均質進氣壓燃引擎多次循環估測與控制之實現

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

均質進氣壓燃引擎多次循環估測與控制之實現研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2221-E-011-154-

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人：姜嘉瑞

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：藍紹亞碩士班研究生-兼任助理人員：郭建良碩士班研究生-兼任助理人員：林承佑碩士班研究生-兼任助理人員：王衍凱博士班研究生-兼任助理人員：楊景龍

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 99 年 11 月 04 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告

□期中進度報告

均質進氣壓燃引擎多次循環估測與控制之實現

Implementation of Cycle-to-cycle Observer-based Control on an HCCI Engine

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 98－2221－E－011－154－

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日

計畫主持人：姜嘉瑞共同主持人：

計畫參與人員：楊景龍、林承佑、郭建良、藍紹亞、王衍凱

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢

執行單位：國立臺灣科技大學

(3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

均質進氣壓燃引擎多次循環估測與控制之實現

Implementation of Cycle-to-cycle Observer-based Control on an HCCI Engine

計畫編號：NSC 98-2221-E-011-154

執行期限：98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日主持人：姜嘉瑞國立台灣科技大學機械工程系計畫參與人員：楊景龍、林承佑、郭建良、藍紹亞、王衍凱

中文摘要

均質進氣壓燃引擎有著如柴油引擎般的高效率及遠較汽油引擎來得更低的有害氣體 NOx 排放。然而，均質進氣壓燃引擎的控制卻是非常的困難，因為其點火時間需將汽缸內油氣混合物控制到自燃的狀態來達成。受到近年來均質進氣壓燃引擎在汽車上成功實現的鼓舞，我們熱切地希望能在機車引擎上實現此項技術，以提升國內機車產業的競爭力。由於內燃機引擎的燃燒熱釋放過程，無法直接由目前即有之車用感測裝置得知，因此本研究利用 Matlab-Simulink 來建立引擎燃燒熱釋放模型，以 xPC-Target 控制介面環境來完成燃燒熱釋放、燃燒時間點、平均有效壓力與汽缸壓力峰值的即時計算，以作為日後燃燒分析或引擎回授控制之用。實驗部份主要以四行程 150C.C.機車引擎來做實驗，包含汽缸壓力訊號濾波、行程判斷與曲軸角度轉換。將燃燒熱釋放模型以 xPC-Target 來完成即時計算和資料儲存，透過實際引擎的汽缸壓力訊號和曲軸角度訊號來計算燃燒熱釋放、燃燒時間點、汽缸壓力峰值與平均有效壓力等。

關鍵詞：均質進氣壓燃引擎、燃燒熱釋放、燃燒時間點、汽缸壓力峰值

Abstract

Encouraged by the successful automobile implementation of HCCI technique in recent years, we are eager to implement HCCI control techniques in motorcycle engines so as to help the motorbike industry in Taiwan become more competitive. As the heat release process and combustion timing are not available in commercial vehicles, our goal is to develop a real-time estimator of the heat release rate and combustion timing by using a heat release model and measurement of cylinder pressure and crank angle. In the experiment, a four stroke 150 C.C.

motorcycle engine is used to assess the performance of the estimator in real-time applications. By integrating the heat release model and fast measurement of cylinder pressure and crank angle in the xPC-Target environment, the cylinder peak pressure, heat release rate and combustion timing are achieved in real-time.

Keywords: HCCI engines, Heat Release, Combustion Timing, Cylinder Peak Pressure

(4)

1 研究背景及目的

隨內燃機引擎的蓬勃發展_, 內燃機引擎為目前車輛工業最常使用的動力來源。由於全球對於能源危機與環境保護等議題的關注_, 趨使車輛產業發展更高效率、低污染的內燃機技術。一般來說_, 影響引擎效率與排放物的主要關鍵在於引擎的燃燒過程。在引擎的燃燒過程若汽缸內的燃油燃燒_, 則能夠提供較高的功率輸出與較低的汙染物排放。然而內燃機的燃燒行為並無法直接由外部觀察_, 因此 Michael 與 _Harjit[1]使用熱力學第一定律來推算燃油燃燒變化_, 以汽缸壓力和汽缸體積來計算熱釋放率_, 再透過積分來得到熱釋放能_, 經由能量的轉換觀察燃燒過程變化。

在內燃機引擎中_, 火花點火時間與燃油噴射時間會影響到熱釋放的過程_, 因此對點火時間和噴油時間的控制也就相當重要。對於火花點火引擎來說_, 點火的時間決定了燃油開始燃燒的時間,適當的點火時間能讓引擎的發揮最大的動力。在文獻_{[2, 3,} 4]中,提到一般車輛的點火時間設置_,為了讓引擎不產生爆震的情況下_,通常設計的點火時間會較晚_,不能達到最佳的動力輸出。文獻中以汽缸壓力峰值來回授控制點火時間。讓引擎汽缸壓力峰值發生在一定角度內_, 進而使混合氣燃燒所產生的推力有效地作用在活塞上_, 引擎的動力輸出提升與避免引擎產生爆震。

而在柴油引擎中_, 燃燒過程的開始時間與燃油噴入汽缸的時間息息相關_, 因此控制柴油引擎的燃燒過程主要控制燃油噴射的時間與噴油量。文獻[5]中, 開發一即時計算燃燒熱釋放系統來控制柴油引擎, 其中包含汽缸壓力峰值的角度、最大汽缸壓力上升率的角度與熱釋放百分之五十時間點的計算。利用這些資訊回授控制柴油引擎噴油時間點和噴油量_, 讓柴油引擎提高性能。在燃燒熱釋放分析中,Rakopoulos[6]發展一柴油燃燒熱釋放分析系統_, 用來分析間接式噴油渦輪增壓柴油引擎的燃燒變化_, 操作在不同引擎轉速和負載的情況下_, 來分析預燃室與主燃燒室的燃燒過程。

對於均質進氣壓燃引擎而言_, 文獻_{[7, 8]}中有提到關於_HCCI 引擎的特徵及優點。有別於傳統引擎, 主要是經由提高混合氣的溫度和壓力來達到自燃。其優點有壓縮比高,熱效率高較省油_;燃燒溫度較低, 氮氫化合物和微物質 (particulate matter, PM) 排放比較少_; 燃油使用範圍較廣_, 柴油、汽油、酒精、生質柴油、煤油等替代燃料皆可使用在 HCCI 引擎上。在均質進氣壓燃引擎控制上_,由於是透過燃油本身的化學反應達到自燃_, 不像汽油引擎的火花點火和柴油引擎的燃油噴射時間那樣容易控制_, 因此需要透過燃燒熱釋放來找出燃燒時間點或是汽缸壓力峰值來控制。文獻_[9]中_, 主要以模型為基準控制器_,在燃油步階變化下_,利用改變廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation,EGR) 和汽門揚程(Rebreathing Lift,RBL)來控制燃燒時間點

和排氣管中混合比的變化。文獻_{[10, 11]}中_,使用物理模型來描述引擎的燃燒過程_, 並提供以改變排氣門的開啟和關閉以及噴油量的架構來控制引擎_,噴油量用來控制動力輸出的大小_(IMEP), 而氣門開關則是用來控制燃燒過程時間點 _(CA50), 並實際應用在引擎上_,實驗結果顯示在閉迴路的控制下_,燃燒時間點和動力輸出明顯的和期望值相近。

從文獻得知_, 熱釋放的分析在引擎中是不可或缺的。而本研究使用熱力學第一定律來建構一即時估測燃燒熱釋放之模型_, 以分析引擎的燃燒狀態。透過此簡單熱釋放模型可計算出燃燒熱釋放率、燃燒釋放能、燃燒時間點、汽缸壓力峰值與平均有效壓力。除了燃燒分析外_,也可應用於回授控制_,如火花點火引擎點火時間、柴油的噴油時間與均質進氣壓燃引擎的燃燒時間點控制。實現方式主要藉由個人電腦以Matlab xPC-Target即時控制介面環境來達成即時計算燃燒熱釋放的目標。

2 實驗設備

本節介紹實驗設備硬體的部份_,包含實驗引擎以及感測器。實驗平台架構如圖₁所示_,可用來進行

SI/HCCI 引擎的實驗。空氣經由兩邊進氣導管進

去緩衝桶內_, 一邊由電熱箱加熱空氣提高溫度_, 一邊則沒加熱維持原本溫度_, 在經由三通閥冷熱空氣混合調整空氣的溫度_, 再從進氣管進去化油器讓空氣和燃油混合_, 經氣門打開進去汽缸內燃燒。進氣流量感測器裝置在進氣導管上_, 進氣溫度和進氣壓力感測器則是裝置在進氣管上_, 用來量測進氣溫度和壓力。排氣溫度和排氣壓力裝置於排氣管上, 用來量測排氣溫度和壓力。汽缸壓力感測器裝置於火星塞上_, 訊號經由絕緣導線傳至電荷放大器再傳送至電腦。曲軸轉角感測器則是由引擎曲軸經皮帶帶動齒輪再連接至編碼器將角度編碼。實際引擎平台如₂所示_,

本研究採用實驗引擎為三陽悍將_{150 C.C.} 化油器機車引擎。實驗主要擷取引擎感測器訊號_, 將汽缸壓力訊號與曲軸轉角訊號傳送至 _xPC電腦做運算處理_,即時地計算燃燒熱釋放、燃燒時間點、汽缸壓力峰值與平均有效壓力。實驗引擎規格如表₁所示。圖₃所示燃燒分析系統將引擎汽缸壓力訊號和曲軸轉角訊號接到電腦上_,做即時運算處理與儲存。

一般量測汽缸壓力脈波的基本實驗設備包括₍₁₎火星塞式汽缸壓力感測器 (Pressure Transducer) (2)電荷放大器 (Charge Amplifier)(3) 絕緣導線 (4)曲軸角度編碼器(Encoder), (5)數據擷取系統 (Data Acquisition System縮寫為_DAS)。

(5)

Figure 1: 實驗平台架構圖

Figure 2: 實驗平台圖

Figure 3: 燃燒分析系統

Table 1: 實驗引擎規格

引擎形式三陽悍將四行程化油器機車引擎

排氣量 _{150 C.C.}

壓縮比 11.2

缸徑 _{57.4 mm}

行程 _{57.8 mm}

連桿長度 _{93.5 mm}

冷卻方式強制氣冷點火方式 _CDI 使用燃油 ₉₂無鉛汽油火星塞形式 _{NGK CR7E}

Figure 4: 引擎幾何構造圖

3 模型組成與演算法

本節主要介紹模型中使用到的方程式、實驗訊號處理與演算法_, 模型從引擎的幾何行為來推導

得出_, 公式參考 Heywood[12]所提出的引擎汽缸

體積模型、熱釋放與平均有效壓力模型。主要透過_simulink來建構模型_, 再將模型利用 _{xPC Tar-} get 來實現即時處理與控制。對於訊號的處理_, 在實際系統中_, 經由外部連接至電腦的訊號會有許多干擾與雜訊_, 會影響到模型在計算的準確性_, 因此本實驗設計一數位濾波器來將雜訊抑制_, 減少雜訊所造成的誤差。演算法部分包括引擎行程判斷、汽缸壓力峰值與燃燒時間點估算。

3.1 汽缸體積模型

從圖₄中_, 可以了解往復式引擎的幾何構造_, 並可以推導出體積方程式_, 其中 _B 為缸徑 _{(Bore), V}_c 為餘隙容積 (clearance volume), Vd 為位移容積 (displaced volume) 或是排氣量_{, a} 為曲軸半徑_{, L} 為衝程_{, l} 為連桿長度 (Connecting Rod), θ 為曲軸轉角_{, TDC} 為活塞

(6)

上死點(Top Dead Center), BDC 為活塞下死點 (Bottom Dead Center)。汽缸體積及汽缸體積變化率可表示如下

V = Vc+πB²

4 a(Rr+ 1 − cos θ − q

R²_r− sin²θ) V˙ = πB²

4 a(sin θ + sin θ cos θ(R_r²− sin²θ)⁻¹²) ˙θ (1) 其中R_r=_a^l為連桿長度與曲軸柄半徑比。

3.2 燃燒熱釋放模型

熱釋放模型主要是由汽缸壓力和汽缸體積訊號來計算_, 根據能量守衡來推算出燃油燃燒的放熱過程_,分析引擎的燃油燃燒變化。熱釋放率_{(heat re-} lease rate, HRR) 又稱燃燒率(burn rate), 是指引擎燃油燃燒釋放出熱能的速率_,單位為_Joule/s, 將熱釋放率對時間積分就可得總熱釋放能。在本文所使用的熱釋放率計算的燃燒模型_, 假設在引擎壓縮、燃燒和膨脹過程中_,汽缸為一封閉系統_,不考慮流功變化_,則根據熱力學第一定律可以寫成₍₂₎式

dQhr= dU + dW + dQht (2) 在₍₂₎ 式中_{, dU} 為內能變化_{, dW} 為功_{, dQ}_ht 為熱傳

dU = mCvdT (3)

dW = pdV (4)

在壓縮過程中_, 氣門都關閉_, 汽缸裡面質量沒有變化_, 假設質量為常數_, 利用理想氣體方程式 _pV ₌ mRT ,兩邊微分可得

pdV + V dp = mRdT (5)

將₍₅₎式移項

mdT = 1

R(pdV + V dp) (6) 將₍₆₎式代進₍₃₎式_,內能變化可寫成₍₇₎式

dU = Cv

R(pdV + V dp) (7) 將 ₍₇₎ 式和 ₍₄₎ 式代入 ₍₂₎ 式_, 用比熱比 _γ ₌

Cp

Cv

和_C_p_{− C}_v _{= R}替換_,加上時間的變化_,並且不考慮熱傳影響_dQ_ht_{= 0,}則熱釋放率變成

Q˙_hr= γ γ − 1pdV

dt + 1 γ − 1Vdp

dt (8)

最後將熱釋放率積分_,可得熱釋放能如₍₉₎式 Qhr=

Z Q˙_hrdt (9)

3.3 平均有效壓力計算

平均有效壓力(Mean Effective Pressure, MEP) 是一種表示引擎輸出動力的性能指標_, 定義成每一循環的所做的指示功除以引擎排氣量_, 單位為壓力單位。

mep=W_c,i Vd

= 1 Vd

I

pdV (10)

3.4 訊號濾波模型

在訊號處理過程中_, 在訊號取樣時_, 常常會受外在因素產生的雜訊干擾導致訊號失真。而濾波器的功能就在消除這些雜訊_, 其原理為依頻率的不同產生不同的增益_,使特定頻率的訊號被突顯出來_,其他頻率的訊號則衰減_, 達到消除雜訊的目的。濾波器可分為兩類_: 類比式濾波器和數位式濾波器_, 前者完全依靠電阻、電容、電晶體等電子元件組成來實現濾波功能_; 而後者是通過數字運算器件對輸入的數位訊號進行運算和處理_, 從而實現設計要求的特性。而在本研究中我們使用的為數位濾波器_, 我

們可以在 Simulink 中簡單建構一個二階濾波器來

達到濾波的目的。本研究設計了一個_IIR濾波器來濾除雜訊。一般而言_,一個_IIR濾波器包含AR與 MA兩部分_, 故又稱為自動回歸移動_(ARMA)濾波器。一個二階低通濾波器的轉移函數可被描述成 (11)式

H(z) = b⁰+ b¹z⁻¹+ b²z⁻²

1 + a1z⁻¹+ a2z⁻² (11) 其中

a1= 2[(^T2ω_c)²− 1]

1 + ^T2

√2ωc+ (^T2ω_c)²

a2=1 − ^T2

√2ωc+ (^T₂)²ωc2

1 + ^T₂√

2ωc+ (^T₂ωc)² b0= (^T₂)²· ω^c²

1 +^T₂√

2ωc+ (^T₂ωc)² b¹= 2b⁰

b2= b⁰

而ω_c= _T² tan(^ωT2 ), T為取樣時間_{, ω}為截止頻率。

3.5 行程判斷

四行程引擎中引擎曲軸轉兩圈_, 完成進氣、壓縮、動力和排氣四個行程ㄧ次循環^, 曲軸轉角是由角度編碼器來劃分的_, 角度編碼器上 _A 相每圈會產生₃₆₀個訊號_,而 _Z 相會產生一個訊號。本研究利用計數來計算曲軸角度位置_, 在計算過程中以 _A 相訊號計數當作曲軸角度位置_,Z相為引擎上死點位

(7)

置。而引擎在一次循環中會有兩次上死點訊號_, 活塞可能會在進氣行程上死點或是壓縮行程上死點_, 因此_, 本研究透過一演算法來將引擎行程判斷出來並將曲軸角度劃分出來。演算法為活塞在上死點時_, 利用汽缸壓力訊號來判斷行程。在進氣行程上死點時_,進排氣門都打開_,此時汽缸壓力大約₁大氣壓力_; 反之_,在壓縮上死點時_,進排氣門都關閉_,汽缸壓力遠大於₁大氣壓力_, 這個特性就可以拿來當作行程判斷的參考。本研究曲軸角度劃分為_0-720度_,定義進氣上死點為₀度_,壓縮上死點為₃₆₀度。

3.6 燃燒時間點估算

在內燃引擎運轉中,想要知道混合氣燃燒的變化,是非常困難的_,因此大多需要透過燃燒熱釋放來得知。在均質進氣壓燃引擎中_, 大多都以燃油燃燒百分之五十 _(CA50)時間點作為控制對象_,進而控制引擎燃燒的狀態。在估算過程中_, 先計算出燃燒熱釋放再求出燃燒時間點。本研究先找出熱釋放能的最大值並儲存所有熱釋放能的值和其所相對應的角度_,將最大值除以₂當為燃燒百分之五十的值_,並和所有熱釋放能做比較_, 找出最靠近燃燒百分之五十的前後兩個值來做內差_, 來找出燃燒百分之五十的角度。在計算熱釋放過程中_, 做了假設來計算引擎燃燒熱釋放_, 假設計算熱釋放率區間為曲軸角度 350度到₄₅₀度_,其餘角度熱釋放率為零。有了這些假設可以更順利計算熱釋放_, 而找出燃燒時間點的演算法主要為下列₄個步驟_:

(1)將汽缸壓力和汽缸體積來計算燃燒熱釋放率,並積分得到熱釋放量。

(2) 利用前後時刻熱釋放量比較找出最大值_, 乘以 0.5當作燃燒百分之五十的值。

(3)將所有的熱釋放值和燃燒百分之五十的值比較_, 找出前後的熱釋放值和其對應的曲軸角度。

(4) 將其前後兩個熱釋放值內插找出燃燒百分之五十的角度。

3.7 汽缸壓力峰值計算

引擎中汽缸壓力對於引擎動力輸出是一個很重要的指標,因此本研究想得知汽缸壓力峰值(Cylin- der Peak Pressure)和其發生的角度,來控制引擎壓力峰值在一定角度內,讓引擎有更加的動力輸出。

對於一般引擎汽缸壓力峰值發生時間在壓縮上死點附近。從這個特性_, 我們可以在上死點附近的汽缸壓力值和所對應的角度記錄下來來找出汽缸壓力峰值。

(1)在壓縮上死點過後₂₀度時_,儲存₂₀度之前一段時間的汽缸壓力值與曲軸角度。

(2)利用_simulink模型方塊_max方塊來找出汽缸壓力峰值。

(3) 將之前儲存的汽缸壓力與曲軸角度資料與汽缸壓力峰值比較_,找出汽缸壓力峰值對應的曲軸角度。

0 1 2 3 4 5

32.8 33 33.2

Tin ( oC )

0 1 2 3 4 5

197 198 199 200

Tex ( oC )

0 1 2 3 4 5

64 65 66

time ( sec )

Relative Humidity ( % )

Figure 5: 進排氣溫度與溼度圖

4 實驗結果

4.1 實驗操作條件

在本實驗操作條件為進氣溫度是大氣溫度、引擎轉速為怠速_{1800 RPM}且無負載的情況下_,引擎的燃燒方式為火花點火。礙於場地的關係_, 本次實驗沒有加上動力計也沒有改變引擎溫度、負載、轉速變化來進行操作點變換。在進氣系統中_, 設定三通閥只開冷空氣端_,沒有熱空氣進入混合_,進氣溫度維持原本溫度。本實驗包含引擎訊號的量測_, 如進排氣溫度與大氣溼度、引擎進氣流量、進排氣壓力、

汽缸壓力與曲軸轉角。並且將汽缸壓力訊號作濾波與曲軸角度劃分。利用所建立燃燒熱釋放與平均有效壓力模型以汽缸壓力和曲軸轉角訊號為輸入_, 計算燃燒熱釋放率、燃燒熱釋放能與平均有效壓力。

再透過演算法找尋出燃燒時間點、汽缸壓力峰值。

4.2 進排氣溫度與溼度量測

本實驗中是透過感測器來量測進氣溫度、排氣溫度和大氣濕度訊號。再經由擷取卡將電壓訊號傳送至電腦, 經過物理量轉換並且濾波即可得知引擎目前的溫度和大氣濕度。操作情況為怠速無負載引擎轉速₁₈₀₀轉_,取樣時間為_0.0001秒_,擷取時間為 5秒。如圖₅所示_{, T}_in為進氣溫度_{, T}_ex為排氣溫度_, 從圖中可以看出進氣溫度為_33.1 ^o_C _,排氣溫度為 198.5^oC,溼度為_{65 %}。有了進氣溫度和排氣溫度之後_, 我們可以做即時回授控制處理_, 如在均質進氣壓燃引擎中_, 可以由進氣溫度或和廢氣再循環比

例 _(EGR) 來調整混合氣進去汽缸的溫度_,進而控

制引擎燃燒開始時間點。

(8)

0 1 2 3 4 5 1.8

1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

time ( sec ) Intake flow rate ( m3/hour )

Figure 6: 引擎進氣流量圖

4.3 引擎進氣流量量測

對於進氣流量的量測_,主要是要了解空氣進入汽缸的質量_, 進而決定燃油噴注量。一般傳統引擎都控制空燃比在_14.7:1附近_, 讓三元觸媒轉化器轉化效率最好_,引擎廢氣汙染物降低_;而隨這引擎汽油缸內直噴技術成熟_,能以高壓將燃油噴入汽缸_,霧化變好_, 讓引擎以稀薄燃燒的狀態下運轉_, 來達到省油的目的。因此_, 進氣流量在引擎中也是必須要量測的。由圖₆所示_, 為引擎轉速₁₈₀₀轉無負載進氣流量圖_, 取樣時間為_0.0001秒。圖中為進氣流量為 2 ∼ 2.2 m³/h之間_,流量呈現一穩定狀態_,是因為量測引擎流量的位置在進氣導管上離汽缸的位置較遠_,並且在進氣導管後端加裝一緩衝桶_,讓引擎流量量測的數值呈現為穩態流量。經由穩態流量與燃油流量就可推算引擎燃油空氣比。

4.4 引擎進排氣壓力量測

在引擎的量測系統中,還包含了進氣壓力和排氣壓力量測_, 主要是為了了解引擎運轉中的進排氣變化。在本實驗中, 進氣壓力感測器的位置裝於節氣門之前_,排氣壓力感測器則在排氣管上_,都離汽缸有一段距離_, 且在本實驗引擎的操作情況為無負載節氣門沒開引擎轉速每分鐘₁₈₀₀轉的情況下_,所量的進氣壓力和排氣壓力變化不太明顯_, 如圖₇所示。

此外_, 圖中進氣壓力_7∼8個循環_, 進氣壓力發生下降的現象_, 可能原因是進氣岐管汽門打開進氣_, 造成歧管真空_, 累積到_7∼8循環後_, 空氣補充進歧管_, 進氣壓力上昇。

4.5 汽缸壓力訊號濾波與相位補償

引擎運轉中會有許多干擾雜訊_,在計算熱釋放模型中_, 汽缸壓力可說是非常重要的訊號_, 因此在量測汽缸壓力時須將擷取訊號濾波_, 以免影響到燃燒熱釋放的計算。利用二階 _IIR 數位濾波器_, 如

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

0.8 1

Pin ( bar )

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

1.01 1.02 1.03

Pex ( bar )

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

0 500

time ( sec )

Crank angle ( deg )

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

0.8 1

Pin ( bar )

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

1.01 1.015 1.02

Pex ( bar )

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4

0 500

time ( sec )

Crank angle ( deg )

Figure 7: 引擎進排氣壓力

(12)式。將壓力訊號濾波_,如圖₈所示_,實線是沒有經過濾波的汽缸壓力曲線_, 虛線是經過濾波過與相位補償後的汽缸壓力曲線_, 明顯得看到濾波過後的圖形比較沒有雜訊的干擾。從汽缸壓力變化量圖來看_, 如圖₉所示_,實現是沒有濾波過的汽缸壓力變化率_, 虛線則是有濾波過後的汽缸壓力變化率_, 我們可以更清楚的看到沒有濾波的雜訊干擾非常大。在計算燃燒熱釋放過程中_,其中會有dp項_,因此如果雜訊很大_, 就會造成我們計算引擎燃燒熱釋放的誤差。並且_,從濾波過後的dp, 可以看到從壓縮行程到燃燒過程以及動力行程_{, dp} 的變化趨勢比較平滑,雜訊的干擾較小_,因此在計算熱釋放中_,所造成的誤差也相對影響較小。

H(z) = 0.064 + 0.128z⁻¹+ 0.064z⁻² 1 − 1.1683z⁻¹+ 0.4241z⁻² (12)

4.6 引擎汽缸壓力和汽缸體積

本節主要將所建的模型實際應用到引擎上_,使

用_xPC-Target完成即時運算並儲存資料,實驗操

作情況為引擎轉速_1800rpm無負載_,如圖₈所示_,為實際量測所得的汽缸壓力曲線圖_, 從圖中可以看到在進氣行程中_, 活塞往下移動產生負壓_, 汽缸壓力小於一大氣壓力_;壓縮行程中_,汽門關閉_,活塞往上移動_,汽缸壓力逐漸上升_,在壓縮上死點前點火_,過上死點後為動力行程_, 在₄₁₀度附近可以看到曲線轉折的現象_, 是因為曲軸箱的吹漏氣的關係_, 活塞往下移動_, 將曲軸箱的吹漏氣壓縮_, 進而造成汽缸壓力緩慢下降_; 在曲軸轉角₅₄₀度前_, 排氣門打開_, 汽缸壓力往下移動產生負壓_,過₅₄₀度之後_,活塞往

(9)

0 100 200 300 400 500 600 700 0

2 4 6 8 10 12

Crank angle ( degree )

Cylinder Pressure ( bar )

without filter with filter and phase offset

Figure 8: 汽缸壓力訊號濾波前後比較圖

0 100 200 300 400 500 600 700

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

dp ( bar )

without filter with filter and phase offset

Figure 9: 汽缸壓力變化量濾波前後比較圖

0 100 200 300 400 500 600 700

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8x 10⁻⁴

Crank angle ( deg ) Cylinder Volume ( m3 )

Figure 10: 汽缸體積圖

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

x 10⁻⁴ 0

2 4 6 8 10 12

Cylinder Volume ( m³ )

Figure 11: 壓力_-體積_(PV)圖

上移動_,汽缸壓力比一大氣壓力高一點點_,到曲軸轉角₇₂₀度_,完成一次循環。

圖₁₀為汽缸體積變化圖_,由編碼器輸出的角度訊號經過汽缸體積公式計算_, 即可知道每一時刻角度的汽缸體積。曲軸轉角₁₈₀度和₅₄₀度為活塞下死點(Bottom Dead Center,BDC), 汽缸體積最大_, 為燃燒室容積加上活塞位移容積_; 曲軸轉角₀度和 360度為活塞上死點 (Top Dead Center, TDC), 汽缸體積最小, 為燃燒室容積₍餘隙容積)。將每一汽缸體積對汽缸壓力作圖, 如圖11所示_, 從圖明顯得知其燃燒為奧圖循環_,燃燒曲線接近於等容燃燒。

由汽缸壓力和體積環繞的部份_, 是氣體對引擎活塞所做的功_, 順時鐘所包圍的部份為引擎所做的正功_, 而逆時鐘方向包圍的部份則是進氣行程和排氣行程造成的泵吸損失 (Pumping loss) 為負功_, 將曲線環繞的部份積分後除以引擎排氣量_, 即可算出平均有效壓力_(MEP)。

4.7 比熱比 _γ 估算

在計算熱釋放中_,有很重要的參數就是比熱比 (Specific heat ratio, γ )。實驗中的_γ是由汽缸壓力利用非線性迴歸求得。在壓縮行程可以假定成 PV^γ=C, 假設燃燒室容積與汽缸壓力有誤差_, 因此可寫成 (P+∆P)(V+∆V )^γ=C,∆P 為汽缸壓力誤差_,∆V 為汽缸體積誤差_, 回歸區間為₂₅₀度到₃₃₀度_, 經由實驗數據回歸得到如下_, 因此所挑選的γ為_1.2, 回歸曲線圖如圖₁₂所示_, 圖中_, 曲軸角度₂₅₀度_, 汽缸壓力為0.6158 bar, 汽缸體積為 1.2497 m³。

C ∆V (m³) γ ∆P (bar)

1 1.12E − 05 −4.87E − 07 1.21 −0.274 2 1.82E − 05 −3.45E − 07 1.17 −0.246 3 1.59E − 05 −9.74E − 07 1.18 −0.261

(10)

150 200 250 300 350 400 450 500 0

2 4 6 8 10 12

Crank angle ( deg )

real nonlinear fit

Figure 12: 汽缸壓力非線性回歸曲線圖

300 350 400 450 500

−10

−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Heat release rate ( KJ/s )

Figure 13: 引擎燃燒熱釋放率

4.8 引擎燃燒熱釋放與燃燒時間點

引擎運轉中_,是透過燃油燃燒產生動力來推動活塞、連桿_, 使引擎曲軸轉動完成動力傳輸。因此_, 燃油燃燒的變化對引擎輸出動力的影響非常重要_, 在圖₁₃中_, 為實驗所計算出的燃燒熱釋放率。由圖可知_, 引擎燃燒釋放率是從由小逐漸變大再急速變小_,是因為火星塞跳火點燃混合氣_,火焰擴散傳播的關係_,燃燒釋放率逐漸由小增大_,在最大值後急速變小_, 是燃油燃燒完的關係。將燃燒釋放率積分過後可得燃燒熱釋放能_, 如圖₁₄所示_, 燃燒百分之十時間點為_369.87^o_, 燃燒百分之五十時間點為_407.01

o,燃燒百分之九十時間點為_431.06^o。

圖₁₅為實驗引擎運轉₄₅₀次循環燃燒時間點估測_, 分別為燃燒百分之十時間點 _(CA10)、燃燒百分之五十時間點_(CA50)與燃燒百分之九十時間點

(CA90)。圖中橫軸表示引擎燃燒循環數_,縱軸為燃

燒時間點的曲軸角度。由估測的結果來看_, 得知燃燒百分之十時間點大約在₃₆₈ô_±3ô_,燃燒百分之五十時間點大約在₄₀₈ô_±8ô_,燃燒百分之九十時間點大約在₄₃₈ô_{± 9}ô附近。在這邊_CA50和_CA90變

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Heat release( KJ )

CA10 : 369.87 ô CA50 : 407.01 ô CA90 : 431.06 ô

Figure 14: 引擎燃燒熱釋放能

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

360 365 370 375 380

CA10 ( degree )

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

380 400 420 440

CA50 ( degree )

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

420 430 440 450

Cycle

CA90 ( degree )

Figure 15: 引擎燃燒時間點

動較大原因_,是因為引擎無負載怠速的情況下_,燃燒過程比較不穩定_, 每一循環中燃燒變動性較大。此外有了這些資訊後_, 以後可用來回授控制之即時處理_,提高引擎的性能_,讓引擎維持在最佳狀態運轉。

4.9 引擎汽缸壓力峰值

汽缸壓力峰值計算主要由汽缸壓力變化量判斷所得到的_, 圖₁₆為實驗引擎運轉₄₅₀次循環汽缸壓力峰值估測_, 橫軸為引擎燃燒循環數_, 縱軸為汽缸壓力峰值值和汽缸壓力峰值發生時的角度。由圖可知汽缸壓力峰值大約為11.1 ∼ 11.3 bar,而汽缸壓力峰值發生的角度為_{363 ∼ 365}度_, 從實驗結果來看_,引擎在怠速運轉下_,汽缸壓力峰值和其發生的角度皆處於穩定的狀態。藉由這些資訊可用於分析引擎是否_{miss fire}的診斷_,也可應用於點火時間、噴油時間的控制上_,使引擎能有更大的動力輸出。

(11)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 11

11.1 11.2 11.3 11.4

Pmax ( bar )

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

360 361 362 363 364

Cycle

The angle of Pmax ( degree )

Figure 16: 汽缸壓力峰值

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

2.5 3 3.5 4

Cycle

Mean Effective pressure ( bar )

Figure 17: 平均有效壓力

4.10 平均有效壓力

圖₁₇為引擎運轉₄₅₀次循環平均有效壓力圖_, 從圖可知平均有效壓力大約在2.6∼3.8 bar 之間_, 會變動這麼大的原因_, 有可能是單缸四行程引擎且無負載的關係_,動力較不平衡_,影響到燃油燃燒對引擎所做功_, 進而影響到平均有效壓力_(MEP)的變化。在引擎中_, 平均有效壓力可是說一種表示引擎性能的指標_, 可用來判斷其引擎性能的好壞_, 平均有效壓力越高越好_, 表示引擎的動力性能越好。因此如何提升引擎平均有效壓力也是我們積極研究的部份。本研究提供一個簡易的程式來計算平均有效壓力,來判斷引擎性能的好壞。

5 結論

本研究的主要目的在於即時引擎燃燒分析系統之建立_,分析引擎的燃燒熱釋放、燃燒時間點、汽缸壓力峰值和平均有效壓力。燃燒時間點估測和汽缸壓力峰值可用於引擎的控制上_, 讓引擎能有更好的動力

輸出。實驗中_, 以四行程化油器機車來做為研究目標_,將實際引擎訊號傳送至電腦_,以_xPC-Target即時控制介面環境來完成本研究。在_xPC-Target系統中_,以離散的解法和取樣時間_0.0001秒的設定下來計算模型。由以下實驗步驟完成本研究的目的。

(1)由編碼器連接至電腦的訊號_,經行程判斷後_,將曲軸轉角劃分為_0-720度_,分別為進氣、壓縮、動力與排氣四個行程。

(2) 將引擎訊號做濾波處理及相位補償_, 如汽缸壓力、進排氣溫度、進氣流量與進排氣壓力_,並將所量得的資料儲存。

(3) 由汽缸壓力和曲軸角度訊號即時計算出燃燒熱釋放率、燃燒熱釋放能與燃燒時間點。

(4) 由汽缸壓力訊號經演算法計算出汽缸壓力峰值值和發生的角度位置。

(5) 由汽缸壓力和曲軸角度訊號計算出引擎性能指標平均有效壓力。

在未來希望將熱傳模型加入燃燒熱釋放模型中與考慮比熱比γ的變化_, 讓熱釋放模型更加準確。並實際應用於火花點火引擎或均質進氣壓燃引擎的控制。在火花點火引擎中_, 可用這些資訊來回授控制點火時間_, 讓引擎的性能提升。在均質進氣壓燃引擎中, 則是透過改變進氣溫度或廢氣再循環來控制燃燒時間點在一定角度內_, 並將引擎實驗在不同操作點 ₍轉速、負載₎ 下能引擎能維持最佳的機械效率_, 提高引擎的馬力和扭力。更進一步地以 _DSP 將程式建立為一輕巧之燃燒分析系統來提供實車之用。

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