CN108625983A - 基于瞬态转速的早燃检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于瞬态转速的早燃检测方法及装置，能够在不增加任何额外装置的情况下，实现对早燃的有效检测。所述方法包括：S1、利用高速数据采集系统对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；S2、剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，求出每转中剩余齿位置的瞬时转速；S3、将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对；S4、若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机燃烧诊断与控制领域，具体涉及一种基于瞬态转速的早燃检测方法及装置。
背景技术
内燃机是车、船、工程机械和国防装备的主导动力。
早燃是导致常规爆震与超级爆震的重要诱因。一旦发生连续早燃，发动机极有可能损坏，因此早燃成为现代高功率密度发动机开发的最大障碍。早燃的诱因主要为两方面：1)结构热点；2)非结构热点。结构热点主要指燃烧室内的突出结构在缸内燃烧过程中形成热的尖点，成为固定点火源，主要通过优化燃烧系统结构，降低缸内热负荷来控制。非结构热点是指缸壁上剥落而机油、金属磨屑、缸内沉积物等，非结构热点在上一循环中受到加热并滞留在缸内，提前引燃下一循环。随着内燃机强化程度的不断提高，早燃问题日益凸显。国内外研究机构与汽车企业关于早燃的检测与抑制方法主要有基于离子电流信号强弱检测、基于爆震传感器或缸压传感器的早燃诱发爆震或超级爆震的压力信号检测、基于发动机实时状态，调整有效压缩比、喷油、点火、冷却强度、废气再循环等控制策略。
现有的早燃诊断方法存在试验与实车环境脱节的问题。试验中检测装置虽多且精但成本高，实车环境存在传感器布置限制，特别对不易爆震燃料(如甲醇、乙醇、天然气)的早燃检测尚无简易方法，此时爆震传感器失效(参看图1，图1验证了背景技术中提到的对不易爆震燃料早燃检测时爆震传感器失效的结论)，无法有效检测早燃。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于瞬态转速的早燃检测方法及装置。
一方面，本发明实施例提出一种基于瞬态转速的早燃检测方法，包括：
S1、利用高速数据采集系统对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
S2、剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，求出每转中剩余齿位置的瞬时转速；
S3、将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对；
S4、若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
另一方面，本发明实施例提出一种基于瞬态转速的早燃检测装置，包括：
高速数据采集系统，用于对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
控制器，用于利用算法剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对，若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
本发明实施例提供的基于瞬态转速的早燃检测方法及装置，通过高速数据采集系统对原始转速信号进行获取，在电子控制单元中利用算法剔除无效信号并计算所有剩余有效转速点，完成初步比对后进一步连续求导，最终比对后判断是否早燃。本发明主要有以下几点优势：1)无需增加任何额外装置，转速传感器是发动机基本配置之一，大大降低成本，为实车环境应用提供保证；2)算法简单，无需经过复杂的时频转换、小波分析与不确定度较大的缸压重构判断异常燃烧，对早燃检测更直接；3)可有效控制高危害早燃出现，早燃峰值压力相位越接近上止点，危害越大，本方法随早燃峰值压力相位靠近上止点而灵敏度提高；4)对不易爆震燃料引起的早燃可有效检测。
附图说明
图1是不易爆震燃料早燃检测时爆震传感器失效验证图；
图2是本发明基于瞬态转速的早燃检测方法一实施例的流程示意图；
图3是内燃机活塞及曲柄连杆机构简化图；
图4是本发明所用的采集瞬态转速并完成早燃判断的装置示意图；
图5是根据本发明实施例获取的原始缸压和转速信号对比图；
图6是根据本发明实施例用算法剔除缺齿信号并提取所有剩余齿位置转速和缸压信号的对比图；
图7是根据本发明实施例提取问题循环的转速并连续求导后与正常燃烧循环的对比图、揭示早燃时刻图；
图8是本发明基于瞬态转速的早燃检测装置一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参看图2，本实施例公开一种基于瞬态转速的早燃检测方法，包括：
S1、利用高速数据采集系统对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
本实施例中，转速传感器采用磁电式或霍尔传感器，高速数据采集系统的采样频率不小于60nHz，其中n为发动机转速(r/min)以此确保每度曲柄转角内采样不少于10次。所述高采样频率能提高瞬时转速的时间分辨率，降低每转中计算位置所求转速与剔除缺齿位置信号带来的误差。
S2、剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，求出每转中剩余齿位置的瞬时转速(可以每隔6度计算一次，每转57个有效转速)；
S3、将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对；
S4、若判断获知连续第一数量(可以为5个)个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量(可以为100％)倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
本实施例中，步骤S2至S4的执行主体可以为电子控制单元ECU。压缩冲程转速下偏差超过正常值的第二数量倍的循环为疑似早燃循环(其它情况为无明显早燃)，对于疑似早燃循环，提取其包含发动机高压循环的一转转速信号进行局部处理分析，结果与正常峰值压力相位或预设点火提前角进行比对，判定是否早燃。其中，前述局部处理指的是：将局部转速信号进行1-3阶数值求导，各阶导数含义如下：
(1)一阶导数局部最大绝对值位置表征发动机燃烧的峰值压力对应相位；
(2)二阶导数局部最大值位置表征放热过程中的缸内最大压升率相位；
(3)三阶导数局部最大值位置表征燃烧始点(早燃点)。
台架试验时，处理结果的一阶导数局部最大绝对值位置与正常燃烧气缸峰值压力相位比对，具体地，若问题区转速的一阶导数局部最大绝对值位置早于正常燃烧气缸峰值压力相位则可判定早燃；实车环境下，处理结果的三阶导数局部最大值位置与预设点火提前角进行比对(此时无缸压传感器)，具体地，若问题区转速的三阶导数局部最大值位置早于预设点火提前角则可判定早燃。
根据图3，在分析瞬态转速前先验证以角度变化信息表征内燃机缸内压力信息的合理性。已知由作用在活塞上的气体压力P对曲轴产生的瞬时转矩T为：
其中α为瞬时曲柄转角，β连杆摆角，r为曲柄半径，A为活塞横截面积
sin(β)＝λ·sin(α)(3)
其中将(2)、(3)代入(1)中化简得
由于高危害早燃发生时刻位于α≤45℃A BTDC，在此范围相比于1可忽略，(4)化简为：
记曲柄连杆机构的转动惯量为J，则代入(5)化简得
其中为发动机结构参数，为角加速度。
根据公式(6)，利用角度变化信号表征缸内压力是合理的。整个曲柄机构可以近似看作变转动惯量的系统，活塞越接近上止点，系统转动惯量越大，即角加速度一个小的变化就可以反映缸内压力的变化，即越接近上止点本发明方法越敏感，测试越准确。这正好与防止早燃的措施相适应：因为早燃峰值压力出现在压缩冲程远离上止点对发动机影响较小；峰值压力相位接近上止点属于高危害早燃，在物理活塞与化学活塞的双重作用下缸内压力将急剧增加，严重威胁发动机运行安全。
图4示出了实现本发明早燃检测方法的完整装置图。其中关键点有三：1)较高精度的数据采集系统提高瞬时转速的时间分辨率，降低每转中计算位置所求转速与剔除缺齿位置信号带来的误差；2)ECU中提取转速的算法为实现最终比对做准备；3)对问题循环转速连续求导，通过比对最终判断是否早燃。
图5-7示出了根据本发明一实施例完成图2中S1-S4四步检测流程的全过程。本实施例设定发动机转速为3000rpm，预设点火提前角为7℃A BTDC，通过人为提前点火30℃A制造早燃工况。在发动机运转过程中突然增加点火提前角再恢复正常点火，在此过程中进行连续数据采集，采样时间为2s，采样频率200KHz，共记录50个完整的发动机循环。
图5为本实施例中的原始缸压与转速信号。由图5易知，在第21个循环中实现早燃工况制造，在第48个循环中恢复至正常燃烧状态，图5放大图示出每转中由于缺齿将产生一段时间的信号干扰，需利用算法剔除，同时对剩余57处测速位置进行转速提取，获得图6。
图6示出所有有效转速测量点的缸压及相应转速，利用前述判据初步将框中的循环标记为早燃循环，之后分情况进行讨论，进行局部转速和缸压抽取并进一步判断。
图7示出了分别从23个正常燃烧循环与27个早燃循环中各抽取一高压循环，并将信号进行连续求导，最终判断是否早燃的原理图。由于已经验证角度变化表征缸内压力变化的合理性，因此，图7中各子图意义明确。早燃循环中角加速度局部最大绝对值相位(②线)与早燃工况的气缸峰值压力相位基本重合，且早于正常燃烧的峰值压力对应相位(④线)，即为早燃工况。由于转动惯量存在，转速的下降出现相位(③线)落后于(②线)；角加速度二阶导数最大值相位(①线)与燃烧始点较好对应，且该最大值出现相位早于正常设定的点火时刻，即为早燃工况。
综上所述，在本实施例中利用图7的②线与④线位置比较即可完成台架试验条件下的早燃检测，利用①线位置与正常点火时刻比较即可完成实车环境下的早燃检测。以上实施例完成了图2的全部检测步骤，证明了本发明的准确性、简易性，实际应用性强，使不易爆震燃料的早燃检测尚无简易方法这一现状得到有效改善，产业化前景好。
本发明实施例提供的基于瞬态转速的早燃检测方法，通过高速数据采集系统对原始转速信号进行获取，在电子控制单元中利用算法剔除无效信号并计算所有剩余有效转速点，完成初步比对后进一步连续求导，最终比对后判断是否早燃。本发明主要有以下几点优势：1)无需增加任何额外装置，转速传感器是发动机基本配置之一，大大降低成本，为实车环境应用提供保证；2)算法简单，无需经过复杂的时频转换、小波分析与不确定度较大的缸压重构判断异常燃烧，对早燃检测更直接；3)可有效控制高危害早燃出现，早燃峰值压力相位越接近上止点，危害越大，本方法随早燃峰值压力相位靠近上止点而灵敏度提高；4)对不易爆震燃料引起的早燃可有效检测。
参看图8，本实施例公开一种基于瞬态转速的早燃检测装置，包括：
高速数据采集系统1，用于对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
控制器2，用于利用算法剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对，若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
本实施例中，所述控制器，具体可以用于：
对于台架试验，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的一阶导数局部最大绝对值位置早于正常燃烧气缸峰值压力相位则可判定早燃；
对于实车环境，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的三阶导数最大值位置早于预设点火提前角则可判定早燃。
具体地，所述控制器剔除缺齿位置信号后可以得到每转中以6度为计算间隔的转速信号，所述第一数量可以为5，所述第二数量可以为100％。
本发明实施例提供的基于瞬态转速的早燃检测装置，通过高速数据采集系统对原始转速信号进行获取，在电子控制单元中利用算法剔除无效信号并计算所有剩余有效转速点，完成初步比对后进一步连续求导，最终比对后判断是否早燃。本发明主要有以下几点优势：1)无需增加任何额外装置，转速传感器是发动机基本配置之一，大大降低成本，为实车环境应用提供保证；2)算法简单，无需经过复杂的时频转换、小波分析与不确定度较大的缸压重构判断异常燃烧，对早燃检测更直接；3)可有效控制高危害早燃出现，早燃峰值压力相位越接近上止点，危害越大，本方法随早燃峰值压力相位靠近上止点而灵敏度提高；4)对不易爆震燃料引起的早燃可有效检测。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (6)
1.一种基于瞬态转速的早燃检测方法，其特征在于，包括：
S1、利用高速数据采集系统对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
S2、剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，求出每转中剩余齿位置的瞬时转速；
S3、将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对；
S4、若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4，包括：
对于台架试验，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的一阶导数局部最大绝对值位置早于正常燃烧气缸峰值压力相位则可判定早燃；
对于实车环境，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的三阶导数最大值位置早于预设点火提前角则可判定早燃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2剔除缺齿位置信号后得到每转中以6度为计算间隔的转速信号，所述第一数量为5，所述第二数量为100％。
4.一种基于瞬态转速的早燃检测装置，其特征在于，包括：
高速数据采集系统，用于对发动机运转过程中转速传感器连续检测得到的转速进行采样，获得原始转速信号；
控制器，用于利用算法剔除所述原始转速信号中缺齿位置的信号干扰，将剔除过缺齿信息的转速信号与基于发动机出厂标定和结构参数的正常转速波动信号比对，若判断获知连续第一数量个发动机循环的压缩冲程出现转速下偏差超过正常值的第二数量倍，则通过提取疑似早燃高压循环对应的转速信息并连续求导，并依据台架试验与实车环境分别进行最终早燃判断。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器，具体用于：
对于台架试验，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的一阶导数局部最大绝对值位置早于正常燃烧气缸峰值压力相位则可判定早燃；
对于实车环境，若所述疑似早燃高压循环对应的转速的三阶导数最大值位置早于预设点火提前角则可判定早燃。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器剔除缺齿位置信号后得到每转中以6度为计算间隔的转速信号，所述第一数量为5，所述第二数量为100％。
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