发动机的爆震标定方法 【技术领域】
本发明涉及一种发动机械的爆震标定方法，特别是涉及一种发动机的爆震标定方法。
背景技术
在例如发动机的发动机械中，当空气与燃油充分混合的混合气体在进气行程进入燃烧室后，活塞在压缩行程时便将其压缩，火花塞将高压混合气点燃后，其燃烧所产生的压力则转换成发动机运转的动力。
在发动机中，有时会发生爆震的现象。所谓爆震，就是当混合气尚处在压缩过程中，火花塞还没有跳火时，高压混合气就达到了自燃温度，并开始猛烈燃烧的不正常燃烧现象。爆震是不正常燃烧所导致的燃烧室内压力失常。通常，所述混合气体在燃烧室内燃烧，其火焰是从点火点以“波”的方式向四周扩散，所以从点火到混合气体完全燃烧需要一段短暂的时间。这意味着，虽然混合气体需要靠火花塞点燃，但是当燃烧室中存在过于高温、高压的环境时，所述混合气体也会发生自燃。
即，所谓爆震是因为燃烧室内混合气体点火后，火焰尚未完全扩散，远程未燃的混合气体即因为高温或高压而自燃，其火焰与正常燃烧的火焰撞击而产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击。
造成爆震最主要有以下几点原因：一、点火角过于提前：为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火，因为从点火到完全燃烧需要一段时间。但是，过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。二、发动机过度积碳：发动机于燃烧室内过度积碳，除了会使压缩比增大从而产生高压，也会在积碳表面产生高温热点，使发动机爆震。三、发动机温度过高：发动机在太热的环境使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机高温而爆震。四、空燃比不正确：过于稀的燃料空气混合比，会使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成发动机温度提升，当然容易爆震。五、燃油辛烷值过低：辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。对于压缩比高的发动机而言，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则容易发生爆震。
随着石油资源的日益减少以及由此引发的燃油价格大幅提高，越来越多的汽车制造商开始采用更高的压缩比来达到提高燃油经济性的目的。但是，如上引起爆震的原因中所述，提高压缩比很容易导致发动机爆震现象。此外，随着排放法规的日趋严格及要求使用无铅汽油等，这也极大地增加了导致爆震发生的可能性。人们在对发动机的动力性、燃油经济性和排放性能做出不断优化的同时，却不可避免受到发动机爆震的制约。
因此对发动机爆震监测和控制策略进行研究具有重要的意义。但是，传统的爆震判定主要依据发动机爆震发生时产生的敲缸声来判定发动机是否处于爆震状态。这样的基于主观经验判断法来判断是否发生爆震存在以下不足：
1、监听爆震时、易受振动造成的机械噪音干扰；
2、外围设备的噪音干扰；
3、监测爆震时需在同一位置安装两个爆震传感器，容易造成振动信号的失真；
4、无法实现爆震芯片开窗时间的准确设置；
5、不能对发动机爆震发生时的爆震强度进行准确判定；
6、定义爆震芯片中心频率时需对爆震传感器初始信号进行采集和进行傅立叶(FFT)分析，而传感器初始信号采集时容易受到发动机电子控制单元(以下简称ECU，Electronic Control Unit)和爆震传感器的干扰，从而导致所定义的中心频率可能存在偏差。
【发明内容】
为克服现有技术中的上述缺点，本发明需要提供一种用于发动机的爆震标定方法，所述爆震标定方法能够利用发动机的缸内压力信号来实现对发动机爆震状态的准确判断，并为爆震的进一步控制提供基础。
此外，本发明进一步需要提供一种用于发动机的爆震标定方法，通过所述方法可以精确设定发动机的爆震控制芯片的控制参数，例如爆震开窗时间及其持续周期、爆震控制芯片的中心频率设定等。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于发动机的爆震标定方法，包括下述步骤：启动发动机；变化发动机的点火提前角，并同步测量发动机的缸压和发动机的曲轴旋转角；基于测量地缸压和曲轴旋转角，计算发动机的平均指示压力；获得所述点火提前角与所述平均指示压力之间的函数关系；以及基于所述函数关系，获得发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角，由此标定发动机发生爆震的点火提前角。
由此，在根据本发明的上述技术方案中，由于本发明可以直接采用发动机的缸内平均指示压力信号进行爆震判定，从而可以避免机械噪音和外部设备的噪音干扰，并获得比例如敲缸声的传统的主观爆震判定更精确的发动机参数标定方法。
此外，由于根据本发明的上述技术方案不需要在相同的位置设定两个爆震传感器来获得爆震信号，从而避免由于振动信号的失真所导致的爆震信号的误判。
根据本发明的一方面，根据所获得发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角，可以将发动机的点火提前角区间划分为非爆震点火提前角区和爆震点火提前角区；且进一步地，所述爆震点火提前角区间可以进一步划分为轻强度爆震点火提前角区和高强度爆震点火提前角区，所述轻强度爆震点火提前角区为发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角之后的3°～4°的点火提前角区间。
由此，根据本发明的爆震标定方法，可以进一步地对发动机爆震发生时的爆震强度进行准确判定，从而为后续发动机的工艺测试提供便利。
根据本发明的一方面，可以获得发动机的缸压与所述曲轴旋转角的函数关系；并可以根据所述发动机的缸压和所述曲轴旋转角的函数关系，在线临时判定发生爆震的点火提前角区间。
从而可以防止在在线判断发动机爆震时可能导致发动机长时间在爆震状态下工作而造成损坏的问题。
根据本发明的一方面，所述方法进一步包括下述步骤：获得点火提前角与在该点火提前角的情况下缸压达到最大时所对应的曲轴旋转角之间的变化曲线；根据所述变化曲线，标定发动机的爆震控制芯片的开窗时间和持续周期。基于这样的曲轴旋转角区间来设定所述发动机的爆震控制芯片的开窗时间和持续周期，所述曲轴旋转角区间包含发生发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角之后的3°～4°所对应的曲轴旋转角区间。
由此，根据上述技术方案，克服了传统的爆震判定方法中无法实现爆震控制芯片的开窗时间及其持续周期的精确设定。
根据本发明的一方面，所述爆震标定方法进一步包括下述步骤：获得发动机的缸压与所述曲轴旋转角的函数关系；对发动机的缸压与所述曲轴旋转角的函数关系发动机的缸压随曲轴旋转角变化的曲线进行快速傅立叶变换，以标定发动机的爆震控制芯片的中心频率；所述中心频率为在发生爆震时，经过对发动机的缸压与所述曲轴旋转角的函数关系进行快速傅立叶变换后最大幅值所对应的频率。
由此，克服了传统的爆震判定方法中这样的问题：在传统的爆震判定方法中，定义爆震芯片中心频率时需对爆震传感器初始信号进行采集和进行FFT分析，而在爆震传感器初始信号采集时容易受到发动机ECU和传感器的干扰，从而导致所定义的中心频率可能存在偏差。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是燃烧分析仪的典型结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的爆震判定方法的流程图；
图3A-3D是根据本发明的一个实施例的在线爆震判定示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的平均指示压力与点火提前角的关系图；
图5为根据本发明的一个实施例的发动机缸压最大时所对应的曲轴旋转角与点火提前角的关系图；以及
图6A-6B为根据本发明的一个实施例的未发生爆震以及发生爆震时的快速傅立叶变换频谱图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在发动机的使用之前，需要对发动机爆震相关的重要参数进行标定，以实现发动机的最佳使用性能和防止由于爆震所可能导致的问题。特别地，需要对发生爆震时的参数进行准确地定量分析，以将发动机的性能调整到最佳的状态，并预先标定好与发生爆震相关的技术参数，例如点火提前角等。
为此，本发明提供了一种用于发动机的爆震标定方法。该用于发动机的爆震标定方法包括下述步骤：启动发动机；变化发动机的点火提前角，并同步测量发动机的缸压和发动机的曲轴旋转角；基于测量的缸压和曲轴旋转角，计算发动机的平均指示压力；获得所述点火提前角与所述平均指示压力之间的函数关系；以及基于所述函数关系，获得发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角，由此标定发动机的点火提前角。下面将结合附图对实现上述方法的具体过程进行详细描述。
需要说明的是，在描述本发明的上述方法的过程中，为了测量所需的缸压以及曲轴旋转角等技术参数，需要采用现有技术中的通用传感器、信号处理系统、计算机控制系统等，由于对发动机的具体参数进行测量的技术手段对于普通技术人员而言是已知的，由此对其的描述仅限于清楚地描述本发明的具体实施为限。此外，也存在一些燃烧分析仪能够集成对这些参数的测量，例如德国AVL公司的AVL 621燃烧分析仪等。为说明方便，下面将对燃烧分析仪的结构进行简单说明。
图1是燃烧分析仪的典型结构示意图。通常，燃烧分析仪由进气压力传感器、排气压力传感器、角标仪、缸压传感器、信号处理系统、控制计算机等构成。其中角标仪安装在发动机前端的曲轴皮带轮处，通过感应曲轴的旋转信号，获取曲轴旋转角信息。缸压传感器安装在发动机燃烧室内火花塞处，以采集不同时刻的缸压信号。此外，通过将缸压信号与曲轴旋转角信号进行同步采集，即可以获得发动机循环的缸压图。此外，对于所采集的缸压信号，经过热力学计算原理可以获取发动机的示功图、平均指示压力以及各种缸内燃烧参数等。进一步地，可以让燃烧分析仪进一步设置各种计算模块，以对缸压信号进行快速傅立叶(FFT)变换。
需要说明的是，虽然燃烧分析仪可以用作集成多种测量手段的仪器来用于本发明的发动机的爆震测量，但是普通技术人员显然知道，本发明的测量手段和方法不限于此处所列举的燃烧分析仪，并采用其他已知的测量手段来分别达到测量发动机的爆震参数。上述燃烧分析仪仅限于说明信号采集的一种手段，而不是为了限制本发明的保护范围。
图2为根据本发明的一个实施例的爆震判定方法的流程图。在根据本发明的一个实施例中，首先启动需要进行标定的发动机，并准备好需要测量发动机的例如缸压、曲轴旋转角等参数的测量仪器，例如如上所述的燃烧分析仪，接着将在线分析缸压曲线以大致判定发动机的爆震状态、对IMEP进行离线分析以准确标定发动机的点火提前角、以及对APMAX和缸压图进行离线分析从而精确设定爆震控制芯片的开窗时间和持续周期、以及获得爆震控制芯片的中心频率。最后通过获得如上所述的例如爆震中心频率、爆震控制芯片的开窗时间和持续周期，从而可以对爆震控制芯片的各个参数进行设置，从而可以展开进一步的标定实验。
下面将结合图3-图6对其中的缸压曲线在线分析、IMEP离线分析、以及APMAX和缸压图离线分析从而精确设定爆震控制芯片的开窗时间和持续周期、以及获得爆震控制芯片的中心频率的步骤进行详细的描述。
为说明的方便，下面将参数做如下定义：
APMAX：表示发动机缸压最大时所对应的曲轴旋转角；
PCYL：基于曲轴旋转角的各缸缸压；
PMAX：表示发动机各循环下所对应的最大缸压；以及
IMEP：表示发动机的一个完整循环下的平均指示压力。
为通过缸压来判定发动机发生爆震，需要调整不同的点火提前角，以获得不同的爆震状态。同时，需要在变化发动机的点火提前角的过程中，利用缸压传感器和角标仪等对例如缸压、曲轴旋转角等进行测量。
在同步测量缸压和曲轴旋转角的过程中，可以先对缸压图进行临时在线分析。图3A-3D是根据本发明的一个实施例的在线爆震判定示意图。其中图3A显示了发动机未发生爆震时的缸压示意图；图3B显示了发动机发生轻微爆震时的缸压示意图；图3C、3D显示了发动机发生较强的爆震时的缸压示意图。在上述缸压和曲轴旋转角的关系图中、根据最大缸压处，缸压和曲轴旋转角的关系曲线是否发生波动而在线临时判定发生爆震的点火提前角区间。需要说明的是，此处所谓的波动指的是与未发生爆震时的缸压曲线相比，发生爆震的缸压曲线在最大缸压处与未发生爆震的缸压曲线相比产生了一定的偏离。并且随着所述爆震的强度的增强，所述偏离的幅值发生较大的变化。由此，可以根据基于变化的点火提前角而获得的缸压和曲轴旋转角函数关系，在线临时判定发生爆震的点火提前角区间。
由此，通过调节点火提前角来获取不同爆震状态，并对缸压图进行实时监测，可以看出当发动机未发生爆震时最高缸压附近处无波动，轻微爆震时最高缸压附近处有轻微波动，发生较高强度爆震时最高缸压附近处出现波浪状波动或者锯齿状波动。
从而，在根据本发明的一个实施例中，在实际试验过程中通过实时监测最高缸压附近处的波动情况，从而可以实现对爆震临界状态进行初步判定，从而避免了因为发动机在长时间爆震状态下工作可能造成损坏的问题。由此，在实际的标定试验过程中通过实时监测缸压随曲轴旋转角的函数关系而可以获取发动机的爆震状态。
接着，在根据本发明的一个实施例中，将利用发动机的一个完整循环下的平均指示压力、即IMEP进行缸压离线分析。如上所述，针对每个变化的点火提前角，基于同步测量的缸压和曲轴旋转角，利用已知的热力学原理计算发动机的平均指示压力。例如，所述平均有效指示压力可以通过如下的公式进行计算：
Pi=1V∫-360+360pdV---(1)]]>
其中，Pi为发动机的工作缸的平均有效指示压力；p为发动机缸压循环过程中测量的压力；以及V为工作缸的体积。需要说明的是，上述公式(1)只是用于计算平均有效指示压力的一种方式，普通技术人员显然可以采用其他的计算公式来计算该平均有效指示压力。
由此，可以获得点火提前角与所述平均指示压力之间的函数或者曲线关系。需要说明的是，在根据本发明的一个实施例中，该函数关系通过点火提前角与计算的平均指示压力的拟合曲线获得，如图4中所示。其中，需要说明的是，普通技术人员在获得所述点火提前角和平均指示压力的数据的情况下，可以利用数值模拟的方法来获得所需的拟合曲线。当然也可以利用任何已知的装置，例如AVL公司的燃烧分析仪来直接获得。
图4为根据本发明的一个实施例的平均指示压力与点火提前角的关系图。在标定发动机的点火提前角的步骤中，发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角为所获得的拟合曲线上最大平均指示压力所对应的点火提前角。需要说明的是，其中所拟合的曲线中的每个点所表示的数据可以通过在同一点火提前角下进行多次循环所获得的IMEP的平均值来获得，具体的循环次数需要根据具体的工艺要求来设定。如上所述，点火提前角的精确设定是发动机避免爆震的良好调节方式之一，良好的点火提前角设定可以预先避免爆震的发生。
通过分析各缸的平均指示压力可以看出、在发生爆震临界状态时各缸平均指示压力处于最高值附近，随着点火角的增加，平均指示压力在最高值附近可以保持3°～4°点火角。根据发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角，可以将发动机的点火提前角区间划分为非爆震点火提前角区间和爆震点火提前角区间。所述爆震点火提前角区间可以进一步划分为轻强度爆震点火提前角区和高强度爆震点火提前角区，所述轻强度爆震点火提前角区为发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角之后的3°～4°的点火提前角区间。即，可以把该点火角作为爆震临界状态的点火角，其后的3°～4°点火角对应的是轻强度爆震点火提前角区，而对于点火提前角的其他剩余区间可以限定为高强度爆震点火提前角区。需要说明的是，为了进一步细化爆震的强度区间，可以将高强度爆震点火提前角区进行进一步的划分。例如，随着点火角进一步加大、平均指示压力开始下降，在平均指示压力未出现急剧下降的这段区间可定义为中强度爆震点火提前角区，平均指示压力发生急剧下降的这段区间可定义为超高强度爆震点火提前角区。
通过对各缸的IMEP值进行离线分析，可以对不同点火角下对应的爆震状态依据IMEP值的变化趋势而对不同强度的爆震点火提前角区进行区分，从而在爆震标定试验中提供准确的点火提前角信息。
同时，基于上述所获得的点火提前角与所述平均指示压力的关系，从而可以获得发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角，由此标定发动机的点火提前角。
由此可见，在上述描述的实施例中，对各信号进行离线分析可以对发动机的点火提前角以及爆震强度做准确的设定或者判定，从而为发动机的标定试验提供准确的依据。
下面将说明根据本发明的一个实施例的爆震标定方法设定发动机的爆震控制芯片的步骤。在发动机的标定过程中，需要对发动机的爆震控制芯片进行标定，所标定的参数通常包括芯片开窗时间、持续周期、中心频率、积分时间、放大增益等。通常，所述爆震控制芯片主要用于对爆震传感器初始信号进行处理，同时通过标定软件可以实现芯片开窗时间、持续周期、中心频率、积分时间、放大增益等的设置。具体而言，所述爆震控制芯片的信号处理过程如下：信号进入芯片后进行放大处理；依据设定的中心频率进行带通滤波(由于爆震发生时只在一定中心频率范围内有信号波动，为保证爆震监测灵敏性，只对有变化信号进行处理)；在设定的开窗时间和持续周期内对滤波后的信号进行积分处理；以及将积分后的信号通过A/D转换而转换为ECU可识别的信号，从而可作为判定爆震是否发生的依据。需要说明的是，所述爆震控制芯片的开窗时间和持续周期可以基于所对应的曲轴旋转角区间来进行设定。
由此可见，获得爆震控制芯片的开窗时间及其持续周期对于正确标定发动机以及基于该参数所进行的其他控制是极其重要的。在根据本发明的一个实施例中，通过上述得出不同强度爆震区域后，由于爆震信号在缸压峰值附近处体现，因此可以分析缸压峰值所对应的曲轴旋转角，从而为爆震控制芯片的开窗时刻设置提供参考。
图5为根据本发明的一个实施例的发动机缸压最大时所对应的曲轴旋转角与点火提前角的关系图。在图5中，当发生爆震时，缸压峰值对应的曲轴旋转角在预定的曲轴旋转角区间(例如2°～15°)内波动，为保证不遗漏有用的爆震信号，则应该把芯片的开窗时间设置在压缩上止点后一定的角度(例如2°)。由于通过爆震控制芯片对发动机进行爆震标定时，需要对发动机的一个冲程循环中可能发生爆震的区间进行测量，而该区间为曲轴旋转角所对应的某个区间，即该区间可以利用爆震控制芯片中内设的程序转换成爆震控制芯片的开窗时间和持续周期。
在根据本发明的一个实施例中，可以基于曲轴旋转角区间来设定所述爆震控制芯片的开窗时间和持续周期，即所述曲轴旋转角区间为包含发生发动机的发生爆震的临界状态所对应的点火提前角之后的3°～4°所对应的曲轴旋转角区间。需要说明的是，该爆震控制芯片的开窗时间的设定可以根据需要来进行适当调整，只要该开窗时间的设定能够方便控制发动机的爆震即可，例如所述开窗时间也可以设置成这样的曲轴旋转角区间，所述曲轴旋转角区间包含在发动机设定在发生爆震的临界状态所对应的点火提前角的情况下、缸压达到最大时所对应的曲轴旋转角。
从而，在根据本发明的一个实施例中，克服了传统的爆震判定方法中无法实现爆震控制芯片的开窗时间及其持续周期的精确设定的问题。
下面将描述标定发动机的爆震控制芯片的中心频率的步骤。中心频率的标定对于发动机而言是至关重要的。在传统的中心频率标定中，由于需对爆震传感器初始信号进行采集和进行傅立叶(FFT)分析，而传感器初始信号采集时容易受到发动机电子控制单元和爆震传感器的干扰，从而导致所定义的中心频率可能存在偏差。
在根据本发明的一个实施例中，可以通过对发动机的缸压随曲轴旋转角变化的曲线进行快速傅立叶变换，以标定发动机的爆震控制芯片的中心频率。如图6A、6B所示，图6A显示了未发生爆震时的快速傅立叶变换频谱图，从图6A中可见，在发动机未发生爆震时，在整个频域范围中，频率对应幅值维持在较低的水平。图6B显示了在发动机发生爆震时的快速傅立叶变换频谱图。由于在上述的实施步骤中，由于能够对发生爆震的临界点火提前角进行精确设定，从而在发生爆震时在一定频率区域内幅值有明显提高，通过对比发生前后的幅值变化可以找出爆震发生时的中心频率，这为爆震控制芯片的中心频率的设置提供了准确的参考。如图6B中所示，在发生爆震的情况下，在一定的频率范围之内，频率对应幅值发生了显著的波动，而爆震控制芯片的中心频率为在发生爆震时、经过对发动机的缸压随曲轴旋转角变化的曲线进行快速傅立叶变换后、频率对应幅值最大波动频率区间中最大幅值所对应的频率。
由于通过对发动机的缸压随曲轴旋转角变化的曲线进行快速傅立叶变换简单易于操作，从而非常精确地对中心频率进行了设定，并克服了现有技术中对爆震传感器初始信号采集时容易受到发动机ECU和传感器的干扰从而导致所限定的中心频率可能存在偏差的问题。
总之，根据本发明的上述实施例，实现了如下的优点：
1)可以直接采用缸压信号直接进行爆震判定，从而避免了机械噪音和外部环境的干扰；
2)在爆震标定时，通过实时在线监测缸压，从而可以获取发动机的爆震状态；
3)只需安装一个爆震传感器，避免了振动信号的失真；
4)对各信号进行离线分析可以对发动机爆震强度作出准确的判定，并为发动机的爆震标定提供依据；
5)通过对缸压图和APMAX进行分析，可以实现对芯片开窗时间和开窗持续周期的精确设置；以及
6)采用对缸压进行傅立叶变换从而设置发动机中心频率，避免了通过爆震传感器初始信号受到干扰后所设置的中心频率不准确的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。