基于缸內(nèi)離子傳感技術(shù)的發(fā)動機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)矩估計

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1、成都，2007年8月中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒凈化節(jié)能分會2007年學(xué)術(shù)年會論文集基于缸內(nèi)離子傳感技術(shù)的發(fā)動機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)矩估計1221董光宇，于水，張旭升，李理光（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海2000922.上海交通大學(xué)機(jī)械及動力工程學(xué)院，上海200030）摘要：本文提出了一種基于缸內(nèi)離子傳感技術(shù)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩估計方法。通過對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒生成離子電流的時域及頻域分析，探討了燃燒離子電流與發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，在時域上，經(jīng)20個連續(xù)工作循環(huán)平均的離子電流信號，其第二峰的大小與位置對發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩具有良好的

2、對應(yīng)關(guān)系；在頻域上，分別對同一轉(zhuǎn)矩下和不同轉(zhuǎn)矩下的燃燒離子信號進(jìn)行了傅立葉變換，其基頻下的幅值與轉(zhuǎn)矩對應(yīng)關(guān)系明顯，并且采用頻域分析的方法進(jìn)行發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩估計具有更好的精度和實(shí)時性。關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；轉(zhuǎn)矩估計；缸內(nèi)離子檢測技術(shù)；傅立葉變換[4]1引言時等發(fā)動機(jī)工作參數(shù)。離子電流信號的采集裝置極為簡單，在汽油機(jī)上可將火花塞直接作為傳感器直發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩的實(shí)時估計對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)動接加以應(yīng)用而不需要任何附加設(shè)備。因此，離子電力總成的閉環(huán)控制、發(fā)動機(jī)的在線診斷以及混合動流傳感技術(shù)是一種魯棒性好、成本低廉的發(fā)動機(jī)燃[1]力

3、汽車多動力源間的動態(tài)切換及協(xié)調(diào)等方面具有燒傳感技術(shù)。本研究的內(nèi)容即采用這一技術(shù)對發(fā)動非常重要的意義。目前，國內(nèi)外就發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩機(jī)的指示轉(zhuǎn)矩加以估計。通過在時域和頻域上的對的在線估計已經(jīng)提出了多種方法，主要的有缸壓估信號進(jìn)行特征提取，得出了離子電流信號與指示轉(zhuǎn)計法和曲軸轉(zhuǎn)速波動估計法。但是，這兩種方法各矩之間的對應(yīng)變化關(guān)系。在時域上，通過對離子電有其局限性。采用氣缸壓力傳感器可以對轉(zhuǎn)矩加以流信號中兩個峰值的位置及對應(yīng)的幅值這四個參實(shí)時和準(zhǔn)確地估計，但由于目前傳感器成本高,耐用數(shù)，得到了離子電流信號隨轉(zhuǎn)矩的變

4、化關(guān)系；在頻性差，以及發(fā)動機(jī)安裝空間的限制，所以難于直接域上，則對經(jīng)傅立葉變換后的離子電流信號的基頻將其安裝于車載發(fā)動機(jī)上來執(zhí)行控制或診斷任務(wù)幅值隨轉(zhuǎn)矩的變化加以了分析和估計。同時，本研[2]。利用曲軸位置傳感器，通過軟件方法間接估計氣究也對這兩種轉(zhuǎn)矩估計方法進(jìn)行了對比和分析。缸壓力以及指示轉(zhuǎn)矩，則可以避開上述問題。但這種方法所采用的模型較為復(fù)雜，并且在實(shí)際中由于2試驗(yàn)裝置及檢測原理測量噪聲的存在會產(chǎn)生較大的估計誤差；另外，由于路面不平和發(fā)動機(jī)附件引起的振動也降低了轉(zhuǎn)矩2.1離子電流的產(chǎn)生機(jī)理及檢測[3]估

5、計精度?；瘜W(xué)電離理論認(rèn)為，有機(jī)物在燃燒中的高溫電針對上述發(fā)動機(jī)指示轉(zhuǎn)矩估計方面所存在的問離過程由數(shù)千個化學(xué)反應(yīng)步驟組成，并形成碳?xì)溆晤}，本文提出了一種基于發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒離子傳感離基CH、CH和CH3，然后部分游離基與激發(fā)態(tài)氧[5]技術(shù)的轉(zhuǎn)矩實(shí)時估計方法。在發(fā)動機(jī)工作過程中，反應(yīng)生成正離子和電子。總體上，整個有機(jī)物燃燒混合氣燃燒所生成的離子，如經(jīng)適當(dāng)?shù)闹绷髌秒婋婋x過程可以根據(jù)不同時刻內(nèi)的離子形成機(jī)制分為壓，就會定向遷移并形成離子電流。經(jīng)采集后的離兩個主要階段。第一個階段內(nèi)為火焰前鋒期，在這子電流信號的大小可

6、以表征燃燒瞬時的離子濃度，一時期內(nèi)有劇烈的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，隨著火焰前鋒通從而對燃燒過程加以反饋。目前，離子電流傳感技過離子電流探針，反應(yīng)所產(chǎn)生大量離子的濃度首先術(shù)已經(jīng)被成功用于車載發(fā)動機(jī)的爆震和失火探測達(dá)到峰值,然后隨著火焰前鋒的轉(zhuǎn)移而減少。在該階中。同時，利用離子電流信號對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過段內(nèi)自由離子的產(chǎn)生主要是由反應(yīng)物的空燃比決定程進(jìn)行精確定量分析的研究也在不斷展開，包括缸的。內(nèi)局部空燃比反饋、燃燒缸壓峰值位置以及燃燒正第二個階段為火焰后期，在該時期內(nèi)，火焰前天津，2007年9月董光宇等：基于缸內(nèi)離子傳感

7、技術(shù)的發(fā)動機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)矩估計60鋒已離開火花塞，但氣缸內(nèi)的溫度和壓力由于燃料功機(jī)采用湘儀電渦流測功機(jī)。的燃燒放熱而迅速升高。在高溫高壓作用下,氣缸內(nèi)混合氣還會發(fā)生熱電離，根據(jù)Zeldovich提出的反應(yīng)3不同轉(zhuǎn)矩下離子電流信號的時域特征機(jī)理，此時對自由離子產(chǎn)生起決定作用的是NO的濃度，而NO濃度主要是由此時缸內(nèi)的溫度決定的，1500在缸內(nèi)壓力達(dá)到最大時NO濃度達(dá)到最大，因此火1000焰后期離子電流與缸內(nèi)放熱率歷程及壓力變化歷程500[6]具有很好的對應(yīng)關(guān)系。10N.m(mv)0電壓30N.m-50050N.m1

8、0MPC-1000050100150曲軸轉(zhuǎn)角kAMP5A/D7圖23000轉(zhuǎn)/分下離子電流信號與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系圖2為轉(zhuǎn)速3000r/min下，20循環(huán)平均后的離子電流與轉(zhuǎn)矩的對應(yīng)關(guān)系，由圖中可以看出，同一圖1離子電流檢測電路示意圖轉(zhuǎn)矩下，經(jīng)20循環(huán)平均后，離子電流信號波形已經(jīng)圖1為離子電流的檢測電路，離子電流檢測電比較穩(wěn)定，并且隨著轉(zhuǎn)矩的增大，離子電流信號對路由高壓隔離電路、DC/DC電源電路及信號處理電應(yīng)變化關(guān)