。爆震识别的基本原则是对爆震能量的评估，而爆震能量通过爆震振动的累积效应进行评估，在图3中，较高的曲线则是爆震频率曲线，较低的为正常燃烧的曲线图。各曲线图可以利用现有的处理软件在所述电控单元上直接显示成形。
利用上述步骤，对发动机的各缸均进行爆震特征频率、爆震等级分类及爆震阀值的标定确认。
通过本实施例可以完成各缸爆震频率和爆震阀值的选定，通过合理选型压电式加速度传感器及对传感器的标定，可以实现间接监测爆震发生的工况。可同部使用燃烧分析设备，验证监测爆震发生的工况，实时对点火提前角等参数修正和控制，解决爆震问题，提高发动机的可靠性和安全性。
本实施例基于天然气发动机试验平台，各种曲线分析可以通过MATLAB软件实现，通过对天然气发动机的缸压采集和燃烧分析，并基于燃烧放热规律对天然气发动机的爆震现象的研究，提出一种发动机爆震程度的评价方法，同时提供监测发动机异常燃烧的解决方案，通过对点火提前角、最大爆发压力等参数修正和控制，解决爆震问题，提高发动机的可靠性和安全性。还可以利用缸压采集系统进行发动机燃烧分析，通过缸压曲线的计算分析，对最大爆发压力、平均缸压曲线、放热率曲线、压力升高率曲线、燃烧持续期、平均有效压力、循环变动等燃烧相关参数进行显示和保存，实现对发动机进行实时的爆震监测和爆震分析。分别采集不同工况、不同燃气成分下发动机正常燃烧与爆震时的缸压曲线，同时记录相对应的震动频率。通过选用合适的传感器，进行数据标定的控制，进而保证了天然气发动机的正常工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种天然气发动机爆震控制策略，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、实验确定爆震频率
a、选择检测爆震信号的实验爆震传感器，启动发动机，模拟爆震的边界条件，利用燃烧分析仪采集数据，进行分析，并用所述燃烧分析仪判定爆震与否，判定结果为否，则改变爆震的边界条件，继续模拟；判定结果为是，则所述燃烧分析仪将采集的爆震时的数据传输至发动机的电控单元，并继续进行下一步；
b、利用所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，并在该爆震特性频率下，确定所述电控单元的滤波常数，并将实验爆震传感器的检测信号转换为电压信号；同时，根据所述电控单元从所述燃烧分析仪采集的爆震数据中分析采集爆震特性频率，进行爆震窗口标定确认；
c、通过调整发动机运行工况参数，重复上述步骤，获取多个爆震特性频率和相应的电压信号，所述电控单元根据多次转换的所述电压信号和所述爆震窗口进行爆震等级分类；
步骤二、校验修正
d、启动发动机进行实际运行，调整发动机的工况使其与实验阶段发动机相应工况一致，根据其爆震特性频率和爆震等级进行判定是否需要对实际运行的发动机的爆震传感器校正，即与同工况下实验取得的爆震特性频率和等级对比一致，不需要校正，确认该爆震传感器选用适当，能保证监测发动机正常运行；需要校正，则校正爆震传感器直至在同工况下，即判定出该运行的发动机发生爆震且进行爆震等级判断，通过与同工况下相应数据对比，按需设置修正斜率及限值，并对点火提前角进行修正，重复上述步骤进行多次校验修正，最终选取合理的爆震传感器；
步骤三、确认爆震阀值
在非爆震和爆震工况下，爆震传感器信号存在明显区别的区域，即可作为发动机的爆震特征频率，并确认该爆震特征频率对应的爆震阀值；
利用上述步骤，对发动机的各缸均进行爆震特征频率、爆震等级分类及爆震阀值的标定确认。
2.如权利要求1所述的一种天然气发动机爆震控制策略，其特征在于，所述爆震窗口标定确认包括以下步骤：
参考窗口标定，即不会发生爆震的曲轴转角位置区间或发动机运行工况下爆震信号稳定且没有明显背景噪声的区间；
爆震窗口标定，截取做功冲程中上止点后压力下降时对应的一段曲轴转角位置区间。
3.如权利要求2所述的一种天然气发动机爆震控制策略，其特征在于，所述爆震窗口标定和所述参考窗口标定均是以各缸上死点为基准，分别标定窗口起点角度和延续时间。
4.如权利要求1、2或3所述的一种天然气发动机爆震控制策略，其特征在于，所述爆震传感器设置为压电式加速度传感器。
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