CN1920512A - 均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置 - Google Patents

Abstract

均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置。发明的目的是提供一种利用火花塞离子电流在线检测均质压燃状态，以实现双模式燃烧的闭环控制。本发明的特征是，高压点火线圈串接于两个单向导通器件、直流电源模块和检测电阻。火花塞接于二个单向导通器件之间，信号处理模块并联于检测电阻的两端。信号处理模块对检测电阻的信号进行处理最终获得与燃烧相关的一组离子电流特征信号。采用动态递归算式获得燃烧相位、指示平均有效压力和混合放热率特征值。本发明的特点是利用火花塞产生的离子电流，通过计算在线检测缸内燃烧相位、负荷、混合放热率特征值和非正常燃烧参数等，为燃烧过程闭环控制及两种燃烧模式之间的平滑过渡直接提供反馈信息。

Description

均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置

                              技术领域

本发明属于内燃机缸内燃烧参数检测技术，特别涉及一种均质压缩燃烧与火花点火燃烧的双模式汽油机在线检测燃烧相位和燃烧模式的方法及装置。

                              背景技术

均质压缩燃烧(HCCI)方式综合了汽油发动机均质混合气和柴油机无节气门无火焰面传播的优点，可获得与直喷柴油机相同的高热效率和极低的NOx及微粒排放。实现HCCI燃烧的方式有多种，其中基于内部残余废气管理的汽油HCCI燃烧，被认为是一种最实用的方式。根据运行工况的需要，控制一定量的已燃高温废气残留在缸内，加热下一个循环的新鲜充量，使其在压缩过程接近上止点时自燃着火。HCCI发动机的着火时刻主要由混合气的成分、温度和压力的变化历程决定，着火时刻及燃烧过程只能通过间接控制，所以着火及燃烧状态控制是HCCI发动机能否正常工作所面临的主要问题。

由于HCCI燃烧是均质混合气压燃着火，缸内多点同时着火，因此发动机在大负荷工况时过快的燃烧反应速度会引起爆震燃烧，其结果是造成过大的燃烧压升率，引起发动机的机械负荷和热负荷过大，甚至造成发动机损坏，同时会引起发动机高噪声和高的NOx排放，因此HCCI发动机存难于向大负荷扩展。另一方面，对于高辛烷值燃料，低负荷、低转速工况下，因燃烧反应速度过慢又将引起火焰温度过低，难以形成稳定的着火条件，导致燃烧不充分，形成大量的未完全燃烧产物同时增加了有害排放物，而且怠速工况下容易出现“失火”。鉴于此HCCI发动机存在着难以向大负荷和小负荷工况扩展运行工况范围的问题。目前比较实用的方法是在HCCI燃烧难以实现的工况仍采用传统的火花点燃燃烧(SI)，而在其它运行工况范围内使用HCCI燃烧，即双模式工况运行方式。根据实际运行需要，通过调整可变气门机构，控制内部残余废气，来进行有效的动态热管理，进而实现对HCCI稳定燃烧工况的控制并在HCCI燃烧模式的边界区域进行燃烧模式之间的平滑过渡。汽油机HCCI燃烧放热过程分为两个阶段，即低温预混燃烧放热阶段和高温主燃烧放热阶段。低温预混燃烧放热阶段放热速度比较慢，与传统意义上的着火延迟期相类似，当缓慢放热阶段积累的热量足以引起大部分燃料的自燃，快速放热阶段开始。两阶段放热率的分界点为燃烧累计放热率拐点位置。两阶段燃烧反应占总放热率的比例反映了HCCI燃烧稳定性和运行工况距离边界区域的情况，可以用于模式过渡闭环反馈控制。

为了控制HCCI稳定燃烧和模式过渡，需要一个来自燃烧传感器的反馈信号以确定实际燃烧过程的状态。目前的研究中主要用压电式压力传感器监测燃烧室内的压力。燃烧压力传感器价格昂贵且使用该传感器需要对燃烧室进行重新设计。火花塞离子电流检测技术是利用现有SI燃烧的火花塞作为传感装置，检测缸内燃烧相位和状态，相对于其他传统检测技术来说它可以直接反映燃烧过程，检测响应快，更重要的是不需要对发动机进行重新设计，同时成本低廉。

近年来离子电流检测传感技术受到广泛关注，已有大量的文献和专利申请。但目前研究离子电流主要集中于SI燃烧情况下失火和爆震的研究。由于HCCI负荷拓展问题，双模式下缸内燃烧状态检测和HCCI燃烧边界区域模式识别与平稳过渡显得尤为重要。本发明提出了通过离子电流检测传感检测装置和动态递归处理算法实现了双模式汽油机燃烧信息在线传感和闭环控制。

                                发明内容

针对HCCI燃烧控制目前存在的问题和难点，本发明的目的是利用现有SI燃烧的火花塞上采用火花塞离子电流在线检测HCCI燃烧相位和判断HCCI燃烧边界区域，提出一种均质压缩燃烧与火花塞点火燃烧的双模式汽油发动机燃烧信息在线检测方法与装置。

以下结合附图对本发明的原理与方法进行说明。本发明包括两部分：离子电流检测和燃烧信息计算。

离子电流检测部分包括：火花塞1、高压点火线圈2、单向导通器件(单向导通器件或二极管等)3、直流电源模块4、检测电阻5、单片机11等。高压点火线圈2串接于单向导通器件3-1和单向导通器件3-2、直流电源模块4和检测电阻5。火花塞1接于第一个单向导通器件3-1与第二个单向导通器件3-2之间。直流电源模块4正极连接缸体6。信号处理模块7并联于检测电阻5的两端，单片机11的A/D通道连接信号处理模块7，如图1。通过给火花塞1施加直流电压，经过放大和滤波检测获得输出火花塞两个电极之间的离子电流信号。在火花塞1与高压点火线圈2之间设置单向导通器件3-1，目的是为阻止直流电源模块4有可能损坏高压点火线圈2。直流电源模块4正极连接发动机缸体6，负极连接离子电流检测电阻5。检测电阻5的另一端连接单向导通器件3-2，目的是用于隔离高压点火脉冲对离子电流检测系统的干扰和损坏。单向导通器件3-2直接与火花塞1高压放电中心电极相接。对检测电阻5两端的电压信号通过信号处理模块7进行差分、隔离和放大，得到离子电流信号8。直流电源模块4的极性方向使离子电流信号8与火花塞点火时在检测电阻上检测到的信号方向相反，可有效避免点火高压对离子电流检测的影响。同时检测电阻5置于直流电源模块4负极可以有效减低电源纹波电压对检测信号的干扰。

缸内可燃混合气燃烧过程，HCCI燃烧受化学反应动力学控制，发生大量的化学反应，进行化学电离。在直流电源模块4的偏置作用下，电离离了发生定向移动，由此检测到离子电流信号8。离子电流的相位和幅值由缸内可燃混合气的燃烧相位和燃烧速度决定，因而离子电流信号8能够反映不同放热阶段的放热过程。通过对检测到的离子电流信号8进行特征值提取，获得与燃烧相关的一组离子电流特征信号，其中包括：离子电流拐点相位和幅值18、离子电流峰值相位和幅值19和离子电流面积20。基于缸内残余废气的HCCI燃烧，不仅受到缸内残余废气、缸内流场等因素的控制，而且还与燃烧室和缸壁热状态等因素密切相关，当时循环的着火及燃烧过程可能受到前一个甚至前若干循环的影响，因此发动机运行具有很强的动态特性。本发明采用一种动态递归算式，以离子电流特征信号以及发动机运行参数为输入，实时计算燃烧相位、负荷以、放热过程中点燃燃烧和压燃燃烧的比例、失火程度的失火比例系数(即(即发动机一定运转循环中的失火循环数))和爆震程度的爆震强度系数，实现对HCCI稳定燃烧工况的控制并在HCCI燃烧模式的边界区域进行燃烧模式之间的平滑过渡。发动机运行参数包括：发动机转速、发动机负荷、进气门相位和升程与排气门相位和升程。

燃烧信息计算：对检测到的离子电流信号8通过单片机11的模拟量采样(A/D)通道进行实时采集，同步捕捉上止点信号9和角标信号10(如图1)。单片机11采集到离子电流信号8后，首先提取离子电流信号波形的主要特征值，然后利用动态递归算式A和算式B，计算出缸内燃烧10％累积放热率对应的曲轴转角位置12、50％累积放热率对应的曲轴转角位置13、90％累积放热率对应的曲轴转角位置14、指示平均有效压力15、混合放热率特征值16，非正常燃烧参数17。混合放热率特征值为燃烧累积放热率中火花点火燃烧放热率和均质压缩燃烧放热率两种模式的比例因子k，非正常燃烧(17)为表达失火程度的失火比例系数(即(即发动机一定运转循环中的失火循环数))和爆震程度的爆震强度系数(如图3)，用于边界区域模式识别。利用离子电流信号8达到对HCCI稳定燃烧进行闭环控制和边界区域模式过渡控制。

动态递归算式为：

$S_j\left(k\right)=2/(1+e^{(-2)\×(\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}(u_i\left(k\right)\×W_{\mathrm{ji}})+\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_t(k-1)\×V_{\mathrm{jt}})+b_j)})-1---\left(A\right)$

$y\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_j\left(k\right)\×W_j)+g---\left(B\right)$

式中：y(k)为第k个循环的待预测参数：10％累积放热率对应的曲轴转角位置12、50％累积放热率对应的曲轴转角位置13、90％累积放热率对应的曲轴转角位置14、指示平均有效压力15、混合放热率特征值16，非正常燃烧参数17，W_ji为输入层21到隐层22的连接权值，V_ti为结构层25到隐层22的连接权值，b_j为隐层22第j个节点的阈值，W_j为隐层22到输出层23的连接权值，g为输出层23的阈值，S_j(k)为隐层22第j个节点的输出，S_j(k-1)为结构层25第j个节点的输入(如图4)。

权值、阈值W_ji、V_ti、W_j、b_j和g确定过程为动态递归算式标定过程：对不同工况下，输入发动机运行参数和离子电流特征信息，通过对动态递归算式进行误差判别，不同工况点下平均误差最小的一组权值、阈值作为动态递归算式的系数，完成对燃烧信息计算模块的标定。

                            附图说明

图1为本发明火花塞离子电流检测原理示意图

图2为离子电流特征与缸内压力、累计放热率关系示意图

图3为SI-HCCI混合放热率示意图。

上部分为HCCI燃烧，下部分为SI燃烧，累积放热率的拐点T为两种放热燃烧的分界点。

图4为本发明动态递归算式计算过程原理图

图5为本发明燃烧信息计算流程图

图6为本发明燃烧信息动态递归算式标定工况设计及标定流程示意图

图中：1-火花塞，2-高压点火线圈，3-1第一个单向导通器件，3-2第二个单向导通器件，4-直流电源模块，5-检测电阻，6-缸体，7-信号处理模块，8-离子电流信号，9-上止电信号，10-角标信号，11-单片机，12-10％累积放热率对应的曲轴转角位置、13-50％累积放热率对应的曲轴转角位置，14-90％累积放热率对应的曲轴转角位置，15-指示平均有效压力，16-混合放热率特征值，17-非正常燃烧参数，18-离子电流拐点相位和幅值，19-离子电流峰值相位和幅值，20-离子电流面积，21-输入层，22-隐层，23-输出层，24-延迟环节，25-结构层。

                            具体实施例

以下参照附图并通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

均质压缩燃烧与火花点火燃烧双模式离子电流在线检测装置(如图1)，在火花塞1两极加入直流电源模块4作为偏置电压，直流电源模块4极性方向使得检测到的离子电流信号8与火花塞点火时在检测电阻上检测到的信号方向相反，可有效避免点火高压对离子电流检测影响，同时检测电阻置于直流电源模块4负极可以有效减低电源纹波电压对检测信号的干扰。检测电阻5通过单向导通器件3-2与火花塞1高压放电电极连接，单向导通器件3-2用来隔离高压放电对检测信号的干扰。在高压点火线圈2与火花塞1之间需加入单向导通器件3-1，用来隔离偏置电压对点火线圈2的干扰和对离子电流检测的影响。检测电阻5与后面采集分析系统不是共同接地，因此需要对检测电阻5两端输出的信号由信号处理模块7进行处理而输出离子电流信号8。缸内燃烧时，发生化学电流产生大量的电离离子，在偏置电压(200V～600V)的作用下电离离子定向移动，产生离子电流。通过检测电阻5获得离子电流信号8(如图2)。离子电流信号的产生与电离时刻和电离强度相关。采集分析系统对缸内燃烧离子电流基于循环进行采集，同步记录缸内压力信号、角标信号9、上止点信号10和发动机运行参数，包括发动机转速、发动机负荷、进气门相位和升程与排气门相位和升程。

图5为燃烧信息计算流程。首先对采集到的离子电流信号进行去噪/光顺处理，然后分别计算离子流曲线的峰值相位和幅值19、离子流曲线的一次微分、起始点相位和幅值以及终点相位和幅值；根据在起始点和峰值点之间离子流曲线一次微分的最大值求得离子电流拐点相位和幅值18，对起始点与终止点的离子流曲线进行积分求得积分面积20。离子电流拐点相位和幅值18、离子电流峰值相位和幅值19、积分面积20、发动机转速、发动机负荷、进气门相位和升程与排气门相位和升程经过归一化预处理，输入到动态递归算式A和算式B中，经过动态递归网络模型计算后的结果再经过后处理，最终得到10％累积放热率对应的曲轴转角位置12、50％累积放热率对应的曲轴转角位置13、90％累积放热率对应的曲轴转角位置14、指示平均有效压力15、混合放热率特征值16，非正常燃烧参数17等燃烧信息。

图4为动态递归算式计算过程原理图它由输入层21、隐层22、结构层25、延迟环节24和输出层23构成。隐层22将来自输入层21和结构层25的信息进行综合，经过隐层函数的作用，一方面输入给输出层23，一方面经过单位时间的延迟作用后输入给结构层25。动态递归算式如下：

$S_j\left(k\right)=2/(1+e^{(-2)\×(\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}(u_i\left(k\right)\×W_{\mathrm{ji}})+\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_t(k-1)\×V_{\mathrm{jt}})+b_j)})-1---\left(A\right)$

$y\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_j\left(k\right)\×W_j)+g---\left(B\right)$

式中：y(k)为第k个循环的待预测参数：10％累积放热率对应的曲轴转角位置12、50％累积放热率对应的曲轴转角位置13、90％累积放热率对应的曲轴转角位置14、指示平均有效压力15、混合放热率特征值16，非正常燃烧参数17，W_ji为输入层21到隐层22的连接权值，V_ti为结构层25到隐层22的连接权值，b_j为隐层22第j个节点的阈值，W_j为隐层22到输出层23的连接权值，g为输出层23的阈值，S_j(k)为隐层22第j个节点的输出，S_j(k-1)为结构层25第j个节点的输入。

权值、阈值W_ji、V_ti、W_j、b_j和g确定过程为动态递归算式标定过程。在发动机外特性所包络的工况区间内，选取典型的试验点进行变负荷动态试验(如图7)。试验点均布在转速区间和负荷区间。在动态试验过程中，连续记录各个循环的离子电流数据和气缸压力数据。对气缸压力数据，采用普通热力学计算方法，计算燃烧信息参数包括10％累积放热率对应的曲轴转角位置12；50％累积放热率对应的曲轴转角位置13；90％累积放热率对应的曲轴转角位置14；指示平均有效压力15；混合放热率特征值16；非正常燃烧参数17等参数。全部试验点的发动机运行参数、离子电流数据、由热力学(多变指数法)计算得到的燃烧信息参数构成样本集，其中发动机运行参数包括发动机转速、发动机负荷、进气门相位和升程与排气门相位、升程。把该样本集输入到燃烧信息动态递归算式，比较运算得到的燃烧信息与热力学计算所的燃烧信息进行比较，不同工况点下平均误差最小的一组权值、阈值作为动态递归算式的系数，完成对燃烧信息计算模块的标定。通过标定后的动态递归算式即可直接利用发动机运行参数和离子电流特征参数完成缸内燃烧信息：10％累积放热率对应的曲轴转角位置12、50％累积放热率对应的曲轴转角位置13、90％累积放热率对应的曲轴转角位置14、指示平均有效压力15、混合放热率特征值16、非正常燃烧参数17，用于火花点火与均质压缩燃烧双模式发动机稳定燃烧控制和燃烧边界闭环控制。

本发明的有益效果是，利用火花塞检测缸内燃烧产生的离子电流信号，通过单片机的实时算法计算，在线检测缸内燃烧相位、燃烧负荷、混合放热率特征值和非正常燃烧参数，为燃烧过程闭环控制及两种燃烧模式之间的平滑过渡直接提供反馈信息。

Claims (6)

1.均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，具有火花塞(1)、高压点火线圈(2)、单向导通器件(3)、直流电源模块(4)、检测电阻(5)、单片机(11)，其特征在于：高压点火线圈(2)串接于两个单向导通器件(3)、直流电源模块(4)和检测电阻(5)，火花塞(1)接于第一个单向导通器件(3-1)与第二个单向导通器件(3-2)之间，直流电源模块(4)正极连接缸体(6)，信号处理模块(7)并联于检测电阻(5)的两端，单片机(11)的A/D通道连接信号处理模块(7)，信号处理模块(7)对检测电阻(5)两端的电压信号处理获得离子电流信号(8)，通过对离子电流信号(8)进行特征值提取，获得与燃烧相关的一组离子电流特征信号，采用动态递归算式(A)与(B)获得燃烧相位、指示平均有效压力(15)、混合放热率特征值(16)、非正常燃烧参数(17)。

2.根据权利要求1所述的均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，其特征在于所述由离子电流信号(8)特征值提取的一组离子电流特征信号包括：离子电流拐点相位和幅值(18)、离子电流峰值相位和幅值(19)、离子电流面积(20)。

3.根据权利要求1所述的均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，其特征在于所述燃烧相位包括：10％累积放热率对应的曲轴转角位置(12)，50％累积放热率对应的曲轴转角位置(13)，90％累积放热率对应的曲轴转角位置(14)。

4.根据权利要求1所述的均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，其特征在于所述混合放热率特征值(16)为燃烧累积放热率中火花点火燃烧放热率和均质压缩燃烧放热率双种模式的比例因子k。

5.根据权利要求1所述的均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，其特征在于所述的非正常燃烧(17)为表达失火程度的失火比例系数(即(即发动机一定运转循环中的失火循环数))和爆震程度的爆震强度系数。

6.根据权利要求1所述的均质压燃与火花点燃双模式汽油发动机燃烧信息在线检测装置，其特征在于所述动态递归算式(A)与(B)为：

$S_j\left(k\right)=2/(1+e^{(-2)\×(\underset{i=1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}(u_i\left(k\right)\×W_{\mathrm{ji}})+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_t(k-1)\×V_{\mathrm{jt}})+h_j)})-1---\left(A\right)$

$y\left(k\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(S_j\left(k\right)\×W_j)+g---\left(B\right)$

式中：y(k)为第k个循环的待预测参数：10％累积放热率对应的曲轴转角位置(12)、50％累积放热率对应的曲轴转角位置(13)、90％累积放热率对应的曲轴转角位置(14)、指示平均有效压力(15)、混合放热率特征值(16)、非正常燃烧参数(17)，W_ji为输入层(21)到隐层(22)的连接权值，V_ti为结构层(25)到隐层(22)的连接权值，b_j为隐层(22)第j个节点的阈值，W_j为隐层(22)到输出层(23)的连接权值，g为输出层(23)的阈值，S_j(k)为隐层(22)第j个节点的输出，S_j(k-1)为结构层(25)第j个节点的输入。

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