一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法

2023-10-09 17:35:29

專利名稱：一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法，特別是關於一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
均質壓燃是一種結合了汽油機和柴油機優勢的新型燃燒方式，具有大幅提高汽油 機燃油經濟性，同時降低NOx排放95%以上的優勢。但均質壓燃發動機在產業化過程中仍 然面臨著著火控制困難的問題。這是由於均質壓燃沒有直接的著火觸發裝置，著火和燃燒 都要受到化學動力學控制，因此在實際的產業化過程中需要對發動機進行單缸獨立閉環控 制，才能保證均質壓燃的高效和穩定。而單缸獨立閉環控制的關鍵在於反饋的缸內燃燒相 位狀況。目前，國際上發布的均質壓燃產業化技術方案均採用了缸內壓力傳感器，利用缸內 壓力傳感器直接測量缸內壓力作為缸內燃燒相位狀況的反饋信息，來有效實現閉環控制。 然而，使用缸內壓力傳感器時需要在發動機缸蓋或缸體上設置單獨的通道，對發動機的結 構進行一定的改造後方可使用。而且，缸內壓力傳感器的價格昂貴，使用壽命短，耐久性差， 對多缸發動機需要每缸都分別安裝缸內壓力傳感器，成本過高，不適合量產。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種成本低，適合量產，並能夠將燃燒相位準 確檢測出來的均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢 測裝置，其特徵在於，它包括一轉速傳感器，其採集發動機的飛輪的轉速信號；一凸輪軸位置傳感器，其採集發動機的凸輪軸相位；一加速度傳感器，其採集發動 機的振動信號；一電荷放大器，其將採集到的發動機振動信號由電荷信號轉換為電壓信號； 一數據採集設備，其對輸入的所述發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動信號進行模 數轉換；一上位機，其根據經模數轉換後的所述發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動 信號的數位訊號，標定出所述發動機的燃燒分析窗口和燃燒特徵頻率帶；一燃燒分析控制 單元，其根據所述燃燒分析窗口來採集所述發動機的振動信號，再濾波得到所述燃燒特徵 頻率帶段內的發動機振動信號，之後計算出發動機的燃燒相位。所述上位機包括一上止點標定模塊，其中預設有上止點偏差，用於將所述發動機 的轉速信號、凸輪軸的相位和預設上止點偏差結合，標定出所述發動機的燃燒分析窗口 ；一 燃燒頻率標定模塊，其中預設有燃燒特徵截止頻率，用於將所述預設燃燒特徵截止頻率和 發動機振動信號結合，確定發動機的燃燒特徵頻率帶。所述燃燒分析控制單元內預設有一通訊模塊，其將所述數據採集設備輸送的信 號輸出給所述上位機，並接收所述上位機中上止點標定模塊反饋的發動機的燃燒分析窗 口，再按照所述發動機的燃燒分析窗口採集發動機振動信號；一帶通濾波模塊，其接收所述 上位機中燃燒頻率標定模塊輸出的燃燒特徵頻率帶，並對輸入的所述發動機振動信號進行濾波處理，得到所述發動機燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號；一時頻分析模塊，其對 所述發動機燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號進行時頻分析，得到某一曲軸轉角下的 振動能量函數；一能量函數擬合模塊，其對某一曲軸轉角下的振動能量函數進行擬合，得到 所述發動機的燃燒相位。所述通訊模塊採用TCP/IP協議，與所述數據採集設備通訊。所述轉速傳感器採用磁感應式58齒曲軸位置傳感器，所述凸輪軸位置傳感器採 用霍爾式凸輪軸位置傳感器，所述加速度傳感器採用壓電式加速度傳感器和爆震傳感器之
ο所述轉速傳感器採用磁感應式58齒曲軸位置傳感器，所述凸輪軸位置傳感器採 用霍爾式凸輪軸位置傳感器，所述加速度傳感器採用壓電式加速度傳感器和爆震傳感器之
ο一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測方法，它包括以下步驟1)利用所述均質壓 燃發動機燃燒相位的檢測裝置中轉速傳感器和凸輪軸位置傳感器採集發動機的轉速信號 和凸輪軸位置信號，以及上位機中預設的發動機的上止點偏差，由上位機在燃燒分析控制 單元中標定出發動機的上止點的位置，得到發動機燃燒分析窗口 ；同時利用上位機中預設 的發動機的燃燒特徵截止頻率，以及加速度傳感器採集到的振動信息，得到發動機的燃燒 特徵頻率帶；2)數據採集依據步驟1)中標定出的發動機燃燒分析窗口，由燃燒分析控制 單元的通訊模塊採集發動機燃燒分析窗口內的發動機的振動信號並輸入帶通濾波模塊；3) 濾波依據步驟1)中標定出的燃燒特徵頻率帶，帶通濾波模塊對步驟2)中採集到的發動機 振動信號進行濾波處理，得到發動機的燃燒特徵頻率帶段內的振動信號，並將經過濾波後 的振動信號輸送入時頻分析模塊；4)時頻分析時頻分析模塊對步驟3)得到的燃燒特徵頻 率帶段內振動信號進行分析，計算出任意曲軸轉角對應的振動能量和頻率，積分燃燒特徵 頻段內的幅值，得到振動能量函數並輸入能量函數擬合模塊；5)燃燒相位提取能量函數 擬合模塊對步驟4)得出的振動能量函數進行擬合，檢測出燃燒相位信息，完成一次燃燒相 位檢測，返回步驟2)，進入下一次燃燒相位檢測。所述步驟4)中的時頻分析方法為Wigner-Ville時頻分析方法。所述步驟5)中的能量函數擬合採用單韋伯函數對振動能量函數進行擬合。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、由於本發明設置的轉速傳感器採集的發動機飛輪的轉速信號，凸輪軸位置傳感器採集的所述發動機的凸輪軸相位，力口 速度傳感器採集發動機的振動信號，均依次通過數據採集設備、燃燒分析控制單元採集設 備輸送給上位機，再由上位機標定出輸送給燃燒分析控制單元的發動機的燃燒分析窗口和 燃燒特徵頻率帶，之後燃燒分析控制單元根據燃燒分析窗口來採集發動機的振動信號，再 濾波得到燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號，最後根據燃燒特徵頻率帶段內的發動機 振動信號，計算出發動機的燃燒相位，而無需對發動機進行改造，便於在現有發動機基礎上 進行推廣。2、由於本發明的上位機內預設有標定發動機的燃燒分析窗口用的上止點標定模 塊，還預設有標定發動機的燃燒特徵頻率帶的燃燒頻率標定模塊，而且上止點標定模塊和 燃燒頻率標定模塊可以根據發動機特徵進行參數設定，適用範圍廣。3、由於本發明的通訊 模塊為TCP/IP協議，可以實現在線標定。4、由於本發明的轉速傳感器採用磁感應式58齒曲 軸位置傳感器，凸輪軸位置傳感器採用霍爾式凸輪軸位置傳感器，加速度傳感器採用壓電式加速度傳感器和爆震傳感器之一，因此設備成本低。5、由於本發明採用了 Wigner-Ville 時頻分析方法對發動機的振動信息進行時頻分析，該分析方法對發動機振動信號進行處理 時，具有較高的時域和頻域解析度，有利於燃燒相位的準確獲得。6、由於本發明採用了單韋 伯函數對能量函數進行擬合，單韋伯函數的形態是汽油機放熱率曲線，可以更為直接方便 地提取出燃燒相位信息。本發明成本低，適合量產，並能夠將燃燒相位準確檢測出來，可以 廣泛應用在內燃機燃燒領域。


圖1是本發明裝置的方框2是本發明裝置中上位機和燃燒分析控制單元的連接方框3是本發明方法的流程示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明裝置包括一轉速傳感器1、一凸輪軸位置傳感器2、一加速度傳 感器3、一電荷放大器4、一數據採集設備5、一上位機6和一燃燒分析控制單元7。轉速傳 感器1和凸輪軸位置傳感器2分別採集發動機8上飛輪轉速信號、凸輪軸的相位信號，輸送 給數據採集設備5 ；同時加速度傳感器3採集發動機8上的振動信號，該振動信號為電荷信 號，輸送給電荷放大器4 ；電荷放大器4將加速度傳感器採集的轉換為電壓信號，輸送給數 據採集設備5。數據採集設備5將輸入的各信號進行模數轉換，通過燃燒分析控制單元7輸 送給上位機6。上位機6標定出輸送給燃燒分析控制單元7的發動機燃燒分析窗口和燃燒 特徵頻率帶。燃燒分析控制單元7根據燃燒分析窗口來採集發動機8的振動信號，再濾波 得到燃燒特徵頻率帶段內的發動機8的振動信號，之後計算出發動機8的燃燒相位。本實 施例中，發動機8以四缸均質壓燃發動機為例。本發明的轉速傳感器1設置在發動機8的飛輪上，採集飛輪的轉速信號，本實施例 中的轉速傳感器1採用磁感應式58齒曲軸位置傳感器。凸輪軸位置傳感器2設置在發動 機8的凸輪軸信號輪側，採集凸輪軸的相位信號，本實施例中的凸輪軸位置傳感器2採用霍 爾式凸輪軸位置傳感器。加速度傳感器3設置在發動機8的缸體或缸蓋上，採集發動機8 的振動信號，本實施例中的加速度傳感器3採用壓電式加速度傳感器或者爆震傳感器。電 荷放大器4具有將電荷信號轉換為電壓信號的功能。數據採集設備5為一數據採集卡，具 有模數轉換的功能，數據採集設備5採用16位MCU(Micro Controller Unit) (MSP430)的 數據採集卡製成。如圖1、圖2所示，上位機6內預設有上止點標定模塊61和燃燒頻率標定模塊62， 上止點標定模塊61預設有發動機8的上止點偏差，燃燒頻率標定模塊62預設有發動機8 的燃燒特徵截止頻率。通過上止點偏差可以標定出發動機8的上止點位置，通過燃燒特徵 截止頻率可以標定出燃燒特徵頻率帶。不同的發動機8具有不同的上止點偏差和燃燒特徵 截止頻率，本實施例中預設的上止點偏差和燃燒特徵截止頻率與四缸均質壓燃發動機相對 應。燃燒分析控制單元7接收數據採集設備5輸入的各種數位訊號，並將發動機8的轉速 信號和凸輪軸的相位輸送給上止點標定模塊61，同時將發動機8的振動信號輸送給燃燒頻率標定模塊62。上止點標定模塊61利用發動機8的轉速信號和凸輪軸的相位，並結合設定 的上止點偏差，標定出發動機8的上止點，由此確定出發動機8的燃燒分析窗口。該燃燒分 析窗口根據不同的燃燒模式進行預設，對於本發明的均質壓燃的燃燒方式，燃燒持續期在 20度曲軸轉角以內，因此，選取上止點前10度到上止點後20度曲軸轉角範圍作為發動機8 的燃燒分析窗口。燃燒頻率標定模塊62結合燃燒特徵截止頻率和發動機的振動信號，確定 發動機8的燃燒特徵頻率帶。對於四缸均質壓燃發動機，燃燒振動頻率在3000HZ以內。本發明的燃燒分析控制單元7採用一 Motorola 32位單片機M68300製成，其內預 設有通訊模塊71、帶通濾波模塊72、時頻分析模塊73和能量函數擬合模塊74。通訊模塊 71採用TCP/IP協議與數據採集設備5通訊，由此便於上位機6的在線標定。通訊模塊71 將數據採集設備5輸送的信號輸出給上位機6，並接收到上位機6反饋的發動機8的燃燒分 析窗口，並按照燃燒分析窗口採集輸送給帶通濾波模塊72的發動機振動信號。帶通濾波模 塊72也接收上位機6中燃燒頻率標定模塊62輸出的燃燒特徵頻率帶，並對輸入的發動機 振動信號進行濾波處理，得到發動機8的燃燒特徵頻率帶段內的振動信號，並輸送給時頻 分析模塊73。時頻分析模塊73利用Wigner-Ville時頻分析方法對濾波後的振動信號進行 時頻分析，得到某一曲軸轉角對應的頻率分布，將各頻率段內的幅值進行積分可以得到某 一曲軸轉角下的振動能量函數。能量函數擬合模塊74利用單韋伯函數對能量函數進行擬 合，得到燃燒始點、中點、持續期等各燃燒相位信息。時頻分析模塊73根據得到的振動信號計算出發動機任意曲軸轉角對應的振動能 量和頻率的計算公式為本領域的公知技術，本實施例所採用的公式為formula see original document page 7式中，x(t)是濾波後的燃燒特徵頻率帶段內的振動信號，Wx (t，f)是x(t)信號在 時刻t、頻率f上的能量分布密度，τ為計算的時間步長，χ*為信號χ的共軛複數形式。本發明的燃燒分析控制單元7通過CAN總線與發動機控制單元9進行信息交互， 發動機控制單元9根據燃燒分析控制單元7計算出的燃燒相位信息，來反饋控制發動機8 的噴油策略(比如調整預噴油量和主噴油量的比例)，進一步調整發動機8的燃燒相位， 形成燃燒相位的閉環控制。實驗證明，採用本發明的裝置和方法檢測的燃燒始點誤差在1度曲軸轉角以內， 具有較好的可靠性。如圖3所示，利用上述裝置檢測均質壓燃發動機燃燒相位的方法包括以下步驟1)標定燃燒分析控制單元利用檢測裝置中的轉速傳感器和凸輪軸位置傳感器 採集發動機的轉速信號和凸輪軸位置信號，以及上位機6中預設的發動機8的上止點偏差， 由上位機6在燃燒分析控制單元7中標定出發動機8的上止點的位置，得到發動機燃燒分 析窗口 ；同時利用上位機6中預設的發動機8的燃燒特徵截止頻率，以及加速度傳感器採集 到的振動信息，得到發動機的燃燒特徵頻率帶。2)數據採集依據步驟1)中標定出的發動機燃燒分析窗口，由燃燒分析控制單元 7的通訊模塊71採集發動機燃燒分析窗口內的發動機的振動信號並輸入帶通濾波模塊72。3)濾波依據步驟1)中標定出的燃燒特徵頻率帶，帶通濾波模塊72對步驟2)中 採集到的發動機振動信號進行濾波處理，得到發動機的燃燒特徵頻率帶段內的振動信號，並將經過濾波後的振動信號輸送入時頻分析模塊73。4)時頻分析時頻分析模塊73利用Wigner-Ville時頻分析方法對步驟3)得到的燃燒特徵頻率帶段內振動信號進行分析，計算出任意曲軸轉角對應的振動能量和頻率， 積分燃燒特徵頻段內的幅值，得到某一曲軸轉角下的振動能量函數並輸入能量函數擬合模 塊74。5)燃燒相位提取能量函數擬合模塊74利用單韋伯函數對能量函數對步驟4)得 出的振動能量函數進行擬合，提取出燃燒始點、中點、持續期等各燃燒相位信息，完成一次 燃燒相位檢測，之後再返回步驟2)，進入下一次燃燒相位檢測過程。
權利要求
一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在於，它包括一轉速傳感器，其採集發動機的飛輪的轉速信號；一凸輪軸位置傳感器，其採集發動機的凸輪軸相位；一加速度傳感器，其採集發動機的振動信號；一電荷放大器，其將採集到的發動機振動信號由電荷信號轉換為電壓信號；一數據採集設備，其對輸入的所述發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動信號進行模數轉換；一上位機，其根據經模數轉換後的所述發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動信號的數位訊號，以標定出所述發動機的燃燒分析窗口和燃燒特徵頻率帶；一燃燒分析控制單元，其根據所述燃燒分析窗口來採集所述發動機的振動信號，再濾波得到所述燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號，之後計算出發動機的燃燒相位。
2.如權利要求1所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在於所述 上位機包括一上止點標定模塊，其中預設有上止點偏差，用於將所述發動機的轉速信號、凸輪軸的 相位和預設上止點偏差結合，標定出所述發動機的燃燒分析窗口 ；一燃燒頻率標定模塊，其中預設有燃燒特徵截止頻率，用於將所述預設燃燒特徵截止 頻率和發動機振動信號結合，以確定發動機的燃燒特徵頻率帶。
3.如權利要求1或2所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在於 所述燃燒分析控制單元內預設有一通訊模塊，其將所述數據採集設備輸送的信號輸出給所述上位機，並接收所述上位 機中上止點標定模塊反饋的發動機的燃燒分析窗口，再按照所述發動機的燃燒分析窗口採 集發動機振動信號；一帶通濾波模塊，其接收所述上位機中燃燒頻率標定模塊輸出的燃燒特徵頻率帶，並 對輸入的所述發動機振動信號進行濾波處理，得到所述發動機燃燒特徵頻率帶段內的發動 機振動信號；一時頻分析模塊，其對所述發動機燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號進行時頻分 析，得到某一曲軸轉角下的振動能量函數；一能量函數擬合模塊，其對某一曲軸轉角下的振動能量函數進行擬合，得到所述發動 機的燃燒相位。
4.如權利要求3所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在於所述 通訊模塊採用TCP/IP協議與所述數據採集設備通訊。
5.如權利要求1或2或4所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在 於所述轉速傳感器採用磁感應式58齒曲軸位置傳感器，所述凸輪軸位置傳感器採用霍爾 式凸輪軸位置傳感器，所述加速度傳感器採用壓電式加速度傳感器和爆震傳感器之一。
6.如權利要求3所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置，其特徵在於所述 轉速傳感器採用磁感應式58齒曲軸位置傳感器，所述凸輪軸位置傳感器採用霍爾式凸輪 軸位置傳感器，所述加速度傳感器採用壓電式加速度傳感器和爆震傳感器之一。
7.一種使用如權利要求1 6中任一項所述裝置的均質壓燃發動機燃燒相位的檢測方 法，它包括以下步驟1)利用所述均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置中轉速傳感器和凸輪軸位置傳感器 採集發動機的轉速信號和凸輪軸位置信號，以及上位機中預設的發動機的上止點偏差，由 上位機在燃燒分析控制單元中標定出發動機的上止點的位置，得到發動機燃燒分析窗口 ； 同時利用上位機中預設的發動機的燃燒特徵截止頻率，以及加速度傳感器採集到的振動信 息，得到發動機的燃燒特徵頻率帶；2)數據採集依據步驟1)中標定出的發動機燃燒分析窗口，由燃燒分析控制單元的通 訊模塊採集發動機燃燒分析窗口內的發動機的振動信號並輸入帶通濾波模塊；3)濾波依據步驟1)中標定出的燃燒特徵頻率帶，帶通濾波模塊對步驟2)中採集到 的發動機振動信號進行濾波處理，得到發動機的燃燒特徵頻率帶段內的振動信號，並將經 過濾波後的振動信號輸送入時頻分析模塊；4)時頻分析時頻分析模塊對步驟3)得到的燃燒特徵頻率帶段內振動信號進行分析， 計算出任意曲軸轉角對應的振動能量和頻率，積分燃燒特徵頻段內的幅值，得到振動能量 函數並輸入能量函數擬合模塊；5)燃燒相位提取能量函數擬合模塊對步驟4)得出的振動能量函數進行擬合，檢測出 燃燒相位信息，完成一次燃燒相位檢測，返回步驟2)，進入下一次燃燒相位檢測。
8.如權利要求7所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測方法，其特徵在於所述 步驟4)中的時頻分析方法為Wigner-Ville時頻分析方法。
9.如權利要求7所述的一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測方法，其特徵在於所述 步驟5)中的能量函數擬合採用單韋伯函數對振動能量函數進行擬合。
全文摘要
本發明涉及一種均質壓燃發動機燃燒相位的檢測裝置及其檢測方法，它包括一轉速傳感器，其採集發動機的飛輪的轉速信號；一凸輪軸位置傳感器，其採集發動機的凸輪軸相位；一加速度傳感器，其採集發動機的振動信號；一電荷放大器，其將採集到的發動機振動信號由電荷信號轉換為電壓信號；一數據採集設備，其對輸入的發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動信號進行模數轉換；一上位機，其根據經模數轉換後的發動機的飛輪轉速信號、凸輪軸相位和振動信號的數位訊號，標定出發動機的燃燒分析窗口和燃燒特徵頻率帶；一燃燒分析控制單元，其根據燃燒分析窗口來採集發動機的振動信號，再濾波得到燃燒特徵頻率帶段內的發動機振動信號，之後計算出發動機的燃燒相位。本發明成本低，適合量產，並能夠將燃燒相位準確檢測出來，可以廣泛應用在內燃機燃燒領域。
文檔編號F02B1/14GK101806240SQ20101012629
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月15日 優先權日2010年3月15日
發明者王建昕, 王志, 陽冬波 申請人:清華大學