采用離子電流法的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)失火診斷

高忠權(quán),李春艷,藺子雨,馮克夕,劉圣華

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),710049,西安;2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,050091,石家莊)

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采用離子電流法的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)失火診斷

高忠權(quán)1,李春艷1,藺子雨2,馮克夕1,劉圣華1

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),710049,西安;2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,050091,石家莊)

在一臺(tái)由四缸柴油機(jī)改裝而成的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上,采用以火花塞作為傳感器的離子電流測(cè)量法在線獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒和3種典型失火工況時(shí)的離子電流信號(hào),分析了它們之間的異同,給出了3種典型失火工況的離子電流信號(hào)特征值,并利用離子電流的焰后區(qū)峰值幅值及峰值位置量化了試驗(yàn)用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火的判定依據(jù)。結(jié)果表明:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí),離子電流曲線只含有前鋒區(qū)和焰后區(qū);當(dāng)火焰不能連續(xù)傳播而引起失火時(shí),離子電流信號(hào)在上止點(diǎn)附近出現(xiàn)若干尖峰;當(dāng)斷油引起失火時(shí),離子電流只出現(xiàn)點(diǎn)火信號(hào);當(dāng)緩慢燃燒引起失火時(shí),離子電流波形分別在前鋒區(qū)和焰后區(qū)出現(xiàn)峰值。該結(jié)果可為離子電流法在點(diǎn)燃式甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

離子電流;甲醇發(fā)動(dòng)機(jī);失火;在線測(cè)量

失火是發(fā)動(dòng)機(jī)非正常燃燒的典型現(xiàn)象,失火嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致排放中有害氣體濃度急速升高、尾氣處理裝置中的催化劑“中毒”、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大幅度下降等,失火率達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[1-3]。因此,快速、準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失火進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)精確抑制失火發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前,國(guó)內(nèi)外有關(guān)失火檢測(cè)方法有以下幾種:通過(guò)比較壓力傳感器采集到的壓力信號(hào)與給定的壓力閾值來(lái)判斷失火[4];通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域或幅值分析來(lái)判斷失火[5];根據(jù)排氣成分的變化判斷失火;采用寬帶氧傳感器進(jìn)行失火測(cè)量[6-7]。上述方法在應(yīng)用上均有缺點(diǎn),即壓力傳感器成本較高,振動(dòng)傳感器的診斷精度較低,排氣組分分析響應(yīng)滯后。離子電流法是近年提出的一種發(fā)動(dòng)機(jī)在線測(cè)量方法,其可成功提取發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中燃燒室內(nèi)的壓力[8-9]、混合氣空燃比[10]及非正常燃燒[11-12]等信息,實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)在線實(shí)時(shí)測(cè)量和燃燒室分缸測(cè)量。

以甲醇作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)排放一般要低于汽油機(jī)[13],甲醇通常以摻混的方式應(yīng)用于汽油機(jī)[14]。雖然關(guān)于甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方面的研究較多,但是關(guān)于離子電流法在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在線測(cè)量的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。本文在一臺(tái)四缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)加裝點(diǎn)火火花塞、采用直噴純甲醇形式進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的在線測(cè)量,同時(shí)分析、比較了正常燃燒與3種典型失火工況下離子電流信號(hào)之間的異同,給出了3種典型失火工況下離子電流信號(hào)的特征,并利用數(shù)學(xué)方法給出了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火的判斷依據(jù),以期為離子電流法在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)由西安交通大學(xué)汽車系的一臺(tái)4102QB型柴油機(jī)改裝而成,具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。圖1給出了離子電流測(cè)量系統(tǒng)電路圖。測(cè)量系統(tǒng)的線路從布置在缸蓋頂部的火花塞正極上引出,連接了具有高截止電壓的高壓硅堆、直流-直流型偏置直流電源(輸入電壓為12 V、輸出電壓為400 V)、分壓電阻R2(R2=100 kΩ)及分壓電阻R1后接地。數(shù)字采集儀的探頭布置在電阻R2上,以采集離子電流信號(hào)。為了抑制環(huán)境中的噪聲對(duì)離子電流信號(hào)的干擾,本試驗(yàn)選擇了容值為22 μF的濾波電容且并聯(lián)在R2兩端,火花塞負(fù)極與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體連接并共接地。試驗(yàn)采用了日本橫河(Yokogawa)數(shù)據(jù)采集設(shè)備,型號(hào)為DL750,其具有多個(gè)采集通道,可同時(shí)記錄離子電流、壓力與曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為純甲醇。

圖1 離子電流測(cè)量系統(tǒng)電路

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí)的離子電流

圖2給出了平均有效壓力pme=0.7 MPa、轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、點(diǎn)火時(shí)刻(上止點(diǎn)前)為22°及正常工作時(shí)的壓力和離子電流曲線及其對(duì)應(yīng)的放熱率和溫度曲線,該曲線值為100個(gè)循環(huán)的平均值。由圖2可知,離子電流曲線只包括了前鋒區(qū)和焰后區(qū)兩個(gè)階段,沒(méi)有出現(xiàn)點(diǎn)火信號(hào)。這是由于本試驗(yàn)采用了基于柴油機(jī)改裝的點(diǎn)火系統(tǒng),其高壓硅堆為截止電壓為50 kV/A的大型高壓硅堆,可有效阻止點(diǎn)火線圈點(diǎn)火時(shí)釋放的高電壓以及在火花塞兩極間產(chǎn)生的高壓、高頻振蕩電壓對(duì)測(cè)量電路的干擾。

從圖2還可以看出,前鋒區(qū)始于點(diǎn)火發(fā)生后,離子電流從上止點(diǎn)前22°開(kāi)始并逐漸小幅上升,隨后緩慢回落至上止點(diǎn)前3°。此階段,電流主要由火核及燃燒前期火焰前鋒面內(nèi)化學(xué)離子化過(guò)程產(chǎn)生的CH3+、CHO+、C3H3+和H3O+以及自由電子等帶電粒子形成,其中H3O+居首位[15],該電流反映了火核形成與火焰發(fā)展過(guò)程中的燃燒信息。

離子電流在上止點(diǎn)前3°開(kāi)始急劇上升,達(dá)到峰值后逐漸下降為0,這一階段為焰后區(qū)。由溫度曲線和放熱率曲線可知,在上止點(diǎn)前3°處溫度達(dá)到了1 700 K左右,放熱率開(kāi)始急劇升高。該階段離子電流主要由已燃區(qū)高溫?zé)犭婋xNO組分產(chǎn)生的NO+離子為主導(dǎo)。根據(jù)Zeldovich理論[16],NO組分熱電離能最低,一般在1 650 K以上NO可被熱電離成NO+離子,因此后焰區(qū)離子電流主要與缸內(nèi)溫度有關(guān)。當(dāng)缸內(nèi)壓力達(dá)到最大時(shí),溫度幾乎同時(shí)達(dá)到最高,焰后區(qū)離子電流出現(xiàn)最大值。

(a)離子電流、缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

(b)放熱率、缸內(nèi)平均燃燒溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化圖2 離子電流、壓力、放熱率及缸內(nèi)平均燃燒溫度曲線

2.2 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)失火時(shí)的離子電流

失火的發(fā)生方式一般為以下3種典型工況:①火焰不能順利傳播引起的失火;②斷電引起的失火;③緩慢燃燒引起的失火。本節(jié)針對(duì)上述3種失火進(jìn)行了測(cè)量和診斷。

2.2.1 火焰不能連續(xù)傳播引起的失火 圖3為火焰不能連續(xù)傳播引起失火時(shí)的離子電流(100個(gè)循環(huán)平均值)。此失火工況為:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min,pme=0.27 MPa,點(diǎn)火時(shí)刻θig=13°(上止點(diǎn)前)。這是由于在優(yōu)化點(diǎn)火提前角試驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)火正時(shí)太晚、偏離最佳點(diǎn)火提前角(上止點(diǎn)前21°)過(guò)大,以及點(diǎn)火時(shí)火花塞附近的混合氣太稀導(dǎo)致部分循環(huán)中火焰無(wú)法順利傳播所致。但是,發(fā)動(dòng)機(jī)并不是在所有循環(huán)都會(huì)失火,仍有部分循環(huán)中的燃燒還在進(jìn)行,因此發(fā)動(dòng)機(jī)仍連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。從圖3可以看出,失火時(shí)離子電流曲線包含了幾個(gè)很小并且不連續(xù)的尖峰,直到上止點(diǎn)附近尖峰消失。根據(jù)離子電流檢測(cè)原理可知,第1個(gè)峰值從出現(xiàn)時(shí)刻可推斷其為點(diǎn)火高壓釋放后在火花塞兩極間產(chǎn)生的振蕩感應(yīng)電勢(shì)所為;此后出現(xiàn)的2個(gè)峰值均為與燃燒相關(guān)的離子電流峰值。當(dāng)火焰無(wú)法連續(xù)傳播,且燃燒無(wú)法進(jìn)行時(shí),缸內(nèi)溫度較低,檢測(cè)到的信號(hào)主要是以火焰前鋒區(qū)化學(xué)離子化產(chǎn)生的帶電離子主導(dǎo)的離子電流。圖中與燃燒相關(guān)的2個(gè)峰值信號(hào)僅有2 μA左右,而圖2正常燃燒時(shí)的在焰后區(qū)的離子電流峰值為50 μA左右,這與混合氣有效參與燃燒的質(zhì)量有關(guān)。火核形成但不能發(fā)展而導(dǎo)致失火時(shí),參與燃燒的混合氣極少,火焰中的離子數(shù)大大減少,此時(shí)采集到的離子電流峰值遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí)的離子電流峰值。

圖3 火焰不能連續(xù)傳播引起失火時(shí)的離子電流

2.2.2 斷油引起的失火 圖4為強(qiáng)制缸內(nèi)斷油(關(guān)閉油路)發(fā)生失火時(shí)測(cè)得的離子電流(100個(gè)循環(huán)平均值)。該工況為電機(jī)帶動(dòng)倒拖使發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),缸內(nèi)未發(fā)生燃燒。此時(shí),離子電流曲線只包含了1個(gè)尖脈沖電流。這既與圖2正常燃燒時(shí)的點(diǎn)火信號(hào)被高壓硅堆隔離的離子電流有所不同,也與圖3中失火時(shí)的離子電流明顯不同。其原因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)沒(méi)有甲醇燃料噴入,燃燒室內(nèi)未發(fā)生任何燃燒,所以不存在因燃燒產(chǎn)生的帶電粒子。離子電流測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到的尖峰信號(hào)是由點(diǎn)火線圈在點(diǎn)火時(shí)釋放高壓而引起的強(qiáng)感應(yīng)電勢(shì)所致。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知,火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃時(shí)化學(xué)當(dāng)量比下的燃料與空氣的混合氣所需能量約為0.2 mJ,對(duì)于偏濃或者偏稀可燃混合氣的所需能量要大于3 mJ,而常用的點(diǎn)火系統(tǒng)釋放的能量約為30～50 mJ,所以點(diǎn)火時(shí)擊穿兩極間空氣的電壓會(huì)引起兩極間產(chǎn)生振蕩感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)幅值較高。

圖4 缸內(nèi)斷油引起失火時(shí)的離子電流

2.2.3 緩慢燃燒引起的失火 圖5為n=1 500 r/min、pme逐步提高時(shí)采集到的幾組失火工況的離子電流(100個(gè)循環(huán)平均值)。

(a)pme=0.09 MPa時(shí)的離子電流

(b)pme=0.45 MPa時(shí)的離子電流

(c)pme=0.71 MPa時(shí)的離子電流

(d)pme=0.80 MPa時(shí)的離子電流圖5 失火工況下的離子電流

由圖5a可以看出,pme=0.09 MPa時(shí)焰后區(qū)離子電流幾乎與火焰前鋒區(qū)合并成一個(gè)峰。由于缸內(nèi)火焰燃燒非常緩慢,缸內(nèi)壓力較小,燃燒室內(nèi)因平均溫度較低而未能使已燃區(qū)NO組分發(fā)生熱電離,因此焰后區(qū)離子電流非常小,且焰后區(qū)離子電流峰值的出現(xiàn)時(shí)刻在上止點(diǎn)后61°。由圖5b可以看出,pme=0.45 MPa時(shí)離子電流除了有火焰?zhèn)鞑コ跗诋a(chǎn)生的前鋒區(qū)峰值外,還明顯出現(xiàn)了燃燒焰后區(qū)峰值,2個(gè)峰存在時(shí)間間隔,這是由缸內(nèi)燃燒壓力大幅度提高、燃燒溫度上升、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢、焰后區(qū)與前鋒區(qū)位置較遠(yuǎn)所致。由圖5c可以看出,pme=0.71 MPa時(shí)離子電流呈現(xiàn)明顯的前鋒區(qū)與焰后區(qū)峰值,但2個(gè)峰的距離縮短,2個(gè)峰的幅值均有所增加,這是由壓力小幅提高后缸內(nèi)燃燒溫度進(jìn)一步升高、缸內(nèi)燃燒速度加快、焰后區(qū)出現(xiàn)時(shí)刻提前所致。由圖5d可以看出,pme=0.80 MPa時(shí)離子電流仍然呈現(xiàn)前鋒區(qū)與焰后區(qū)2個(gè)峰,但2個(gè)峰發(fā)生重疊,這是由于壓力進(jìn)一步提高后燃燒溫度升高、缸內(nèi)燃燒速度加快、焰后區(qū)與前鋒區(qū)位置較近所致。

2.3 失火的評(píng)價(jià)

根據(jù)離子電流信號(hào)可以判斷甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是否失火,但失火存在多種情況,因此本節(jié)給出了根據(jù)離子電流診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火的量化方案。

(1)失火率。發(fā)動(dòng)機(jī)失火率

(1)

(2)離子電流特征參數(shù)。失火時(shí)離子電流在焰后區(qū)峰值幅值及峰值位置相比于正常燃燒有明顯區(qū)別,因此可以結(jié)合焰后區(qū)峰值大小及其出現(xiàn)時(shí)刻來(lái)診斷發(fā)動(dòng)機(jī)失火。定義離子電流特征參數(shù)

(2)

(3)

式中:IM為焰后區(qū)離子電流最大值;Iraw為焰后區(qū)離子電流原始數(shù)據(jù);tI為焰后區(qū)離子電流最大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。經(jīng)試驗(yàn)分析可確定失火發(fā)生的閾值,當(dāng)IM<26 μA、tI>20°(上止點(diǎn)后)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)將發(fā)生失火;當(dāng)IM=26～60 μA、tI=0°～20°(上止點(diǎn)后)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒。

對(duì)圖4和圖5采集到的失火離子電流進(jìn)行分析,并分別統(tǒng)計(jì)其失火率,可以對(duì)失火診斷的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 失火評(píng)價(jià)結(jié)果

由表1可知,離子電流特征參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系,這說(shuō)明離子電流峰值法可以有效診斷甲醇缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的失火。

3 結(jié) 論

(1)采用離子電流測(cè)量法對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了在線測(cè)量,正常燃燒測(cè)量得到的離子電流曲線只包含前鋒區(qū)和焰后區(qū)。

(2)失火時(shí)測(cè)量得到的離子電流曲線形態(tài)隨失火情況的不同而有所不同。當(dāng)火焰不能順利傳播引起失火時(shí),離子電流存在若干不連續(xù)的尖峰;當(dāng)斷油引起失火時(shí),離子電流只有1個(gè)尖峰;當(dāng)緩慢燃燒引起失火時(shí),離子電流呈現(xiàn)2個(gè)峰。

(3)根據(jù)離子電流波形的焰后區(qū)峰值幅值及峰值位置,提出了量化評(píng)價(jià)失火的方法:當(dāng)IM<26 μA、tI>20°(上止點(diǎn)后)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火;當(dāng)IM=26～60 μA、tI=0°～20°(上止點(diǎn)后)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒。

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(編輯 苗凌)

Misfire Diagnosis of Methanol Engine with Ion Current Method

GAO Zhongquan1,LI Chunyan1,LIN Ziyu2,FENG Kexi1,LIU Shenghua1

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Hebei College of Industry and Technology, Shijiazhuang 050091, China)

The ion current signals of normal combustion and three kinds of typical misfire conditions were obtained with ion current method from a methanol engine refitted by a four-cylinder diesel engine, where the spark plug was served as a sensor. A comparative analysis of shapes was carried out between the ion current signals obtained under normal and abnormal combustion conditions. Analyzing their similarities and differences, the characteristic values of the ion current signals under three kinds of typical misfire conditions were given. The misfire criterion of methanol engine was established according to the peak value and the timing of the peak value of ion current. The ion current curve contains only front flame and post flame under normal condition. When misfire occurs under different operating conditions, the shape of the ion current becomes quite different. The ion current curve possesses a number of peaks as interrupted flame occurs; the ion current just has one peak as fuel is not supplied; for part-combustion, the ion current curve possesses two peaks at the front and post zones. Thus a misfire evaluation criterion is established according to the peak value of post-flame current and appearance of the peaks.

ion current; methanol engine; misfire; on-line detection

2015-02-04。作者簡(jiǎn)介:高忠權(quán)(1982—),男,博士,講師?；痦?xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306143);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(xjj2013001)。

時(shí)間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511008

TK431

A

0253-987X(2015)11-0044-05

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