利用起动电流判断直喷汽油机首次循环着火特性测试系统开发1

利用起动电流判断直喷汽油机首次循环着 火特性的测试系统开发 摘要基于起动电机转速与电流特性，开发了一种通过测量起动电流来检测首次着火特性的系统。对 膨胀缸位于不同初始起动位置时的起动电流特性进行了测试，对比无喷油起动电机拖动与正常喷油点火起 动时的电流曲线图，如果前两个波峰重合之后两曲线分离说明首次循环过后发动机着火；如果第一个波峰 重合，第二个波峰提前减小并分离说明次循环开始着火；如果第一个波峰时两曲线就分离，并且第二个电 流值波峰也呈现出提前并且减小的形式，可以判定是首次循环都着火的工况。最后将测试结果与使用缸压 传感器检测到的缸内着火燃烧特性对比，结果表明，利用起动电流判断直喷汽油机首、次循环着火特性的 测试系统能够准确的判定各缸着火燃烧情况，并且成本低廉，具有很高的实用性。 关键词直喷汽油机；起动电机；起动机转速；起动电流；首次循环；着火特性 引言 采用怠速停止技术（怠速停车，起动时快速起动） 取消怠速工况，是降低燃油消耗率和减少环境污染的一 种行之有效的技术措施[1-2],这种技术在直喷汽油机上 得到了成功的应用，利用GDI发动机的首次循环喷油着 火可以实现发动机的快速起动[3],能够缩短40的起动 时间和减少35的起动耗电量。 快速起动试验的关键是检测不同起动条件下，首次 循环的缸内着火特性，而传统检测方法是采用一种价格 比较昂贵的火花塞式缸压传感器点火并同时采集缸压 信号，通过缸压值判断缸内是否着火。在研究起动边界 的过程中，火花塞经常工作在过浓或过稀的混合气工 况，使得火花塞电极表面积碳的现象非常严重，需要经 常清洗才能保证其正常的使用，这不仅延长了试验周 期，还减少了这种火花塞式缸压传感器的使用寿命，增 加了试验成本。本文开发了一种通过测量起动过程中的 起动机电流来判断缸内着火特性的系统，该检测系统可 以在不使用缸压传感器的情况下判断出直喷汽油机首、 次循环的着火特性，并且成本低廉，检测结果准确，可 信度高。 1起动电机的电流特性 串励式直流电动机具有体积小，起动转矩大的优 点，使得其作为汽车发动机起动机而得到广泛应用。串 励式直流电动机的速度特性如公式（1）所示 其中为蓄电池电压，为电枢电阻，都可看做定 值，是与电机结构有关的常数，〃为电动机转速， 为磁通，为电枢电流，串励式电动机的电枢电流也就 是励磁电流，故p随着4的增大而增大，由上式可得 与转速〃有直接关系，随着转速〃的增大而减小囹。 MM/s 图1发动机起动电流图 图2发动机转速图 -yO 01 分流器 -nn- ee 蓄电池 、/ 起动电机 计算机 数据采集卡,, 图3实验台架示意图 通过起动机起动电流的变化反应起动转速的变化，从而 反应出起动阻力的变化。 2测试系统平台搭建 本文开发的直喷汽油机缸内着火特性的检测系统 包括串励式直流起动电机、分流器、数据采集卡、蓄电 池、计算机。发动机起动过程中起动电路的电流很大， 不能用一般的电流测量装置直接测量电流，因此本文在 起动电路中连接一个分流器，通过测量分流器两端的电 压和欧姆定律来计算起动电流。各个装置的连接 及位置关系如下图所示。 为说明起动机电流变化趋势，采集了 GDI发动机在 起动电机拖动但不喷油点火起动时的电流曲线，如图1 所示。开始时的电流值非常高，然后逐渐降低，并呈现 一个个锯齿状的波峰突起。之所以呈现这种趋势，与起 动机的电流特性密切关，起动机由静止开始旋转时 〃几乎为零，起动电流大小近乎等于U/Rg,所以电流一 开始很大，大约180A,然后随着转速的升高，逐渐下降。 为说明电流锯齿状下降的变化规律，同时采集了发动机 前1.2s的起动转速图，如图2所示也呈现出波浪状的趋 势。不难看出，图1电流的波峰正好对应图2转速的波 谷，也就是说是由于发动机转速的波动，也即起动机转 速的波动引起了起动电流锯齿状的变化规律，与公式 1 描述的电动机电流特性相符。而发动机转速的波 动是由于在起动机拖动发动机旋转的时候，遇到了一个 个压缩上止点，产生了压缩阻力，造成了起动速度的波 动上升。通过这两个图反应的变化趋势可以看出，可以 图中的起动电机为GDI发动机中通常使用的串励 式直流起动机，选用的分流器为阻值为1.5X10-5Q的夕卜 接式分流器，之所以选用这么小电阻的分流器是因为蓄 电池电压为12V,起动瞬时最大电流可达到200-300A, 电路电阻大约0.04-0.06Q,所以选择小阻值的分流器可 以减少对电路电阻的影响，使测量误差保持在5以内。 而数据采集卡的作用是采集分流器两端的电压信号并 传送给电脑，计算机用于信号处理和数据记录。 试验时将电源开关打开，起动机拖动发动机开始转 动，这时起动电路中产生强电流，分流器自动测量其两 端的电压，数据采集卡将采集的分流器两端的电压信号 传输到电脑中进行存储，并通过软件LabView对电压信 号进行处理和数据记录。最后将采集到的txt文档用 origin生成起动电流曲线图。 实验时分别测量膨胀缸初始起动位置为30 , 60 , 90 , 120 , 150 CABTDC时电路中的起动电流。所谓膨胀缸是指在活塞运动过程中处于膨胀行程的气缸。 起动开始后在首循环向膨胀缸内喷油，如果膨胀缸内混 合气燃烧，就会产生爆发压力推动活塞克服阻力转动， 辅助起动机拖动发动机使活塞通过阻力矩最大的上止 点，这时起动电路中的电流就会与只有起动机拖动时的 起动电流不同，因而所生成的电流曲线图就会不同。次 循环中电流的情况 3测试结果分析与着火特性判断 3.1膨胀缸初始位置为120 CABTDC时 图 4 a 图 4 b 图 4 c 图4 a是膨胀缸位置为120 CA BTDC时无喷油 电机拖动和首、次循环失火对比图，1为无喷油起动电 机拖动时起动机电流曲线，2为正常喷油首、次循环失 火后期着火起动时起动机电流曲线。由于1、2曲线只 有在前两个循环是重合的而第三个波峰以后曲线1、2 开始分离，说明首、次循环过后发动机着火。这是因为 如果缸内能够正常着火，活塞通过上止点时的速度就会 增加，反映到电流上就是通过上止点时的波峰会提前并 降低，与原来曲线脱离。 图4 b曲线1、2只在首循环是重合的，第二个 波峰b出现分离，说明次循环着火，着火以后在可燃混 合气燃烧做功辅助下活塞运动速度加快，活塞提前到达 上止点，所以在电流图上就是次循环着火比无喷油电机 拖动要早到达第二个波峰。并且着火以后，次循环辅助 起动，发动机转速加快，波峰电流减小，波峰降低。 起动电路中电流减小，出现分离。并且第二个电流值波 峰也呈现出提前并且减小的形式，是因为次循环发动机 也着火燃烧，在可燃混合气燃烧产生的爆发压力作用 下，活塞运动速快加快提前到达上止点，在电流图中的 反应就是波峰提前到达，而峰值降低是因为发动机转速 升高，峰值电流降低。因此可以判定此工况为首、次循 环都着火的工况。 3.2膨胀缸初始位置为90 CABTDC时 图 5 a 图 5 b 图 5 c 图5