CN112065595B - 一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置 - Google Patents

一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，该装置包括：离子电流采集模块：用以采集天然气燃烧的离子电流信号，并将采集到的离子电流信号发送倒燃烧循环控制模块；燃烧循环控制模块：用以根据采集到的离子电流信号判断天然气发动机燃烧循环变动程度以及各缸一致性，诊断失火和爆震非正常燃烧状态，并根据燃烧状态给出相应的控制策略，将命令发送到ECU。与现有技术相比，本发明针对天然气发动机燃烧稳定性较差的特点，实时采集天然气发动机离子电流信号来诊断缸内燃烧状态，从燃烧循环内和燃烧循环间两种控制方法对天然气发动机的燃烧进行实时控制，便于应用，成本低廉。

Description

一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置
技术领域
本发明涉及天然气发动机技术领域，尤其是涉及一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置。
背景技术
天然气是目前最有潜力的发动机替代燃料之一，其优点在于污染少、储量丰富。天然气作为燃料的缺点在于着火温度高、着火延迟期长，火焰传播速度低，因此天然气发动机的循环变动率比汽油机和柴油机要高。此外，由于天然气为气态燃料，充气效率低，各缸进气均匀性较差，导致天然气发动机各缸燃烧均匀性较差。另外，天然气发动机通常采用高压缩比配合稀薄燃烧技术来提升发动机的效率，但是提高压缩比会导致发动机爆震倾向增强，稀薄燃烧技术则会造成发动机的点火成功率降低、失火现象频率增加，因此爆震和失火是也是天然气发动机面临的两大问题，针对上述问题，需要寻找合适的手段来对发动机燃烧过程进行诊断与控制，
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基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置。
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天然气发动机燃烧循环控制装置，该装置包括：
离子电流采集模块：用以采集天然气燃烧的离子电流信号，并将采集到的离子电流信号发送倒燃烧循环控制模块；
燃烧循环控制模块：用以根据采集到的离子电流信号判断天然气发动机燃烧循环变动程度以及各缸一致性，诊断失火和爆震非正常燃烧状态，并根据燃烧状态给出相应的控制策略，将命令发送到ECU。
所述的燃烧循环控制模块中，天然气发动机燃烧循环变动程度的判断以及对应控制策略如下：
从第1个循环开始，计算连续n个循环的离子电流峰值循环变动率，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值时，则证明发动机燃烧循环变动率过大，此时燃烧循环控制模块发送命令到ECU，提前第(n+1)个循环的点火角，并增大第(n+1)个循环的点火能量；
之后计算从第2个循环到第(n+1)个循环的离子电流峰值循环变动率，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值时，则提前第(n+2)个循环的点火角，并增大第(n+2)个循环的点火能量，控制发动机燃烧循环变动率，直至离子电流峰值循环变动率小于离子电流峰值循环变动率阈值。
所述的离子电流峰值循环变动率CoV(Imax)的计算式为：
Figure BDA0002633735560000021
Figure BDA0002633735560000022
Figure BDA0002633735560000023
其中，σ为标准差，n为循环数，Imaxi为第i个循环各缸离子电流峰值的平均值，
Figure BDA0002633735560000024
为n个循环离子电流峰值的平均值。
所述的燃烧循环控制模块中，各缸一致性的判断以及对应控制策略如下：
计算离子电流峰值波动率δ，当连续m个循环的离子电流峰值波动率均大于标定的离子电流峰值波动率阈值时，则证明发动机各缸一致性差，燃烧循环控制模块向车载自动诊断系统OBD发送指令记录故障信息和相关代码。
所述的离子电流峰值波动率δ的计算式为：
Figure BDA0002633735560000025
Figure BDA0002633735560000026
ΔImax＝Imaxmax-Imaxmin
其中，N为气缸数目，Imaxj为第j个气缸的离子电流峰值，
Figure BDA0002633735560000031
为N个气缸的离子电流峰值的平均值，Imaxmax为N个气缸中离子电流峰值的最大值，Imaxmin为N个气缸中离子电流峰值的最小值，ΔImax为N个气缸离子电流峰值最大值与最小值之差。
所述的燃烧循环控制模块中，失火状态的诊断以及对应控制策略如下：
获取离子电流的起始点，从起始点开始设置观测窗口，若在观测窗口内离子电流始终小于标定的失火阈值，则判断为失火，此时燃烧循环控制模块发送命令到ECU，提高点火能量并立即再次点火。
所述的燃烧循环控制模块中，爆震的诊断以及对应控制策略如下：
计算离子电流的FI值，当离子电流的FI值大于标定的离子电流FI阀值时，则判断为爆震，并计算离子电流的KI值，将KI值与标准KI值进行比较，并作为定量化参数计算下一循环点火角的推迟值，发送控制命令到ECU执行。
标准KI值为预先在发动机台架上对特定型号发动机进行标定得到，下一循环点火角的推迟值是“KI值与标准KI值之差”的函数，该函数值同样在发动机台架上标定得到。
所述的离子电流的FI值的计算式为：
Figure BDA0002633735560000032
其中，ρ1为爆震时离子电流信号的振荡基频，L为选取的频率积分带宽，I(f)为以振荡频率的角度分析对应的离子电流信号，即频域离子电流信号，f为振荡频率。
所述的离子电流的KI值的计算式为：
Figure BDA0002633735560000033
Figure BDA0002633735560000034
其中，Aion为离子电流振荡的ρ1基频幅值分量，CAI90为90％离子电流积分值对应的曲轴转角，CAI10为10％离子电流积分值对应的曲轴转角，
Figure BDA0002633735560000035
为离子电流时域积分中值，I(t)为以时间的角度分析对应的离子电流信号，即时域离子电流信号，t为时间。
所述的离子电流采集模块嵌设在点火线圈中，所述的燃烧循环控制模块嵌入ECU中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、针对天然气发动机的固有特点，本发明能够仅通过离子电流信号诊断天然气发动机可能出现的多种非正常燃烧现象，包括天然气发动机燃烧循环变动程度、各缸一致性，诊断失火和爆震，并且根据诊断结果，从燃烧循环内和燃烧循环间两种控制方法对非正常燃烧现象进行控制。
二、离子电流检测模块可嵌入点火线圈之中，燃烧循环控制模块可嵌入ECU之中，可方便应用于实际车辆。
三、成本低廉，对比实现相同功能的缸压传感器，其价格在几百到几千元不等，而本发明的离子电流检测模块硬件成本仅为几元钱。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图中标号说明：
1、基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，2、离子电流采集模块，3、燃烧循环控制模块。
图2为天然气发动机离子电流信号、离子电流时域积分Iint、离子电流峰值Imax、10％离子电流积分值对应的曲轴转角CAI10、90％离子电流积分值对应的曲轴转角CAI90、失火诊断窗口示意图。
图3为天然气发动机离子电流幅频信号、振荡基频ρ1、频率积分带宽L示意图、离子电流振荡的基频幅值分量Aion。
图4为天然气发动机燃烧循环波动程度诊断与控制逻辑示意图。
图5为天然气发动机各缸一致性、失火和爆震状态诊断与控制逻辑示意图。
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
离子电流是一种高效、成本低廉、可靠的缸内燃烧诊断与控制手段，并且能够精确到从单个燃烧循环来对发动机燃烧过程加以控制，本发明提供一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，利用离子电流判断天然气发动机燃烧循环变动程度以及各缸一致性，诊断失火和爆震等非正常燃烧状态，并根据燃烧状态给出相应的控制策略，将命令发送给ECU，从而实现基于离子电流的天然气发动机燃烧循环诊断与控制。
如图1所示，图1为基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置的结构示意图，该装置包括离子电流采集模块2和燃烧循环控制模块3，离子电流采集模块2采集发动机离子电流信号，并将采集到的离子电流信号发送给燃烧循环控制模块3，燃烧循环控制模块3对采集到的离子电流进行计算分析，判断天然气发动机燃烧循环变动程度以及各缸一致性，诊断失火和爆震等非正常燃烧状态，并根据燃烧状态给出相应的控制策略，将命令发送给ECU。
如图2所示，图2为实际发动机试验中采集到的时域离子电流信号、设定的失火诊断窗口，以及根据离子电流信号得到的离子电流时域积分Iint、离子电流峰值Imax、10％离子电流积分值对应的曲轴转角CAI10、90％离子电流积分值对应的曲轴转角CAI90，其中失火诊断窗口需要通过试验进行标定。
如图3所示，图3为实际发动机试验中采集到的频域离子电流信号、根据燃烧室几何特征确定的离子电流振荡基频ρ1、积分带宽L的选取，以及离子电流振荡的ρ1基频幅值分量Aion。
如图4所示，图4为天然气发动机燃烧循环波动程度诊断与控制逻辑示意，天然气发动机燃烧不稳定状态的诊断与控制逻辑为：
从第1个循环开始，计算连续n个循环的离子电流峰值循环变动率CoV(Imax)，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值，说明发动机的燃烧循环变动率过大，此时燃烧循环控制模块发送命令让ECU提前第(n+1)个循环的点火角，并增大第(n+1)个循环的点火能量。随后计算从第2个循环到第(n+1)个循环的离子电流峰值循环变动率，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值，提前第(n+2)个循环的点火角，并增大第(n+2)个循环的点火能量，以此类推，控制发动机燃烧循环变动率。
如图5所示，图5为天然气发动机各缸一致性、失火和爆震状态诊断与控制逻辑示意。
各缸一致性判断逻辑为：
计算离子电流峰值波动率δ，当连续m个循环的离子电流峰值波动率均大于标定的离子电流峰值波动率阈值时，说明发动机各缸一致性较差，燃烧循环控制模块向OBD(车载自动诊断)系统发送指令记录故障信息和相关代码。
失火状态的诊断与控制逻辑为：
当发动机开始工作则开始采集离子电流信号，寻找离子电流起始点，从起始点开始设置观测窗口，若在观测窗口内离子电流始终小于标定的失火阈值，判断为失火，此时发送命令让ECU提高点火能量并立即再次点火，实现燃烧循环内的失火诊断与控制；
爆震状态的诊断与控制逻辑为：
计算离子电流的FI值，当离子电流FI大于标定的离子电流FI阀值，判断为爆震，然后计算离子电流KI值，将测得KI值与标准KI值进行比较，并作为定量化参数计算下一循环点火角的推迟值，发送命令让ECU执行，实现燃烧循环间的爆震诊断与控制。
上述步骤中，离子电流峰值循环变动率阈值、离子电流峰值波动率阈值、失火阈值、离子电流FI阈值与标准KI值均通过实验进行标定。

Claims (9)

1.一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，该装置包括：
离子电流采集模块(2)：用以采集天然气燃烧的离子电流信号，并将采集到的离子电流信号发送到 燃烧循环控制模块(3)；
燃烧循环控制模块(3)：用以根据采集到的离子电流信号判断天然气发动机燃烧循环变动程度以及各缸一致性，诊断失火和爆震非正常燃烧状态，并根据燃烧状态给出相应的控制策略，将命令发送到ECU；
所述的燃烧循环控制模块(3)中，天然气发动机燃烧循环变动程度的判断以及对应控制策略如下：
从第1个循环开始，计算连续n个循环的离子电流峰值循环变动率，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值时，则证明发动机燃烧循环变动率过大，此时燃烧循环控制模块发送命令到ECU，提前第(n+1)个循环的点火角，并增大第(n+1)个循环的点火能量；
之后计算从第2个循环到第(n+1)个循环的离子电流峰值循环变动率，当这n个循环的离子电流峰值循环变动率大于标定的离子电流峰值循环变动率阈值时，则提前第(n+2)个循环的点火角，并增大第(n+2)个循环的点火能量，控制发动机燃烧循环变动率，直至离子电流峰值循环变动率小于离子电流峰值循环变动率阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的离子电流峰值循环变动率CoV(Imax)的计算式为：
Figure FDA0003007707350000011
Figure FDA0003007707350000012
Figure FDA0003007707350000013
其中，σ为标准差，n为循环数，Imaxi为第i个循环各缸离子电流峰值的平均值，
Figure FDA0003007707350000021
为n个循环离子电流峰值的平均值。
3.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的燃烧循环控制模块(3)中，各缸一致性的判断以及对应控制策略如下：
计算离子电流峰值波动率δ，当连续m个循环的离子电流峰值波动率均大于标定的离子电流峰值波动率阈值时，则证明发动机各缸一致性差，燃烧循环控制模块向车载自动诊断系统OBD发送指令记录故障信息和相关代码。
4.根据权利要求3所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的离子电流峰值波动率δ的计算式为：
Figure FDA0003007707350000022
Figure FDA0003007707350000023
ΔImax＝Imaxmax-Imaxmin
其中，N为气缸数目，Imaxj为第j个气缸的离子电流峰值，
Figure FDA0003007707350000024
为N个气缸的离子电流峰值的平均值，Imaxmax为N个气缸中离子电流峰值的最大值，Imaxmin为N个气缸中离子电流峰值的最小值，ΔImax为N个气缸离子电流峰值最大值与最小值之差。
5.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的燃烧循环控制模块(3)中，失火状态的诊断以及对应控制策略如下：
获取离子电流的起始点，从起始点开始设置观测窗口，若在观测窗口内离子电流始终小于标定的失火阈值，则判断为失火，此时燃烧循环控制模块发送命令到ECU，提高点火能量并立即再次点火。
6.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的燃烧循环控制模块(3)中，爆震的诊断以及对应控制策略如下：
计算离子电流的FI值，当离子电流的FI值大于标定的离子电流FI阀值时，则判断为爆震，并计算离子电流的KI值，将KI值与标准KI值进行比较，并作为定量化参数计算下一循环点火角的推迟值，发送控制命令到ECU执行。
7.根据权利要求6所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的离子电流的FI值的计算式为：
Figure FDA0003007707350000031
其中，ρ1为爆震时离子电流信号的振荡基频，L为选取的频率积分带宽，I(f)为以振荡频率的角度分析对应的离子电流信号，f为振荡频率。
8.根据权利要求6所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的离子电流的KI值的计算式为：
Figure FDA0003007707350000032
Figure FDA0003007707350000033
其中，Aion为离子电流振荡的ρ1基频幅值分量，CAI90为90％离子电流积分值对应的曲轴转角，CAI10为10％离子电流积分值对应的曲轴转角，
Figure FDA0003007707350000034
为离子电流时域积分中值，I(t)为以时间的角度分析对应的离子电流信号，t为时间。
9.根据权利要求1所述的一种基于离子电流的天然气发动机燃烧循环控制装置，其特征在于，所述的离子电流采集模块(2)嵌设在点火线圈中，所述的燃烧循环控制模块(3)嵌入ECU中。
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