增壓汽油機(jī)早燃在線檢測與診斷

童孫禹， 賀孝愚， 鄧 俊， 李理光，

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院; 2.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092)

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增壓汽油機(jī)早燃在線檢測與診斷

童孫禹1， 賀孝愚2， 鄧 俊1， 李理光1，2

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院; 2.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 200092)

基于缸內(nèi)離子電流檢測技術(shù)，在一臺增壓進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)上研究了進(jìn)氣溫度、負(fù)荷、點(diǎn)火提前角、空燃比對于早燃發(fā)生頻率的影響.試驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提升進(jìn)氣溫度并不會增加早燃發(fā)生頻率，增大負(fù)荷及增大點(diǎn)火提前角將會增加早燃發(fā)生頻率，缸內(nèi)混合氣加濃將有效抑制早燃發(fā)生頻率但是會增加油耗.采用的離子電流檢測技術(shù)，可以實時快速檢測早燃循環(huán).并與缸壓閾值法相比，離子電流信號判斷早燃更準(zhǔn)確，能夠識別全部早燃循環(huán)，包括燃燒壓力較小的早燃循環(huán)，同時離子電流檢測法能夠在上止點(diǎn)前25°CA檢測到早燃發(fā)生的特征信號，這為發(fā)動機(jī)采取早燃消除方法提供了技術(shù)可能.

增壓汽油機(jī)；離子電流檢測；早燃檢測

當(dāng)代增壓小排量汽油機(jī)由于熱負(fù)荷的大幅提升，發(fā)生一種非正常的燃燒現(xiàn)象——早燃(在火花塞點(diǎn)火之前已經(jīng)產(chǎn)生了不斷擴(kuò)散的火焰前鋒面)的困擾[1-5].事實上，早燃在火花點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)不同發(fā)展過程中，不斷的受到關(guān)注.1950～1960年間，發(fā)動機(jī)壓縮比迅速提高，由此產(chǎn)生的早燃對發(fā)動機(jī)造成了非常嚴(yán)重的后果[6-10].與爆震相比，早燃一度被認(rèn)為會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生更大的損害，并且阻礙進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)性能[9].

在火花塞點(diǎn)火之前，早燃會導(dǎo)致缸內(nèi)壓力迅速上升并且超過壓縮缸壓.早燃的前期燃燒階段會導(dǎo)致未燃的終燃混合氣壓力及溫度上升速度大大快于正?；鸹ㄈc(diǎn)火產(chǎn)生的火焰前鋒面的速度.如果在高壓高溫的終燃混合中產(chǎn)生自燃，將會導(dǎo)致非常劇烈的爆震，即“超級爆震”.超級爆震產(chǎn)生的極高的燃燒壓力及劇烈的缸壓震蕩將會對發(fā)動機(jī)造成很大的危害[4-8].

由于早燃很有可能會產(chǎn)生超級爆震，并對發(fā)動機(jī)造成潛在的危害，目前國內(nèi)外對抑制早燃已經(jīng)開展了不少研究，早燃發(fā)生在低轉(zhuǎn)速(<3 000 r·min-1)及高負(fù)荷(BMEP>1.0 MPa)，并具有如下特點(diǎn)：早于火花塞點(diǎn)火之前著火并開始燃燒;燃燒初期速度相對緩慢與汽油機(jī)正常燃燒速度相近.燃燒速度會突然提高，劇烈反應(yīng)產(chǎn)生極高的缸壓及震蕩[9].

Dahnz[11]研究發(fā)現(xiàn)早燃發(fā)生頻率隨著試驗汽油辛烷值增大而降低，同時存放時間較久的RON100汽油早燃發(fā)生頻率較高.Zahdeh[12]提出加濃混合氣，可以減少早燃發(fā)生頻率，抑制早燃發(fā)生.KIT的Palaveev[13]提出通過在壓縮行程噴射燃油，形成分層混合氣可以降低早燃及超級爆震的發(fā)生頻率.美國西南研究院的Amann等人[14]通過實驗發(fā)現(xiàn)，中冷廢氣循環(huán)對早燃有明顯的抑制作用，然而增加中冷EGR將影響發(fā)動機(jī)功率密度并且增加硬件成本.

由于早燃是一種偶發(fā)的非正常燃燒現(xiàn)象，非常難以捕捉.并且由早燃引發(fā)的超級爆震極易損壞發(fā)動機(jī).因此是當(dāng)前小排量和高增壓汽油機(jī)所面臨的共性問題，也成為當(dāng)前行業(yè)研究的重點(diǎn).盡管圍繞早燃的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素的研究較多，但在線診斷，特別是提前預(yù)報診斷的研究未見報道.本文基于缸內(nèi)離子電流檢測技術(shù)，研究進(jìn)氣溫度、負(fù)荷、點(diǎn)火提前角、空燃比對于早燃發(fā)生頻率的影響和在線診斷技術(shù)，為早燃的提前預(yù)報和控制提供研究方法和技術(shù)支持.

1 試驗裝置與方法

1.1 增壓進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)試驗平臺

增壓進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射(PFI)汽油機(jī)試驗臺架如圖1所示.發(fā)動機(jī)為1.8 T渦輪增壓進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射發(fā)動機(jī)，測功機(jī)為凱邁電力測功機(jī)，通過AVL油耗儀來供油，油壓控制在0.4 MPa，通過改造冷卻水路和進(jìn)氣中冷使得發(fā)動機(jī)能正常運(yùn)行.并通過Kistler 6118B型火花塞式缸壓傳感器來測缸壓，及定制的集成在點(diǎn)火線圈中的離子電流采集電路采集離子電流信號，離子電流檢測系統(tǒng)如圖2所示.

發(fā)動機(jī)控制單元為博世提供，通過ES590連接電腦，試驗中發(fā)動機(jī)負(fù)荷、點(diǎn)火時刻、噴油量等均可通過ES590對ECU進(jìn)行調(diào)節(jié).

試驗發(fā)動機(jī)為1.8L渦輪增壓多點(diǎn)噴射汽油機(jī)，具體參數(shù)如表1所示.

表1 試驗用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗方法

早燃一般在低速大負(fù)荷工況較易產(chǎn)生.本試驗選取最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的最低轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行研究.早燃試驗工況見表2.該發(fā)動機(jī)負(fù)荷由充氣效率定義.在加濃抑制早燃試驗中，通過調(diào)整噴油脈寬以此調(diào)節(jié)空燃比.

圖1 增壓PFI汽油機(jī)試驗系統(tǒng)

圖2 離子電流檢測電路

表2 早燃試驗工況

由于早燃現(xiàn)象具有隨機(jī)性，試驗過程中，在穩(wěn)定工況下連續(xù)采集5 000個循環(huán)記錄發(fā)生的早燃循環(huán)次數(shù)，每組試驗進(jìn)行3次并取平均值，以此評價每種工況下早燃發(fā)生頻率.

2 試驗結(jié)果和討論

在試驗過程中，發(fā)動機(jī)持續(xù)工作在滿負(fù)荷，如圖3所示，在連續(xù)循環(huán)中，早燃隨機(jī)產(chǎn)生，又自行消失.第一個早燃循環(huán)最高缸壓達(dá)到12 MPa，緊隨著兩個正常燃燒循環(huán)，缸壓都超過5 MPa，之后隨機(jī)出現(xiàn)的早燃引發(fā)超級爆震，最高缸壓超過20 MPa，大大高于該發(fā)動機(jī)在此工況下正常燃燒壓力4 MPa左右.如圖4所示，正常燃燒循環(huán)及不同早燃循環(huán)，可以看到當(dāng)早燃發(fā)生時，燃燒起始時刻先于點(diǎn)火時刻，混合氣發(fā)生自燃，缸壓脫離壓縮線，產(chǎn)生較高燃燒壓力.不同早燃循環(huán)產(chǎn)生缸壓峰值壓力也有所不同.在本文中，將缸壓超過10 MPa的循環(huán)，定義為疑似早燃循環(huán)，并在采集卡中記錄當(dāng)前疑似早燃循環(huán)，同時記錄該循環(huán)前20個及后20個燃燒循環(huán).并在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，識別是否是早燃循環(huán)，并做分析.

圖3 連續(xù)循環(huán)中的早燃循環(huán)

圖4 典型早燃循環(huán)的缸內(nèi)壓力實測曲線

2.1 進(jìn)氣溫度對早燃發(fā)生頻率影響

進(jìn)氣溫度上升將直接導(dǎo)致混合氣壓縮終了溫度上升，但是由于進(jìn)氣溫度上升后，混合氣密度下降，充氣效率下降，負(fù)荷降低，影響早燃發(fā)生頻率.從圖5知，當(dāng)進(jìn)氣溫度從40℃(早燃發(fā)生次數(shù)為3，2，2)上升到45℃(早燃發(fā)生次數(shù)為2，1，2)，并達(dá)到52℃時(早燃發(fā)生次數(shù)為1，1，1)，負(fù)荷依次下降為130%，121%，106%.早燃發(fā)生頻率有下降趨勢.由此說明進(jìn)氣溫度上升雖然會導(dǎo)致混合氣壓縮終了溫度上升，但是由于充氣效率降低影響負(fù)荷.故早燃發(fā)生頻率隨著進(jìn)氣溫度上升呈下降趨勢.

圖5 進(jìn)氣溫度對早燃發(fā)生頻率的影響

2.2 發(fā)動機(jī)負(fù)荷對早燃發(fā)生頻率的影響

在實驗中通過臺架油門控制器控制發(fā)動機(jī)油門踏板，油門踏板信號發(fā)送至ECU，ECU根據(jù)封裝的計算模型結(jié)合節(jié)氣門開度，進(jìn)氣溫度，壓力及踏板行程計算出當(dāng)前發(fā)動機(jī)負(fù)荷，負(fù)荷信號通過CAN連接采集卡并記錄.所以試驗時通過調(diào)節(jié)臺架油門控制器實現(xiàn)發(fā)動機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定時，完成工況記錄.負(fù)荷分別為90%,100%,116%,120%和130%.如圖6所示，早燃發(fā)生頻率依次為0，0.3，1.68，1.68，2.3.可見早燃發(fā)生頻率隨著負(fù)荷不斷增加而不斷增大.這是由于在固定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門加大，負(fù)荷不斷增加，充氣效率不斷增大，進(jìn)氣壓力增大，導(dǎo)致混合氣壓縮終了溫度上升，燃燒溫度上升，增加了燃燒室內(nèi)熱點(diǎn)，更易造成混合氣自燃，最終增加早燃發(fā)生頻率.

圖6 發(fā)動機(jī)負(fù)荷對早燃發(fā)生頻率的影響

2.3 點(diǎn)火提前角對早燃發(fā)生頻率的影響

點(diǎn)火提前角標(biāo)定是發(fā)動機(jī)標(biāo)定過程中非常重要的一個參數(shù)，如果點(diǎn)火提前角推遲將造成發(fā)動機(jī)排氣溫度較高，同時影響當(dāng)前工況下發(fā)動機(jī)功率及轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)，不利于燃油經(jīng)濟(jì)性，如果點(diǎn)火提前角過于提前，將易使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震，使燃燒室內(nèi)更容易形成熱點(diǎn)，從而影響早燃產(chǎn)生頻率.在試驗中，設(shè)定發(fā)動機(jī)點(diǎn)火角為固定值，同時關(guān)閉ECU中的爆震控制程序，避免當(dāng)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生早燃或爆震后，ECU自動推遲點(diǎn)火提前角.如圖7所示，在實驗中，當(dāng)點(diǎn)火角固定為3oCA上止點(diǎn)后，未檢測到早燃循環(huán).當(dāng)點(diǎn)火角固定在3oCA 上止點(diǎn)前時，在第一輪測試中發(fā)生11次早燃，早燃循環(huán)增加趨勢非常明顯，為了保護(hù)發(fā)動機(jī)，故未進(jìn)行第二及第三輪測試.試驗發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火角不斷提前，早燃發(fā)生頻率不斷增加，由于實驗中ECU爆震控制程序關(guān)閉，故點(diǎn)火角不會由于爆震的發(fā)生而自動推遲.當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生爆震后，燃燒室壁面溫度上升，隨著爆震不斷產(chǎn)生，在火花塞及排氣門處很容易形成熱點(diǎn)積聚，早燃發(fā)生頻率迅速上升.此實驗證明由于燃燒室設(shè)計不合理，造成缸內(nèi)熱點(diǎn)較多，容易增加爆震傾向，而當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生大量爆震也會增加發(fā)生早燃傾向.

圖7 點(diǎn)火提前角對早燃發(fā)生頻率的影響

2.4 空燃比對早燃發(fā)生頻率影響

混合氣加濃后，可以降低壓縮終了混合氣溫度.這是由于當(dāng)更多燃油噴入氣缸后，可以使混合氣的絕熱指數(shù)κ減小.根據(jù)絕熱等熵壓縮公式

(1)

式中：T1為壓縮終了的混合氣溫度；T2為壓縮始點(diǎn)的混合氣溫度；V1為壓縮終了的燃燒室體積；V2為壓縮始點(diǎn)的燃燒室體積；ε為壓縮比.由式(1)可知，當(dāng)κ值減小時，發(fā)動機(jī)壓縮終了的混合氣溫度降低，使缸內(nèi)的熱點(diǎn)難以達(dá)到自燃的溫度，從而抑制了早燃的產(chǎn)生.

如圖8所示，在試驗中，通過不斷加大噴油脈寬，從而增加噴油量，使空燃比不斷減小，從14.5～12.3，混合氣不斷變濃,早燃發(fā)生頻率呈下降趨勢.當(dāng)空燃比為14.5時，三次試驗發(fā)生早燃次數(shù)分別為3,2和2,平均為2.3;當(dāng)空燃比為13.2時，三次試驗發(fā)生早燃次數(shù)分別為1,2和1,平均為1.3;當(dāng)空燃比為12.3時混合氣已經(jīng)大幅加濃，沒有早燃循環(huán)產(chǎn)生.由此可見，加濃混合氣可以有效地抑制早燃循環(huán)的產(chǎn)生.

圖8 不同空燃比早燃循環(huán)發(fā)生頻率

2.5 離子電流檢測早燃

當(dāng)今汽油機(jī)廣泛采用發(fā)動機(jī)小型化、降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、渦輪增壓等手段，同時對缸內(nèi)燃燒狀況的精確控制也提出了更高的要求，以此進(jìn)一步降低CO2排放，實現(xiàn)更低燃油消耗率.傳統(tǒng)缸壓傳感器雖然能夠檢測缸內(nèi)燃燒狀況，但是由于造價高昂，安裝不便而一直未能在量產(chǎn)汽車上廣泛采用.此外，缸壓檢測通常是在早燃所引發(fā)的超級爆震結(jié)果已經(jīng)發(fā)生后的檢測，有可能檢測到時已經(jīng)產(chǎn)生了對發(fā)動機(jī)的破壞.

與火花塞集成在一起的離子電流傳感器具有體積小，安裝方便，成本低廉等特點(diǎn).研究表明，離子電流信號對于缸內(nèi)燃燒溫度，空燃比，發(fā)動機(jī)負(fù)荷及燃料種類都較為敏感，采用離子電流傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)檢測失火、爆震、部分燃燒、等缸內(nèi)燃燒狀況[15-21].本文的研究重點(diǎn)是如何實現(xiàn)離子電流用于缸內(nèi)早燃和超級爆震的實時在線檢測，特別是探討在線檢測和反饋控制的可行性.

圖9為研究離子電流檢測系統(tǒng)獲得的正常燃燒循環(huán)離子電流典型波形圖，黑色為缸壓信號曲線，灰色為離子電流信號曲線，由于該離子電流電路與火花塞集成在一起，第一個峰值為火花塞點(diǎn)火前對電路的產(chǎn)生的充電蓄能干擾信號，第二個峰值信號為火花塞點(diǎn)火放電后對離子電流電路產(chǎn)生的放電干擾，第三個信號峰值為缸內(nèi)燃料燃燒后，產(chǎn)生的自由離子，通過離子電流電路采集.通過第一個及第二離子電流干擾信號，可以表明火花塞對缸內(nèi)點(diǎn)火，并且隨后第三個離子電流信號證明缸內(nèi)混合氣正常燃燒.

圖9 1 250 r/min，20%負(fù)荷下缸壓與離子電流信號波形

如圖10所示轉(zhuǎn)速固定為1 500 r·min-1時，隨著負(fù)荷不斷上升時，缸壓峰值不斷上升，離子電流峰值也不斷上升，并在80%負(fù)荷時達(dá)到1.5 V左右.這是由于隨著負(fù)荷增大，缸內(nèi)燃燒更充分，燃燒產(chǎn)生的離子濃度增大，離子電流信號峰值增大.

圖10 1 500 r·min-1，不同負(fù)荷下的缸壓和離子電流信號峰值

如圖11所示為離子電流峰值相位與缸壓峰值相位對應(yīng)關(guān)系，隨著負(fù)荷不斷上升，ECU點(diǎn)火時刻不斷推遲(點(diǎn)火時刻由原廠ECU控制，該實驗中并未人為推遲)，導(dǎo)致燃燒缸壓峰值相位也不斷推遲，由于離子電流信號強(qiáng)度是由于缸內(nèi)燃燒情況決定的，故隨著缸壓峰值相位推遲，離子電流信號峰值相位也不斷推遲.

圖11 1 500 r·min-1，不同負(fù)荷下的缸壓和離子電流信號峰值相位

圖12所示為1 500 r·min-1下不同負(fù)荷缸壓峰值相位及離子電流峰值相位的相關(guān)性分析.可以發(fā)現(xiàn)缸壓峰值相位與離子電流峰值相位在相同轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷下，都呈現(xiàn)了高度線性相關(guān).所以由圖9～圖12可得離子電流信號強(qiáng)度與缸內(nèi)燃燒狀況密切相關(guān)，隨著負(fù)荷增大，缸內(nèi)燃燒劇烈時，離子電流信號也呈現(xiàn)增大趨勢，同時離子電流信號峰值相位也與缸壓信號峰值相位保持一致.離子電流信號與缸壓信號有很好的跟隨性，離子電流信號可以反映缸內(nèi)燃燒狀況.

圖12 轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1下缸壓峰值相位與離子電流信號峰值相位相關(guān)性

在正常燃燒循環(huán)，混合氣通過火花塞點(diǎn)火后發(fā)生燃燒.離子電流信號需通過缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生.故在第一和第二干擾信號之間無離子電流信號.實驗中，發(fā)動機(jī)在1 700 r·min-1，滿負(fù)荷時發(fā)生早燃現(xiàn)象，通過離子電流檢測發(fā)現(xiàn)：如圖13所示，當(dāng)早燃現(xiàn)象發(fā)生時，缸內(nèi)混合氣在火花塞正常點(diǎn)火之前發(fā)生自燃，并且火焰快速傳播，缸內(nèi)壓力迅速上升，最高燃燒壓力達(dá)到12 MPa，屬于超級爆震，同時燃燒產(chǎn)生大量離子，離子電流信號迅速增大，幅值及持續(xù)期顯著大于正常燃燒循環(huán).如圖9所示，在正常燃燒循環(huán)發(fā)生時，離子電流信號依次產(chǎn)生順序為：第一峰值充電干擾；第二峰值放電干擾；第三峰值離子電流信號.但在如圖13～圖14所示的早燃循環(huán)中，離子電流信號產(chǎn)生順序產(chǎn)生了顯著的變化，當(dāng)火花塞發(fā)生點(diǎn)火蓄能后(產(chǎn)生第一峰值充電干擾信號)，由于在缸內(nèi)發(fā)生早燃現(xiàn)象，混合氣發(fā)生自燃，自燃初期就產(chǎn)生了離子電流信號，并且隨著缸內(nèi)壓力不斷上升，缸內(nèi)溫度不斷上升，離子電流信號強(qiáng)度也不斷上升(第三峰值早燃離子電流信號)，同時早燃離子電流信號持續(xù)期td也顯著大于第一峰值及第二峰值信號，早燃離子電流信號的幅值及積分面積也顯著大于正常燃燒循環(huán)離子電流信號.之后由于正?；鸹ㄈc(diǎn)火放電，產(chǎn)生第二峰值放電干擾信號.

圖13 典型早燃循環(huán)離子電流信號

圖14 離子電流信號檢測早燃

通過判斷點(diǎn)火蓄能信號后，火花塞點(diǎn)火之前是否出現(xiàn)燃燒離子電流信號(早燃離子電流上升沿信號)，即可判斷缸內(nèi)是否發(fā)生早燃：通過判斷三個信號出現(xiàn)的順序能夠有效判斷缸內(nèi)是否發(fā)生早燃.或者通過判斷正常點(diǎn)火時刻之前的離子電流信號持續(xù)期td是否大于閾值(正常燃燒循環(huán)點(diǎn)火時刻前只有第一峰值充電干擾信號產(chǎn)生，并且持續(xù)期較短，一般小于10oCA)，也可判斷該循環(huán)是否發(fā)生早燃.如本次實驗工況下，發(fā)動機(jī)在1 700 r·min-1滿負(fù)荷時發(fā)生早燃，檢測到的早燃離子電流信號td值為25oCA左右.故對于本臺發(fā)動機(jī)，采用離子電流檢測早燃時，當(dāng)td值大于20oCA即可認(rèn)為發(fā)生早燃.

根據(jù)前文所述觸發(fā)采集方法，采集到大量疑似早燃循環(huán)，并通過離子電流信號判斷，識別出大量早燃循環(huán).圖15是所有采樣循環(huán)CA10_heat(10%累計放熱量對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角)的值，圖中紅圈顯示的早燃循環(huán)和星號表示的非早燃循環(huán)是通過分析每個循環(huán)離子電流波形中在點(diǎn)火時刻之前是否出現(xiàn)早燃離子電流信號作為判斷依據(jù)，逐一篩選的.結(jié)果顯示所有點(diǎn)火時刻前出現(xiàn)離子電流并判斷為早燃的循環(huán)，其CA10_heat普遍早于非早燃循環(huán)的CA10_heat，可見以點(diǎn)火時刻前是否發(fā)生燃燒并產(chǎn)生早燃離子電流信號作為早燃判斷依據(jù)是合理的，并同時證明了使用離子電流來檢測早燃具有可行性.雖然試驗時，關(guān)閉了ECU的爆震控制程序，即爆震時，理論上，ECU不再會自動通過推遲點(diǎn)火提前角減少爆震，然而試驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生多次早燃，并多次產(chǎn)生極高燃燒壓力后，可能是ECU配備有底層保護(hù)控制程序，其仍然會自行推遲點(diǎn)火角，避免發(fā)動機(jī)由于連續(xù)強(qiáng)烈的早燃而損壞，導(dǎo)致圖15右上角所示一些循環(huán)CA10推遲.但是由于研究重點(diǎn)是離子電流信號與早燃時缸壓信號的關(guān)系，ECU推遲點(diǎn)火角不會影響離子電流信號及缸壓信號的對應(yīng)關(guān)系.

圖15 所有循環(huán)CA10_heat分布

如前文所述，有些早燃循環(huán)會產(chǎn)生超高燃燒壓力，變?yōu)槌壉?，而有些早燃循環(huán)產(chǎn)生的燃燒壓力較小，所以單純依靠缸壓幅值判斷早燃的方法具有一定局限性.通過觸發(fā)采集的方法，設(shè)置缸壓大于10 MPa定義為早燃循環(huán)觸發(fā)條件，并將早燃循環(huán)前后20個循環(huán)的數(shù)據(jù)采集記錄.如圖16所示為所有觸發(fā)采集早燃以及比對離子電流信號與點(diǎn)火時刻的典型早燃循環(huán)，樣本總量216個循環(huán)，共有91個早燃循環(huán).如圖16所示，通過對比點(diǎn)火時刻前是否出現(xiàn)燃燒離子電流信號獲得的典型早燃循環(huán)，而十字所示的循環(huán)為通過缸壓閾值判定法判斷出的早燃循環(huán).由于閾值設(shè)定為10 MPa，所以采集到的早燃循環(huán)都位于10 MPa分界線上方.雖然依靠設(shè)置缸壓閾值法可以快速準(zhǔn)確的判斷出早燃循環(huán)(超級爆震)，但是不能識別一些缸壓小于設(shè)定閾值的典型早燃循環(huán)(燃燒離子電流信號明顯早于點(diǎn)火時刻，但是未產(chǎn)生超過10 MPa的燃燒壓力)，如圖16中箭頭所示兩個早燃循環(huán).所以缸壓閾值判定法有一定的局限性，而通過離子電流信號判斷能夠準(zhǔn)確識別早燃及非早燃循環(huán)，所以離子電流證明是一種極具潛力的判斷早燃的方法.

圖16 不同判斷方法獲得的早燃循環(huán)

可以發(fā)現(xiàn)，本實驗中點(diǎn)火時刻為0oCA BTDC，早燃離子電流信號出現(xiàn)時刻先于點(diǎn)火信號約25oCA，使ECU有較多時間采取缸內(nèi)噴油，降低缸內(nèi)溫度，切斷點(diǎn)火信號，以及打開排氣門排出缸內(nèi)高溫工質(zhì)，以此抑制早燃，避免產(chǎn)生超級爆震損壞發(fā)動機(jī)，這些措施將在未來試驗中進(jìn)一步驗證.

3 總結(jié)

(1) 隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低，或者進(jìn)氣溫度上升時早燃發(fā)生頻率降低.這是由于負(fù)荷降低后，較少工質(zhì)被壓縮，并進(jìn)入燃燒室.壓縮上止點(diǎn)附近溫度也降低，早燃傾向降低.

(2) 隨著點(diǎn)火提前角增加，早燃傾向顯著增加，這是由于點(diǎn)火角提前后，發(fā)動機(jī)容易發(fā)生普通爆震，由于試驗發(fā)動機(jī)點(diǎn)火角固定不變，當(dāng)爆震連續(xù)發(fā)生后，缸內(nèi)積聚大量熱點(diǎn)，極易引發(fā)早燃.目前國際上認(rèn)為早燃可能產(chǎn)生機(jī)理為：潤滑油與汽油混合物自燃，缸內(nèi)積碳熱點(diǎn)引燃混合氣.實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生普通爆震后，可以推測缸內(nèi)熱點(diǎn)(如火花塞負(fù)極，缸內(nèi)顆粒物及排氣門溫度上升)增加，早燃發(fā)生頻率升高.

(3) 通過加濃混合氣以改變缸內(nèi)空燃比試驗發(fā)現(xiàn)：隨著混合氣不斷變濃，早燃發(fā)生頻率呈現(xiàn)下降趨勢.這是由于加濃混合氣可以降低燃燒室內(nèi)壓縮終了溫度，并降低早燃傾向.

(4) 離子電流能夠很好地反映缸內(nèi)燃燒狀況，通過離子電流可以檢測缸內(nèi)正常燃燒；在早燃循環(huán)發(fā)生時，離子電流能夠檢測到自燃產(chǎn)生的燃燒離子電流信號，并有效區(qū)別早燃循環(huán)及非早燃循環(huán).而缸壓閾值判斷早燃法有一定局限性.由于早燃離子電流信號出現(xiàn)時刻先于點(diǎn)火信號約25oCA，這就使ECU有較寬裕的時間采取措施，如打開排氣門，向缸內(nèi)噴射過量燃油等，以實現(xiàn)抑制早燃的目的.

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·下期文章摘要預(yù)報·

高溫后植筋膠黏結(jié)力學(xué)性能試驗研究

張 宇, 樓國標(biāo), 李國強(qiáng)， 孫友誼

為了測試工程中植筋膠在高溫后的安全性能, 對3種常用植筋膠分別在25,60,100,160和260 °C恒溫加載自然冷卻后的黏結(jié)力學(xué)性能開展試驗研究.首先，測試了這3種植筋膠的玻璃轉(zhuǎn)化溫度.其次，通過拉伸試驗，得出了恒溫加載、自然冷卻后試件受力與滑移曲線關(guān)系，極限黏結(jié)承載力和其隨溫度的損失規(guī)律.對試驗數(shù)據(jù)擬合，得出受力與滑移三階段和四階段數(shù)學(xué)模型.研究表明，溫度會造成植筋試件力學(xué)性能的退化，熱塑性植筋膠比熱固性植筋膠剛性和耐熱性均較差.玻璃轉(zhuǎn)化溫度是植筋膠高溫后承載力的突變點(diǎn)，是植筋膠正常使用的溫度上限并影響著它的高溫后使用性能.

Board Boosted Gasoline Engine Pre-ignition Diagnostic

TONG Sunyu1, HE Xiaoyu2, DENG Jun1, LI Liguang1,2

(1. College of Automotive Studies， Tongji University, Shanghai 201804, China； 2. Chinesisch Deutsches Hochschul Kolleg， Tongji University, Shanghai 200092, China)

The experiment was conducted on a MPI boosted gasoline engine to analyze the influence of intake temperature, engine load, ignition timing and lambda on pre-ignition frequency on the basis of the in-cylinder ion-current detection. The results show that small variation of intake pressure will not increase pre-ignition events significantly. Higher engine load and advancing ignition timing will lead to higher pre-ignition frequency. In-cylinder enrichment will decrease its frequency but a higher fuel consumption instead. At the start of pre-ignition event, obvious ion current signal can be detected. Compared with the cylinder pressure threshold method, ion current detection can find out all the pre-ignition events, including the cycles with lower combustion pressure. Especially, the characteristic ion current signal of pre-ignition can be detected 25°CA BTDC. This provides a potential control to suppress pre-ignition events for modern engines.

boosted gasoline engine；ion-current detection；pre-ignition detection

2015-07-28

國家自然科學(xué)基金(51376139;51006075); 博士點(diǎn)基金(20120072110015); 上?？莆椖?(11DZ2260400);KSPG教席基金

童孫禹(1986—)，男，博士生，主要研究方向為增壓發(fā)動機(jī)早燃及離子電流檢測.E-mail：solongt@163.com．

李理光(1962—)，男，教授,博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士,主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制、清潔代用燃料、混合動力汽車的動力系統(tǒng).E-mail：liguang@#edu.cn.

TK417

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