基于離子電流與缸壓信息融合的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒提前診斷*

王 碩，朱登豪，鄧 俊，李理光，2

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804）

前言

HCCI燃燒最早于1979年由Onishi［1］和Noguchi［2］兩人提出。1989年，Thring［3］第一次使用HCCI這一名稱描述這種燃燒方式，隨后被學(xué)界廣泛接受。相比于傳統(tǒng)汽油機(jī)，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高，無泵氣損失，在效率方面有顯著提升。Yu等人［4］通過仿真研究，發(fā)現(xiàn)在17～21的壓縮比下，HCCI汽油機(jī)可獲得50.2%～51.4%的熱效率；Dec等［5］在一臺(tái)改造的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了HCCI燃燒，并獲得了47%的熱效率。而在排放方面，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣均勻、稀薄燃燒的工作原理決定了其在大多數(shù)工況下，最高燃燒溫度不高于1 800 K［4］，可有效抑制氮氧化物的產(chǎn)生。Tao等［6］的研究表明，HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物濃度在不同氣門策略下均保持在1×105以下；而Tanet等［7］的研究中，氮氧化物的生成濃度僅為1～2×10-6。所以，HCCI技術(shù)可以很好地解決內(nèi)燃機(jī)效率與排放之間的矛盾。

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在效率和排放上有著明顯優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際應(yīng)用的難題之一便是燃燒診斷與控制問題。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒完全由化學(xué)動(dòng)力學(xué)決定，這使得冷卻水溫度［8］、燃燒室壁溫［9］、缸內(nèi)殘余廢氣［10］等因素都會(huì)對(duì)當(dāng)前循環(huán)燃燒產(chǎn)生影響。而這些因素又受到上一循環(huán)燃燒的影響，即HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒具有明顯的循環(huán)間耦合性。目前，通過可變氣門系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)閥重疊進(jìn)行廢氣重壓，或再輔以負(fù)閥重疊期間的預(yù)噴射進(jìn)行燃油改質(zhì)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)HCCI燃燒最可行的方式。然而，這種方式加強(qiáng)了對(duì)缸內(nèi)殘余廢氣的依賴，也就加劇了循環(huán)間的燃燒耦合性。特別是在高低負(fù)荷邊界，缸內(nèi)殘余廢氣情況的細(xì)微變化，會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來隨機(jī)出現(xiàn)的不完全燃燒、失火、爆震等非正常燃燒現(xiàn)象［11-13］。

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)間耦合性一方面給燃燒控制帶來了困難，但另一方面使非正常燃燒的提前診斷成為可能。通過對(duì)負(fù)閥重疊期間殘余廢氣和燃油改質(zhì)情況的分析，可提前診斷本循環(huán)是否可能發(fā)生非正常燃燒，從而在進(jìn)氣和噴油等過程中做出調(diào)節(jié)，避免非正常燃燒的出現(xiàn)。本文研究目標(biāo)便是通過對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)閥重疊期間缸壓和離子電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)HCCI不完全燃燒現(xiàn)象做出提前診斷。

HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷作為HCCI技術(shù)走向應(yīng)用的重要前提之一，目前國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。張宏超［14］研究了HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和爆震傳感器信號(hào)與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的下降可有效診斷HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)失火，而通過轉(zhuǎn)速傳感器和爆震傳感器信號(hào)相結(jié)合，對(duì)爆震也可做出有效的診斷。Fabrice等［15］通過對(duì)爆震傳感器信號(hào)進(jìn)行高頻采樣和傅里葉變換，結(jié)果表明爆震傳感器信號(hào)與HCCI燃燒開始和結(jié)束相位具有高度相關(guān)性。相比于轉(zhuǎn)速傳感器和爆震傳感器信號(hào)，缸壓信號(hào)可直接反應(yīng)缸內(nèi)燃燒情況，在燃燒診斷的準(zhǔn)確性上更具優(yōu)勢(shì)。方成［16］在HCCI的負(fù)荷控制研究中，利用缸壓計(jì)算得出的最大壓升率、最高爆發(fā)壓力和循環(huán)變動(dòng)量等作為發(fā)動(dòng)機(jī)爆震診斷依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于循環(huán)的控制。Ruonan等［17］將缸壓最大壓升率過低或過高作為HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)失火或爆震的診斷依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了循環(huán)間調(diào)節(jié)。除上文提出的缸壓等傳統(tǒng)信號(hào)外，離子電流作為一種既能直接反映缸內(nèi)燃燒情況，同時(shí)成本較低的技術(shù)在近年來得到越來越多的關(guān)注。其在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒診斷方面已有一系列應(yīng)用［18-20］，但在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用較為有限，目前已有的研究主要有：張棲玉等［21］通過對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)離子電流的研究發(fā)現(xiàn)，離子電流在上止點(diǎn)后30°CA的積分值與空燃比之間存在很好的相關(guān)性，可用于診斷HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷下的失火；在此基礎(chǔ)上，張志永等［22］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，使用離子電流幅值信號(hào)作為失火診斷依據(jù)，可將診斷相位提前到上止點(diǎn)后20°CA；李超等［23］研究表明，使用離子電流積分信號(hào)對(duì)中高強(qiáng)度爆震進(jìn)行診斷時(shí)，其診斷準(zhǔn)確率可達(dá)87.2%，但對(duì)輕微爆震診斷效果欠佳。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，目前在HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷領(lǐng)域，大多數(shù)研究都是在非正常燃燒發(fā)生之后才能做出診斷，這意味著本循環(huán)燃燒已發(fā)生惡化，負(fù)荷與排放都會(huì)受到影響，且由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)特有的循環(huán)間耦合性，還有可能對(duì)下一循環(huán)造成不良影響。雖然部分研究在燃燒開始階段，即上止點(diǎn)附近做出診斷，但此時(shí)燃燒已開始，對(duì)非正常燃燒的調(diào)節(jié)手段已十分有限。本文聚焦于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒的“提前診斷”，即在循環(huán)進(jìn)氣開始之前便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)生的不完全燃燒做出診斷，從而為HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)及時(shí)消除非正常燃燒提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)原型機(jī)為第2代EA888 2.0 L增壓直噴汽油機(jī)。在原型機(jī)基礎(chǔ)上移除了增壓器改為自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)通過加高活塞頂?shù)姆绞綄嚎s比提高至16，以適應(yīng)HCCI燃燒的需求，并加裝了KSPG公司研發(fā)的UniValve?全可變配氣系統(tǒng)［24］。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣門正時(shí)在60°CA范圍內(nèi)獨(dú)立可調(diào)，氣門升程在0～8 mm范圍內(nèi)獨(dú)立可調(diào)。完整的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。本研究采用4缸中的1個(gè)缸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 數(shù)采系統(tǒng)

數(shù)采系統(tǒng)使用的是國(guó)家儀器公司的PCI-6250高速采集卡，采用光電編碼器觸發(fā)，每0.5°CA記錄一次數(shù)據(jù)。數(shù)采軟件基于國(guó)家儀器公司的LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)。缸內(nèi)壓力的測(cè)量采用奇石樂（Kistler）公司的6052C缸內(nèi)壓力傳感器。不同于火花塞一體式傳感器，該傳感器直徑較小，因此可采用側(cè)置式安裝，即在缸頭側(cè)面加工螺紋孔進(jìn)行安裝。由于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)階段仍需要火花點(diǎn)火，所以氣缸中心仍安裝了火花塞并將其作為離子電流采集系統(tǒng)的電極。由于缸壓傳感器選擇了側(cè)置式傳感器，所以不需要擔(dān)心缸壓采集與離子電流采集之間的干擾問題。離子電流采集系統(tǒng)為自主開發(fā)，其原理如圖1所示，二極管用于隔絕來自點(diǎn)火線圈的干擾，電容可穩(wěn)定供電，離子電流信號(hào)為與火花塞串聯(lián)的電阻兩端電壓。

圖1 離子電流采集系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 隨機(jī)出現(xiàn)的非正常燃燒現(xiàn)象

本實(shí)驗(yàn)采用的工況為：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、負(fù)荷0.18 MPa。噴油共分兩段：負(fù)閥重疊期間預(yù)噴射0.35 ms，進(jìn)氣階段主噴射0.58 ms。該工況下CA50與燃燒放熱量的對(duì)比如圖2所示。圖中最上方為CA50曲線，可見部分循環(huán)出現(xiàn)了隨機(jī)的燃燒相位滯后現(xiàn)象。與之相對(duì)的，圖2下方的燃燒放熱量曲線出現(xiàn)了明顯下降，表明這一部分循環(huán)發(fā)生了部分不完全燃燒現(xiàn)象。

圖2 CA50與燃燒放熱量對(duì)比

圖3 CA50與爆震指數(shù)對(duì)比

圖3為CA50與爆震指數(shù)對(duì)比圖，從圖中底部的爆震指數(shù)曲線可看出，在某些不完全燃燒循環(huán)后會(huì)緊跟一個(gè)爆震循環(huán)。這種不完全燃燒和爆震交替出現(xiàn)的情況是HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中的典型現(xiàn)象，其成因主要是不完全燃燒循環(huán)導(dǎo)致下一循環(huán)殘余廢氣中的可燃成分增加，另一方面，不完全燃燒還會(huì)影響到排氣過程，導(dǎo)致下一循環(huán)殘余廢氣量增加，最終導(dǎo)致爆震的發(fā)生?？紤]到此工況下爆震往往由不完全燃燒引起，理論上只要對(duì)不完全燃燒循環(huán)做出提前診斷與控制，即可避免后續(xù)爆震循環(huán)的出現(xiàn)。

2.2 非正常燃燒診斷效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文中采用診斷準(zhǔn)確率Ra與靈敏度Rs兩個(gè)指標(biāo)對(duì)診斷進(jìn)行評(píng)價(jià)。診斷準(zhǔn)確率指所有判斷為非正常燃燒的循環(huán)中，實(shí)際發(fā)生非正常燃燒的循環(huán)所占的比例；靈敏度指所有實(shí)際發(fā)生非正常燃燒的循環(huán)中，被診斷出的非正常燃燒循環(huán)所占的比例。

式中：n01為實(shí)際正常燃燒但被誤診斷為非正常燃燒的循環(huán)數(shù)；n10為實(shí)際非正常燃燒但被判定為正常燃燒的循環(huán)數(shù)；n11為實(shí)際非正常燃燒且被正確診斷為非正常燃燒的循環(huán)數(shù)。

2.3 非正常燃燒診斷方式

2.3.1 基于缸壓的診斷

圖4為連續(xù)5個(gè)循環(huán)的缸壓曲線，5個(gè)循環(huán)依次為：2個(gè)正常循環(huán)、2個(gè)不完全燃燒循環(huán)、1個(gè)爆震循環(huán)。圖中高峰為主燃峰，主燃峰左側(cè)較低的峰為負(fù)閥重疊期間缸壓峰。將負(fù)閥重疊期間缸壓放大后可以發(fā)現(xiàn)，雖然不同循環(huán)的峰值都在-360°CA附近，但在峰值和峰值相位上存在細(xì)微差別，這種差別為非正常燃燒的提前診斷提供了可能。

圖4 不同循環(huán)在負(fù)閥重疊期的缸壓存在差別

將CA50與負(fù)閥重疊期間缸壓峰值和峰值相位作圖后見圖5和圖6，圖中虛線上方為不完全燃燒循環(huán)。由圖可見，不完全燃燒循環(huán)的負(fù)閥重疊期缸壓峰值分布并無明顯規(guī)律，但其負(fù)閥重疊期缸壓峰值相位則全部位于-359°CA及以前。因此，可以將負(fù)閥重疊期間缸壓峰值相位作為不完全燃燒循環(huán)提前診斷的依據(jù)。

圖5 燃燒相位與負(fù)閥重疊期的缸壓峰值關(guān)系

圖6 燃燒相位與負(fù)閥重疊期的缸壓峰值相位關(guān)系

為對(duì)該診斷方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，在相同工況點(diǎn)進(jìn)行了50次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，共采集了25 000個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，使用負(fù)閥重疊期間缸壓峰值相位進(jìn)行不完全燃燒提前診斷時(shí)，其敏感度可達(dá)93.8%，即大部分不完全燃燒循環(huán)都可被提前診斷。但準(zhǔn)確率僅為60.8%，這主要是由于部分正常循環(huán)被誤判為不完全燃燒循環(huán)。由圖6可見，很多正常循環(huán)在負(fù)閥重疊期的缸壓峰值相位同樣位于-359°CA及以前。

2.3.2 基于離子電流的診斷

圖7為連續(xù)5個(gè)循環(huán)的離子電流情況。由圖可見，由于HCCI的高空燃比，在0°CA附近幾乎觀察不到離子電流。但是，在負(fù)閥重疊期的-360°CA附近，由于火花塞附近空燃比較低，預(yù)噴燃油發(fā)生低溫化學(xué)電離，形成了明顯的離子電流。相比于缸壓，負(fù)閥重疊期的離子電流峰值和峰值相位在不同循環(huán)間的差異更加明顯，說明其具有較高的敏感性。

圖7 不同循環(huán)在負(fù)閥重疊期的離子電流差別

同樣，將CA50與負(fù)閥重疊期離子電流峰值和峰值相位作圖后如圖8和圖9所示?？梢钥吹?，離子電流峰值相位與是否不完全燃燒之間的規(guī)律不明顯；而全部不完全燃燒循環(huán)在負(fù)閥重疊期的離子電流峰值都異常低，大部分位于0.03 V以下，可將此作為不完全燃燒提前診斷的依據(jù)。

圖8 燃燒相位與負(fù)閥重疊期的離子電流峰值關(guān)系

在對(duì)同樣的25 000個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，使用負(fù)閥重疊期離子電流峰值作為不完全燃燒提前診斷的方法，其敏感度可達(dá)95.6%，略優(yōu)于使用缸壓峰值相位進(jìn)行診斷的方法。但其診斷準(zhǔn)確率同樣較低，僅為58.5%。

2.3.3 缸壓與離子電流相結(jié)合的診斷

綜上，使用負(fù)閥重疊期間的缸壓峰值相位或離子電流峰值作為不完全燃燒提前診斷的方法，其診斷準(zhǔn)確率都較低。兩種方法將大部分不完全燃燒循環(huán)判斷出的同時(shí)，還會(huì)將部分正常循環(huán)誤判為不完全燃燒循環(huán)。由于診斷方法的最終目的是為發(fā)動(dòng)機(jī)控制提供依據(jù)，若將大量正常循環(huán)誤判為非正常燃燒循環(huán)而加以干涉，考慮到HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)工作的敏感性，很可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定。所以，對(duì)于HCCI的診斷方法而言，在保證診斷敏感度的情況下，盡量提高診斷準(zhǔn)確率是很有必要的。

本文中將上述兩種方式相結(jié)合進(jìn)行診斷，使不完全燃燒循環(huán)的診斷標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛。在對(duì)25 000個(gè)循環(huán)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，使用負(fù)閥重疊期缸壓相位與離子電流峰值相結(jié)合的診斷方法，診斷準(zhǔn)確率可大幅提高到90.0%，與此同時(shí)，診斷敏感度小幅下降至91.4%，仍處于可接受的范圍。

3 結(jié)論

（1）負(fù)閥重疊期的缸壓峰值相位和離子電流峰值與不完全燃燒間存在聯(lián)系，可作為HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)不完全燃燒提前診斷的依據(jù)。

（2）將負(fù)閥重疊期缸壓峰值相位與離子電流峰值相結(jié)合作為診斷信號(hào)時(shí)，可有效提高診斷準(zhǔn)確率至90.0%，同時(shí)診斷敏感度為91.4%，是更加有效的診斷方法。