火花塞离子电流在南方摩托车发动机早燃检测中的应用

火花塞离子电流在南方摩托车发动机早燃检测中的应用 火花塞离子电流在南方摩托车发动机早燃 检测中的应用 火花塞离子电流在南方摩托车发动机 早燃检测中的应用 成志明,龚金科,鄂加强 (1.湖南大学,湖南长沙410082;2.湖南学院,湖南湘潭411104) SparkPlugIonicCurrentUsedinthePreignitionDetectionoftheSouthMotorcycleEngine CHENGZhi—ming'..GONGJin—ke.EJia—qiang1 (1.HunanUniversity.Changsha410082,China~2.HunanInstituteofEngineering.Xiangta n411104,China) 摘要:介绍一种直接利用火花塞电极作为传感 器检测南方摩托车发动机早燃的方法,利用其气缸 内燃烧时产生大量离子电流信号所包含的燃烧信 息,对火花塞正常点火和炽热点火离子电流显示的 波形进行研究分析,从而确定是否发生早燃.应用 结果明,这种检测方法具有实用价值. 关键词:离子电流;火花塞;早燃检测;点火提前 角 中图分类号:TP206.1;U463.643 文献标识码:B 文章编号:1001—2257(2006)05—0033—03 Abstract:Thispaperdescribesasystemfor preignitioninmotorcycleengineusingsparkplus asadetectingprobe,usingtherichburninginfor— mationofthemassiveionswhichareproduced whentheaircylinderisburnt,Throughanalyzing thewaveformdifferencebetweenlightingafire normallyandfiringearly,itcanbedetermined whetherpreignitionOccursOrnot.Theactualap— plicationresultindicatesthattheexamination methodhasagreaterpracticalvalue. Keywords:ioniccurrent;sparkplug;preigni— tiondetecting;sparkadvance O引言 由于火花塞离子电流包含大量发动机燃烧和运 转的信息,通过对离子电流信号采集和处理,并对其 频域和时域信号的研究,可判断发动机的运转情况 收稿Et期:2005—12—23 基金项目:国家"九八五"工程建设资助项目(20041) 《机械与电子)2006(5) 并对发动机进行控制口],同时可以定性和定量地揭 示出气缸内燃烧过程的性质.在排放法规日益严格 的当今,对发动机控制功能要求也愈来愈高,这一技 术受到了越来越多的关注. 1早燃检测实验 所谓早燃是指在火花塞跳火前混合气发生燃 烧.当汽油机火花塞头部的过热温度超过850, 950?时,绝缘体裙部会被烧红,引起早于电点火的 炽热点火,过早的炽热点火会破坏汽油机的工作过 程,使燃烧加快,气缸压力,温度增高和发动机工作 粗暴. 影响早燃的因素有很多,包括混合气的浓度,点 火提前角,转速,负荷和大气状况等.火花塞炽热点 火显示方法通常是采用温度法来测量火花塞头部的 温度,并把其作为显示炽热点火的信号,但由于其存 在许多不足,使它们在实际使用中受到很大的限制. 我们采取了下述方法,即在保持汽油机节气门开度, 转速和混合气浓度一定的情况下,通过调节点火提 前角,使发动机早燃,各个火花塞发生早燃时的 点火提前角,然后通过比较点火提前角来间接地比 较火花塞的热值.取火花塞两极间火焰的离子电流 作为信号,能直接反映火花塞炽热点火的状况,此方 法具有很多优点. a.节省空间,减少制造成本.直接用火花塞作 为传感器,发动机无需改动及安装新的传感器,使得 结构比较简单. b.离子电流测试技术采集的信号通过不同软件 处理方法可实现多参数测量,如发动机工作过程中 失火,爆震等信号的检测,具有以一当十的功效. C.可将火花塞炽热点火离子电流信号和电点火 ? 33? 信号同时输入示波器,以显示2种信号的波形及其 相互关系,便于对火花塞的工作进行全面监控,检测 和分析引. 2实验台架 实验所用发动机为南方157摩托车发动机,型 号为NF157FM,单缸,顶置气门式,四冲程,风冷形 式,最大功率为7.5kW,转速为8500r/min,最大 扭矩为8.5N?m,转速为7000r/min.实验台架 如图l所示. 点火提前调节装置单片机 图1火花塞热值比较实验系统 2.1火花塞热值的传统测定方法 传统的火花塞的热值测定的方法,是先逐步对 单缸机增压直到火花塞出现炽热点火,然后在此基 础上降低进气压力,压力的变化值?P一般为5kPa 左右,如在此压力下火花塞不出现炽热点火,则将进 气压力增加2.5kPa,如此反复增减进气压力,直到 出现炽热点火,这样最终可以确定临界进气压力,火 花塞即以此临界压力单缸机的P值标定热值[3]. 其线路如图2所示. 图2点火系统和火花塞炽热点火离子电流与 电点火电流信号显示装置线路 其中回路I为点火系统初级线圈回路,由E, Re,L的初级线圈和T组成,回路II为点火系统次 级线圈回路,由L,R.,S,D和F组成,回路III为 ?34? 电点火检测回路,由L,R,R和WD,,R,D和 F组成,回路IV为离子电流检测回路,由E,R, S,R和Dz组成,回路V为时基信号回路,由L, R6,R5,S2和F组成. 2.2调节点火提前角以实现早燃 在如图2所示装置的基础上增设活塞上止点触 发信号,当发动机稳定运转时,取原点火系统2次连 续点火信号之间的时间间隔并读取到单片机中,计 算单位转角所对应的时间值,然后根据当前所需要 达到的点火角度,用单位角度时间乘以该角度值,其 结果存入单片机中作为计数初始值,再以最近的该 点火为计时零点开始计时,当计数溢出时,发出点火 指令,控制系统对点火线圈发出点火脉冲.如此循 环反馈,达到点火控制的目标.该触发信号与离子 电流信号同时采集读人数字示波器,采集装置如图 3所示. 上止点信号 压力信号 离子电流信号 图3采集装置不意 通过与离子电流信号点火时刻相位差,得到点 火提前角[4].设当前发动机转速为7000r/min,点 火提前角度为出厂值,现在需要在该基础上提前 l..首先测得在点火提前角度改变前的2次点火的 时间间隔t,用t除以3600.得到每转过0.1o所用时 间t,再用t乘以3590.便得到下次点火与最近这 次点火的时间间隔.发出指令后,点火系统切换,单 片机计数开始,一旦计数溢出便发出点火信号,于是 点火提前角度便增加了1..启动本点火提前角调 节装置后,系统从一个初始角度开始,发动机每运行 指定时间后将点火提前角增加一定角度,直到系统 出现早燃为止,则此时的点火提前角度就为实验所 需要. 正常燃烧时的压力和离子电流波形如图4,图5 所示.从图5中可以看出,离子电流有2个峰值,前 者对应着化学离子化过程.当火焰离开火花塞,产 生的离子重新复合,因此对应的离子电流逐渐减小, 但随着火焰的传播,整个燃烧室内的压力升高,热离 子化过程占据了主导地位,因此形成第2个峰值. 如火花塞出现早期炽热点火,则早燃火焰的离子电 流将早于电点火而出现.用示波器对离子电流信号 进行观察,发现早燃时的离子电流波形与正常燃烧 《机械与电子))2OO6(5) 时的波形有明显差异.如图6所示,A为电点火信 号,B和C为离子电流信号.在电点火信号A之前 出现了离子电流信号B,由此可以判断此时出现了 早燃引. ? 兰2 图4压力波形 图5离子电流波形 }\/' —\/,\ ,\/ \'\,\八 . /.,\/l' |一 { 图6开始炽热点火 2.3误差分析 实验要求南方摩托车发动机稳定工作于高转速 高负荷下(实验发动机的额定转速为6000r/min, 最高转速为7500r/min).设当前发动机的稳定转 速为6000r/min,则单片机读取曲轴每转的时间 为:t--60/6000--10_.S;曲轴每1.转角对应时间为 《机械与电子}2006(5) (1/360)×t,则相应每0.1o转角对应时间为t一0.1 ×t×(1/360)一2.78×10,S,点火提前1.所对应时 间值为:T--2.78×10一×3590—9.972×10_.S, 每1.转角所对应时间为t2—10t.一2.78×10,S. 若此时摩托车发动机转速实际为5980r/min, 而单片机读取的发动机每转时间为f=60/3590— 1.003344×10_S,则每0.1.转角对应时间为: tl一1.003344×10../3600----2.787×10一S 点火提前1.所对应的时间值为: T一0.000002787×3590 —1.000533×10一.S 故产生的绝对误差为: T一T一3.33×10一?1.2t2—1.2S 在南方摩托车发动机其它高转速下,其转速波 动产生的角度误差也在1.左右,满足了系统的精度 要求. 3结束语 利用火花塞电极作为检测传感器,来直接测量 南方摩托车发动机燃烧时离子电流密度的变化,可 以正确地检测出早燃信号,即实现了无需使用传感 器就可以对爆震信号进行测量的目的;该实验检测 方法尽管是在摩托发动机上进行,但可以推广应用 到其它形式的发动机上.南方摩托车发动机早燃检 测实验研究结果表明,转速波动所产生的角度绝对 误差低,具有较高的精度. 参考文献: [13邢建国.许沧粟.孙优贤.火花塞离子电流信号及其在 发动机检测和控制中的应用[J].内燃机工程.2001.22 (3):70—73. [2]吴筱敏.采用离子电流分析法实现发动机爆震信号的 正确检测[J].内燃机,1998.16(4):453--459. [3]陈保青.火花塞热值测定及其点火的波形分析[J].海 南大学(自然科学版),1995.13(2):ll7—123. [4]刘彪.张碧林.杨九思.内燃机离子电流的采集和处 理[J].内燃机工程.2001,22(2):8O一82. [53许沧粟.邢建国.基于火花塞离子电流信号的发动机爆 震检测研究[J].内燃机工程,2002.23(2):12—14. 作者简介;成志明(1973一),女,湖南宁乡人,湖南大学机械 与汽车工程学院硕士研究生,湖南工程学院建工系讲师,主要从事热 工设备与过程检测研究. ? 35?