采用離子電流法的甲醇發動機失火診斷

高忠權,李春艷,藺子雨,馮克夕,劉圣華

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗,710049,西安;2.河北工業職業技術學院,050091,石家莊)

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采用離子電流法的甲醇發動機失火診斷

高忠權1,李春艷1,藺子雨2,馮克夕1,劉圣華1

(1.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗,710049,西安;2.河北工業職業技術學院,050091,石家莊)

在一臺由四缸柴油機改裝而成的甲醇發動機上,采用以火花塞作為傳感器的離子電流測量法在線獲得了發動機正常燃燒和3種典型失火工況時的離子電流信號,分析了它們之間的異同,給出了3種典型失火工況的離子電流信號特征值,并利用離子電流的焰后區峰值幅值及峰值位置量化了試驗用甲醇發動機發生失火的判定依據。結果表明:當發動機正常燃燒時,離子電流曲線只含有前鋒區和焰后區;當火焰不能連續傳播而引起失火時,離子電流信號在上止點附近出現若干尖峰;當斷油引起失火時,離子電流只出現點火信號;當緩慢燃燒引起失火時,離子電流波形分別在前鋒區和焰后區出現峰值。該結果可為離子電流法在點燃式甲醇發動機中的應用提供理論依據。

離子電流;甲醇發動機;失火;在線測量

失火是發動機非正常燃燒的典型現象,失火嚴重時會導致排放中有害氣體濃度急速升高、尾氣處理裝置中的催化劑“中毒”、發動機輸出功率大幅度下降等,失火率達到一定程度時會造成發動機熄火[1-3]。因此,快速、準確地對發動機失火進行實時在線監測是實現發動機精確抑制失火發生的關鍵環節。

目前,國內外有關失火檢測方法有以下幾種:通過比較壓力傳感器采集到的壓力信號與給定的壓力閾值來判斷失火[4];通過振動信號的時域、頻域或幅值分析來判斷失火[5];根據排氣成分的變化判斷失火;采用寬帶氧傳感器進行失火測量[6-7]。上述方法在應用上均有缺點,即壓力傳感器成本較高,振動傳感器的診斷精度較低,排氣組分分析響應滯后。離子電流法是近年提出的一種發動機在線測量方法,其可成功提取發動機工作過程中燃燒室內的壓力[8-9]、混合氣空燃比[10]及非正常燃燒[11-12]等信息,實現內燃機在線實時測量和燃燒室分缸測量。

以甲醇作為燃料的發動機的常規排放一般要低于汽油機[13],甲醇通常以摻混的方式應用于汽油機[14]。雖然關于甲醇發動機燃燒方面的研究較多,但是關于離子電流法在甲醇發動機在線測量的應用研究尚不多見。本文在一臺四缸柴油發動機上通過加裝點火火花塞、采用直噴純甲醇形式進行了發動機工作過程的在線測量,同時分析、比較了正常燃燒與3種典型失火工況下離子電流信號之間的異同,給出了3種典型失火工況下離子電流信號的特征,并利用數學方法給出了發動機發生失火的判斷依據,以期為離子電流法在甲醇發動機上的應用提供理論依據。

1 試驗裝置及方法

本試驗發動機由西安交通大學汽車系的一臺4102QB型柴油機改裝而成,具體參數見文獻[14]。圖1給出了離子電流測量系統電路圖。測量系統的線路從布置在缸蓋頂部的火花塞正極上引出,連接了具有高截止電壓的高壓硅堆、直流-直流型偏置直流電源(輸入電壓為12 V、輸出電壓為400 V)、分壓電阻R2(R2=100 kΩ)及分壓電阻R1后接地。數字采集儀的探頭布置在電阻R2上,以采集離子電流信號。為了抑制環境中的噪聲對離子電流信號的干擾,本試驗選擇了容值為22 μF的濾波電容且并聯在R2兩端,火花塞負極與發動機機體連接并共接地。試驗采用了日本橫河(Yokogawa)數據采集設備,型號為DL750,其具有多個采集通道,可同時記錄離子電流、壓力與曲軸轉角信號。試驗發動機的燃料為純甲醇。

圖1 離子電流測量系統電路

2 試驗結果分析

2.1 甲醇發動機正常燃燒時的離子電流

圖2給出了平均有效壓力pme=0.7 MPa、轉速為2 500 r/min、點火時刻(上止點前)為22°及正常工作時的壓力和離子電流曲線及其對應的放熱率和溫度曲線,該曲線值為100個循環的平均值。由圖2可知,離子電流曲線只包括了前鋒區和焰后區兩個階段,沒有出現點火信號。這是由于本試驗采用了基于柴油機改裝的點火系統,其高壓硅堆為截止電壓為50 kV/A的大型高壓硅堆,可有效阻止點火線圈點火時釋放的高電壓以及在火花塞兩極間產生的高壓、高頻振蕩電壓對測量電路的干擾。

從圖2還可以看出,前鋒區始于點火發生后,離子電流從上止點前22°開始并逐漸小幅上升,隨后緩慢回落至上止點前3°。此階段,電流主要由火核及燃燒前期火焰前鋒面內化學離子化過程產生的CH3+、CHO+、C3H3+和H3O+以及自由電子等帶電粒子形成,其中H3O+居首位[15],該電流反映了火核形成與火焰發展過程中的燃燒信息。

離子電流在上止點前3°開始急劇上升,達到峰值后逐漸下降為0,這一階段為焰后區。由溫度曲線和放熱率曲線可知,在上止點前3°處溫度達到了1 700 K左右,放熱率開始急劇升高。該階段離子電流主要由已燃區高溫熱電離NO組分產生的NO+離子為主導。根據Zeldovich理論[16],NO組分熱電離能最低,一般在1 650 K以上NO可被熱電離成NO+離子,因此后焰區離子電流主要與缸內溫度有關。當缸內壓力達到最大時,溫度幾乎同時達到最高,焰后區離子電流出現最大值。

(a)離子電流、缸內壓力隨曲軸轉角的變化

(b)放熱率、缸內平均燃燒溫度隨曲軸轉角的變化圖2 離子電流、壓力、放熱率及缸內平均燃燒溫度曲線

2.2 甲醇發動機失火時的離子電流

失火的發生方式一般為以下3種典型工況:①火焰不能順利傳播引起的失火;②斷電引起的失火;③緩慢燃燒引起的失火。本節針對上述3種失火進行了測量和診斷。

2.2.1 火焰不能連續傳播引起的失火 圖3為火焰不能連續傳播引起失火時的離子電流(100個循環平均值)。此失火工況為:發動機轉速n=1 500 r/min,pme=0.27 MPa,點火時刻θig=13°(上止點前)。這是由于在優化點火提前角試驗過程中點火正時太晚、偏離最佳點火提前角(上止點前21°)過大,以及點火時火花塞附近的混合氣太稀導致部分循環中火焰無法順利傳播所致。但是,發動機并不是在所有循環都會失火,仍有部分循環中的燃燒還在進行,因此發動機仍連續運轉。從圖3可以看出,失火時離子電流曲線包含了幾個很小并且不連續的尖峰,直到上止點附近尖峰消失。根據離子電流檢測原理可知,第1個峰值從出現時刻可推斷其為點火高壓釋放后在火花塞兩極間產生的振蕩感應電勢所為;此后出現的2個峰值均為與燃燒相關的離子電流峰值。當火焰無法連續傳播,且燃燒無法進行時,缸內溫度較低,檢測到的信號主要是以火焰前鋒區化學離子化產生的帶電離子主導的離子電流。圖中與燃燒相關的2個峰值信號僅有2 μA左右,而圖2正常燃燒時的在焰后區的離子電流峰值為50 μA左右,這與混合氣有效參與燃燒的質量有關。火核形成但不能發展而導致失火時,參與燃燒的混合氣極少,火焰中的離子數大大減少,此時采集到的離子電流峰值遠小于發動機正常燃燒時的離子電流峰值。

圖3 火焰不能連續傳播引起失火時的離子電流

2.2.2 斷油引起的失火 圖4為強制缸內斷油(關閉油路)發生失火時測得的離子電流(100個循環平均值)。該工況為電機帶動倒拖使發動機連續運轉,缸內未發生燃燒。此時,離子電流曲線只包含了1個尖脈沖電流。這既與圖2正常燃燒時的點火信號被高壓硅堆隔離的離子電流有所不同,也與圖3中失火時的離子電流明顯不同。其原因為發動機缸內沒有甲醇燃料噴入,燃燒室內未發生任何燃燒,所以不存在因燃燒產生的帶電粒子。離子電流測量系統檢測到的尖峰信號是由點火線圈在點火時釋放高壓而引起的強感應電勢所致。根據文獻[5]可知,火花點火發動機點燃時化學當量比下的燃料與空氣的混合氣所需能量約為0.2 mJ,對于偏濃或者偏稀可燃混合氣的所需能量要大于3 mJ,而常用的點火系統釋放的能量約為30～50 mJ,所以點火時擊穿兩極間空氣的電壓會引起兩極間產生振蕩感應電動勢,該電動勢幅值較高。

圖4 缸內斷油引起失火時的離子電流

2.2.3 緩慢燃燒引起的失火 圖5為n=1 500 r/min、pme逐步提高時采集到的幾組失火工況的離子電流(100個循環平均值)。

(a)pme=0.09 MPa時的離子電流

(b)pme=0.45 MPa時的離子電流

(c)pme=0.71 MPa時的離子電流

(d)pme=0.80 MPa時的離子電流圖5 失火工況下的離子電流

由圖5a可以看出,pme=0.09 MPa時焰后區離子電流幾乎與火焰前鋒區合并成一個峰。由于缸內火焰燃燒非常緩慢,缸內壓力較小,燃燒室內因平均溫度較低而未能使已燃區NO組分發生熱電離,因此焰后區離子電流非常小,且焰后區離子電流峰值的出現時刻在上止點后61°。由圖5b可以看出,pme=0.45 MPa時離子電流除了有火焰傳播初期產生的前鋒區峰值外,還明顯出現了燃燒焰后區峰值,2個峰存在時間間隔,這是由缸內燃燒壓力大幅度提高、燃燒溫度上升、火焰傳播速度較慢、焰后區與前鋒區位置較遠所致。由圖5c可以看出,pme=0.71 MPa時離子電流呈現明顯的前鋒區與焰后區峰值,但2個峰的距離縮短,2個峰的幅值均有所增加,這是由壓力小幅提高后缸內燃燒溫度進一步升高、缸內燃燒速度加快、焰后區出現時刻提前所致。由圖5d可以看出,pme=0.80 MPa時離子電流仍然呈現前鋒區與焰后區2個峰,但2個峰發生重疊,這是由于壓力進一步提高后燃燒溫度升高、缸內燃燒速度加快、焰后區與前鋒區位置較近所致。

2.3 失火的評價

根據離子電流信號可以判斷甲醇發動機是否失火,但失火存在多種情況,因此本節給出了根據離子電流診斷發動機失火的量化方案。

(1)失火率。發動機失火率

(1)

(2)離子電流特征參數。失火時離子電流在焰后區峰值幅值及峰值位置相比于正常燃燒有明顯區別,因此可以結合焰后區峰值大小及其出現時刻來診斷發動機失火。定義離子電流特征參數

(2)

(3)

式中:IM為焰后區離子電流最大值;Iraw為焰后區離子電流原始數據;tI為焰后區離子電流最大時對應的時刻。經試驗分析可確定失火發生的閾值,當IM<26 μA、tI>20°(上止點后)時,發動機將發生失火;當IM=26～60 μA、tI=0°～20°(上止點后)時,發動機正常燃燒。

對圖4和圖5采集到的失火離子電流進行分析,并分別統計其失火率,可以對失火診斷的可靠性進行評價,評價結果見表1。

表1 失火評價結果

由表1可知,離子電流特征參數的評價結果與試驗數據有對應關系,這說明離子電流峰值法可以有效診斷甲醇缸內直噴發動機的失火。

3 結 論

(1)采用離子電流測量法對甲醇發動機進行了在線測量,正常燃燒測量得到的離子電流曲線只包含前鋒區和焰后區。

(2)失火時測量得到的離子電流曲線形態隨失火情況的不同而有所不同。當火焰不能順利傳播引起失火時,離子電流存在若干不連續的尖峰;當斷油引起失火時,離子電流只有1個尖峰;當緩慢燃燒引起失火時,離子電流呈現2個峰。

(3)根據離子電流波形的焰后區峰值幅值及峰值位置,提出了量化評價失火的方法:當IM<26 μA、tI>20°(上止點后)時,發動機發生失火;當IM=26～60 μA、tI=0°～20°(上止點后)時,發動機正常燃燒。

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(編輯 苗凌)

Misfire Diagnosis of Methanol Engine with Ion Current Method

GAO Zhongquan1,LI Chunyan1,LIN Ziyu2,FENG Kexi1,LIU Shenghua1

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Hebei College of Industry and Technology, Shijiazhuang 050091, China)

The ion current signals of normal combustion and three kinds of typical misfire conditions were obtained with ion current method from a methanol engine refitted by a four-cylinder diesel engine, where the spark plug was served as a sensor. A comparative analysis of shapes was carried out between the ion current signals obtained under normal and abnormal combustion conditions. Analyzing their similarities and differences, the characteristic values of the ion current signals under three kinds of typical misfire conditions were given. The misfire criterion of methanol engine was established according to the peak value and the timing of the peak value of ion current. The ion current curve contains only front flame and post flame under normal condition. When misfire occurs under different operating conditions, the shape of the ion current becomes quite different. The ion current curve possesses a number of peaks as interrupted flame occurs; the ion current just has one peak as fuel is not supplied; for part-combustion, the ion current curve possesses two peaks at the front and post zones. Thus a misfire evaluation criterion is established according to the peak value of post-flame current and appearance of the peaks.

ion current; methanol engine; misfire; on-line detection

2015-02-04。作者簡介:高忠權(1982—),男,博士,講師。基金項目:國家自然科學基金資助項目(51306143);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(xjj2013001)。

時間:2015-08-13

10.7652/xjtuxb201511008

TK431

A

0253-987X(2015)11-0044-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150813.1019.016.html