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點燃式發動機爆震測量及其有限元分析

發布于:2021-01-10 09:34
有限元分析

       爆震是點燃式發動機特有的一種不正常燃燒現象,是發動機追求高動力性和經濟性的最大障礙之一,它制約點燃式發動機提高壓縮比,實現高增壓等技術的實施。從火花點火式發動機到雙燃料引燃式發動機,爆震燃燒現象均為主要的技術問題,也是重要的研究領域。在爆震燃燒研究中,主要問題是爆震機理、爆震測量與判定方法以及實時控制等。爆震實時控制技術已廣泛地應用于現代汽車發動機中。振動傳感器盡管存在信噪比、靈敏度和判缸等問題,但成本低,使用比較廣泛;缸內壓力或光信號的直接探測方法雖然成本高、可靠性及壽命差,但可以彌補間接測量的不足,也越來越受到重視,需要對其進行有限元分析。
       在爆震測量和控制中,爆震界限的控制點一直是科研人員關注的問題。試驗表明,輕微爆震將改善發動機的動力性和經濟性,但過分的爆震將使燃燒惡化,迅速損壞發動機。所以,爆震控制系統的目的就是使發動機能夠工作在輕微爆震或稱臨界爆震狀態下,亦即通過檢測發動機工作循環的爆震強度及界限,并據此修正點火提前角。因此,研究輕微臨界爆震燃燒現象及其測量識別方法和強度問題具有重要意義。
       爆震的出現具有很大的隨機性,通常采用測量信號的數學統計方法(算法),確認爆震強度,如峰值法、時域均方根法、最大變化率法及信號微分法、頻譜分析法和循環占有率法等。無論哪種方法,均需確定臨界值(閾值)作為比較依據。一般可劃分為無爆震、臨界爆震(輕微爆震或爆震邊緣)、輕度爆震、中度爆震、重度爆震。比較確認后,通過控制系統對燃燒過程進行調節和控制,達到最佳的燃燒狀況,實現最佳的動力性、經濟性及排放特性。一般而言,閾值及程度劃分應依具體發動機而定。
  通常的控制系統中,爆震控制主要是調節點火提前角,或輔助于空燃比等。利用算法計算的反饋信號,實施點火提前角的修正。無爆震,點火提前角適當增大;臨界爆震或輕微爆震,達到控制效果,點火提前角可基本不變;輕度爆震,點火提前角建立下調趨勢或微下調;中度爆震,點火提前角應較大幅度下降,以便盡快脫離爆震;重度爆震,在正常工作條件下,一般不會發生,若判斷出現,應迅速減小點火提前角,控制供油負荷,實施故障診斷等。至于點火提前角具體修正數值,應通過大量的試驗數據來決定。一般點火提前角推遲2°~5°,就可以有效地消除爆震。所以,爆震控制系統的目的就是使發動機能夠工作在輕微爆震狀態下,它是通過檢測發動機工作循環的爆震強度,并根據爆震強度修正點火提前角來實現的。
  實驗中采用缸內壓力和燃燒光強測量,分析判斷爆震燃燒。其中燃燒光強測量采用光纖傳感器,光纖傳感器測量裝置主要由光學探頭和傳輸光纖、單色濾光設備、光電轉換裝置、信號處理和采集裝置等組成。試驗在單缸實驗汽油發動機上進行,實驗系統如圖所示。
  光學探頭有兩種形式,即獨立探頭式及火花塞內鑲嵌式。前者可置于燃燒室壁的任何部位;后者由火花塞和嵌入其中的探頭構成一體,安裝時無需對發動機做任何改動,主要應用于火花點火式發動機。通常光導纖維及光電轉換裝置對不同波長的光,其響應是不相同的,而且光纖存在不同程度的衰減,光電轉換裝置的峰值響應也是不同的,因此,須對光電信號轉換進行標定。
       爆震始點采用信號變化率作為判據,根據爆震實驗分析,分別對于壓力信號變化率dp/dθ和光信號變化率dL/dθ制定約定值,作為判據。爆震循環壓力及光信號的變化狀況,爆震始點(K點)突出可見。



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