【doc】火花塞离子电流传感器在发动机敲缸探测上的应用

【doc】火花塞离子电流传感器在发动机敲缸探测上的应用 火花塞离子电流传感器在发动机敲缸探测 上的应用 2z7 第34卷第9期 2O00年9月 西安交通大学 JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITY V01.34No9 Seo2000 文章编号:0253—987X(2000)09-0025-03 火花塞离子电流传感器在发动机敲缸探测上的应用 吴筱敏,李福明蒋德明,王子延 —— ,710049,西安) 77(争7 摘要:提出了一种直接利用火花塞作为检测传感嚣测量发动杌爆震的新方法.通过在火花塞电极 两端加偏置电压,测量燃烧过程中流经火花塞的离子电流,从而判断发动杌是否爆震.在DA462一 A四缸汽油机上进行了大量的试验研究,采集出了爆震与非爆震时的离子电流信号,发现有爆震时 会出现一定频率的高频信号叠加在离子电流信号上.对所采集的信号进行快速傅里叶变换(FFT), 确定试验用发动机爆震的特征频域为1O,11kHz.试验姑果,火花塞作为离子电流传感嚣是 探测火花点火发动杌爆震的有效便捷方法 关键词:避;离子电流;堡垄 中闰分类号:TK411文献标识码:A SparkPlug8SanIonization 商号电流害器动现 女主工探J. SeIinEngineKnockDetection WuXiaomin,LiFuming,JiangDeming,WangZiyan (XianJiaotongUniversity.Xian710~9,China) Abstract:Amethodispresentedformonitoringknockinautomobileengine.Itusesasparkpingasan ionizationsensorByapplyingbiaSvoltageacrc~sNthesparkplug,ioniccurrenttakesplace.Knockis detectedwhenioniccurrentprevailswithdifierentfrequency.Experimentsaredoneonafour-cylinder typeDA462一 ATestresultsshowthatenginewithknockorwithoutknockproduceshighfrequency ioniesigna1orsmoothsignslrespectively.FaStFouriertransformisusedtOanalyzethedata.e characteristicfrequencydomain(1O, 11kHz)ofengineknockisobtained.TheUSeofsparkpingas anionizationsen~risanefficientandeonvenlentmethodfortheknockmeasurementofSIengine Keywords:sparkptug;ioniccul~Fent;knock 火花点火发动机中的爆震是一种不正常燃烧, 爆震的探测及评价,对于发动机安全运行和性能提 高都有很重要的意义.火花塞作为离子电流传感器 测量爆震是一种新的电测技术…1,不需要对发动机 的结构进行改造,测量中也不需要再加别的传感器, 直接利用火花塞进行测量,为火花点火发动机提供 了一种新的,有效的爆震探测途径【 火花塞作为离子电流传感器 用火花塞作为离子电流传感器,在火花塞正,负 电极两端加一个比点火电压低得多的偏置电压.一 般为几百伏.发动机缸内的可燃混合物被点燃之后, 发生剧烈的化学反应,在火焰区生成大量的离子和 收稿日期:1999.12.23作者简介吴筱敏,女,1957年10月生,能源与动力工程学院汽 车工程系,副教授 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59876030). 西安交通太学第34卷 自由电子_3],这些离子和自由电子存在于火焰区和 已燃区.在发动机缸内火焰燃烧发展的过程中,火焰 中的离子和电子在偏置电压的作用下平移,在火花 塞正,负极之间形成持续的离子电流.离子电流的各 种特性,如电流出现时刻,电流大小,电流波形等,都 能够反映出发动机缸内燃烧发展过程中相应的不同 特性. 爆震的产生是因为当火花点火发动机缸内燃烧 时,燃烧室中火焰前锋末端气体的自燃.末端混合气 是由燃料,空气和残余废气组成的.爆震时.末端混 台气以极快的速率燃烧放热,使压力急剧升高,并且 以冲击波的形式在燃烧室内传播当发动机发生爆 震时,爆震波在缸内反复传播,缸内局部火焰离子浓 度发生相应变化,使离子电流产生相应的剧烈波动, 爆震信号就出现在离子电流信号中爆震信号的频 率主要取决于发动机的结构参数. 2试验装置及探测电路 试验是在一台DA462一A型四缸汽油机上进 行的,该机的主要参数见1 表1DA462一A型汽油机的主要参数 发动机型式 缸径/mnl 额定转数/r?mSn 额定功率,kw 四冲程水砖顶置气门 62 5200 272 为了将离子电流信号取出,从分电器火线上直 接接人离子电流信号检测电路,如图1.电路从分电 器引出,接并联的电阻Rl与高压硅堆,经直流电 源,采样电阻R2接地.采样电压从R2上取出 分 图l离子电流检测电路 采样信 发动机点火时,点火高压被高压硅堆阻断,通过 Rl与R2分压,避免了点火高压对电路的冲击,采 样时在直流电源电压(约500v)的作用下,电流通 过高压硅堆,火花塞,地,R形成回路,采样电压从 R2上分压取出,读人示波器,存人计算机.为屏蔽各 种干扰信号,电路中各处导线均使用高阻尼线. 试验时,把发动机调到一定的转速下,然后逐渐 加载,直到听到爆震声时开始采样.试验中采集了多 个工况下的离子电流信号.图2是典型的离子电流 信号及上止点信号图.从图2可以看出,离子电流出 现2个峰值:第1个峰值是火花塞点火时在两极间 产生的离子电流信号;第2个峰值是缸内火焰燃烧 信号,一般出现在上止点之后.爆震发生于缸内火焰 燃烧后期,所以爆震的高频信号会叠加在第2个峰 上.对数据初步分析之后选出如图3所示的3个工 况进行了计算分析,工况1无爆震,工况2,3有爆 震 从图3中可以看出,有爆震工况的离子电流信 号与无爆震工况的离子电流信号有明显不同,无爆 震工况的离子电流信号光滑,规则,有爆震工况的离 子电流信号不光滑,波形上有高频信号叠加,测量时 机外还听见清楚的发动机爆震声,因此这一高频信 号就是爆震信号. 3爆震信号特征频率的分析 对各工况的离子电流信号进行了快速傅里叶变 换,以确定不同频率成分的幅值大小,从而确定离子 电流爆震信号的特征频率.3个工况的快速傅里叶 变换结果如图4所示,为避免采样电阻的不同影响. 图4中的纵坐标为测量值除以对应工况最大幅值之 后的相对值.快速傅里叶变换的时域为上止点后5. , 22.的范围. 图2离子电流信号 第9期曼经敏.等:火花塞离电流传感器在发动机敲缸探测上的应用 (a)工况1(无爆震) o/() (b)工况2(有爆震) ;一0/() (c)工况3(有爆震) 图3不同工况的离子电流信号 从图4中可以看出,无爆震离子电流信号的低 频成分幅值较大,随着频率的增大,幅值逐渐变小. 有爆震离子电流信号的低频成分幅值较无爆震离子 电流信号小,高频成分幅值较大,在一定的频率下出 现峰值. 大约在8kHz处,有爆震离子电流信号幅值超 过同一频率下无爆震离子电流信号,但两者幅值较 为接近;大约在11kHz处,爆震信号出现另一个峰 值,该值远远大于同一频率下的无爆震离子电流信 号的幅值,也远大于更高频率下同一信号的幅值.由 以上分析可以确定,本试验发动机爆震的离子电流 信号特征频率在10--11kHz范围内.根据多个工况 的分析,这一频率范围不受转速,负荷等运行参数的 影响 颠宰/kHz 图4离子电流信号的FFT分析 4结论 (1)爆震出现时,一定频率的爆震信号会叠加在 离子电流信号之上,证明了火花塞作为离子电流传 感器是火花点火发动机爆震探测的有效方法. (2)对有爆震和无爆震工况的离子电流信号快 速傅里叶变换(FI)结果的比较表明,对本试验发 动机,有爆震工况的离子电流信号在10,11kHz的 范围内,出现了第一个大于无爆震离子电流信号的 峰值,该频率范围即是爆震离子电流信号的特征频 率范围.该特征频率反映了爆震的本身特性,其范围 不因工况的变化而变化. 参考文献: [1]An~-eS,Raym~~R,ThcraasB.Ani.ni砑t_mequilib- rlta~nanalysisofthesparkplugas衄l1i蛆do?s日1?f [R].SAEPaper,960337.w日sllin咖,USA:Society ofAutomotiveEngineersInc,1996.452--457. [2]K目ngMC,KyungWK.Measm-m~tandmmlysisof knockinaSIeI咖usingtheq,linde~pressureandblock vi'~afi.onsignals[R].SAEPaper,940146.w日slljn鲫, LISA**SocietyofAutomotiveEngine,mslnc.1994.56, 62. [3NorihlkoN.Detectionof?frequ~,eyvibrationto improveknock?m?L1ity[R].SAEPaper,871912. Washington,~TSAISocietyofAutomotiveEI】glme Inc.198721,28. (编辑王焕雪) 0nn000 萼葺