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点燃式发动机爆震测量及其有限元分析

发布于:2021-01-10 09:34
有限元分析

       爆震是点燃式发动机特有的一种不正常燃烧现象,是发动机追求高动力性和经济性的最大障碍之一,它制约点燃式发动机提高压缩比,实现高增压等技术的实施。从火花点火式发动机到双燃料引燃式发动机,爆震燃烧现象均为主要的技术问题,也是重要的研究领域。在爆震燃烧研究中,主要问题是爆震机理、爆震测量与判定方法以及实时控制等。爆震实时控制技术已广泛地应用于现代汽车发动机中。振动传感器尽管存在信噪比、灵敏度和判缸等问题,但成本低,使用比较广泛;缸内压力或光信号的直接探测方法虽然成本高、可靠性及寿命差,但可以弥补间接测量的不足,也越来越受到重视,需要对其进行有限元分析
       在爆震测量和控制中,爆震界限的控制点一直是科研人员关注的问题。试验表明,轻微爆震将改善发动机的动力性和经济性,但过分的爆震将使燃烧恶化,迅速损坏发动机。所以,爆震控制系统的目的就是使发动机能够工作在轻微爆震或称临界爆震状态下,亦即通过检测发动机工作循环的爆震强度及界限,并据此修正点火提前角。因此,研究轻微临界爆震燃烧现象及其测量识别方法和强度问题具有重要意义。
       爆震的出现具有很大的随机性,通常采用测量信号的数学统计方法(算法),确认爆震强度,如峰值法、时域均方根法、最大变化率法及信号微分法、频谱分析法和循环占有率法等。无论哪种方法,均需确定临界值(阈值)作为比较依据。一般可划分为无爆震、临界爆震(轻微爆震或爆震边缘)、轻度爆震、中度爆震、重度爆震。比较确认后,通过控制系统对燃烧过程进行调节和控制,达到最佳的燃烧状况,实现最佳的动力性、经济性及排放特性。一般而言,阈值及程度划分应依具体发动机而定。
  通常的控制系统中,爆震控制主要是调节点火提前角,或辅助于空燃比等。利用算法计算的反馈信号,实施点火提前角的修正。无爆震,点火提前角适当增大;临界爆震或轻微爆震,达到控制效果,点火提前角可基本不变;轻度爆震,点火提前角建立下调趋势或微下调;中度爆震,点火提前角应较大幅度下降,以便尽快脱离爆震;重度爆震,在正常工作条件下,一般不会发生,若判断出现,应迅速减小点火提前角,控制供油负荷,实施故障诊断等。至于点火提前角具体修正数值,应通过大量的试验数据来决定。一般点火提前角推迟2°~5°,就可以有效地消除爆震。所以,爆震控制系统的目的就是使发动机能够工作在轻微爆震状态下,它是通过检测发动机工作循环的爆震强度,并根据爆震强度修正点火提前角来实现的。
  实验中采用缸内压力和燃烧光强测量,分析判断爆震燃烧。其中燃烧光强测量采用光纤传感器,光纤传感器测量装置主要由光学探头和传输光纤、单色滤光设备、光电转换装置、信号处理和采集装置等组成。试验在单缸实验汽油发动机上进行,实验系统如图所示。
  光学探头有两种形式,即独立探头式及火花塞内镶嵌式。前者可置于燃烧室壁的任何部位;后者由火花塞和嵌入其中的探头构成一体,安装时无需对发动机做任何改动,主要应用于火花点火式发动机。通常光导纤维及光电转换装置对不同波长的光,其响应是不相同的,而且光纤存在不同程度的衰减,光电转换装置的峰值响应也是不同的,因此,须对光电信号转换进行标定。
       爆震始点采用信号变化率作为判据,根据爆震实验分析,分别对于压力信号变化率dp/dθ和光信号变化率dL/dθ制定约定值,作为判据。爆震循环压力及光信号的变化状况,爆震始点(K点)突出可见。



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