本发明涉及内燃机燃烧诊断与控制技术领域，尤其是涉及一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法。
背景技术：
均质压燃发动机的概念产生于20世纪70年代，通常利用汽油作为燃料，通过提高压缩比、进气加热或者内部残余废气再循环等方法实现多点自燃，它综合了点燃式发动机(汽油机)和压燃式发动机(柴油机)的优点，具有更高的热效率和更低的氮氧化物排放，但其不足在于缺乏直接的燃烧控制手段，在边界工况容易出现不完全燃烧和爆震等非正常燃烧现象，导致运行工况范围狭窄，严重限制了其产业化进程。
目前对于均质压燃发动机在边界工况出现的不完全燃烧现象，还未有能够实现循环内的预测及前馈控制，现有策略均是待不完全燃烧已经发生过后再进行反馈控制，此为补救措施。而针对爆震现象，虽然已有对后燃引起的爆震实现了基于缸压传感器的前馈控制，但是对于发生频率更高的随机爆震缺乏预测和前馈控制方法，导致无法将所有的爆震循环预测出来。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震前馈控制方法，具体步骤包括：
步骤一、同步采集发动机缸压信号和离子电流信号，采集的缸压信号和离子电流信号在相位上须保持一致。
步骤二、实时计算每个燃烧循环的ca50、负阀重叠期的缸压信号峰值位置和负阀重叠期的离子电流信号峰值，其中ca50的定义为基于缸压信号计算得到的累计放热量达到50％对应的曲轴转角。
步骤三、根据步骤二计算的结果判断本循环是否即将发生不完全燃烧现象或爆震现象。
判断是否即将发生不完全燃烧现象的主要内容为：
判断燃烧循环过程是否同时满足以下两个条件：1)本燃烧循环负阀重叠期的缸压信号峰值位置小于第一阈值；2)本燃烧循环负阀重叠期的离子电流信号峰值小于第二阈值。若满足，则表明本燃烧循环将会发生不完全燃烧现象，其中第一阈值和第二阈值需要通过试验标定。
判断是否即将发生爆震现象的主要内容为：
判断燃烧循环过程是否满足以下两个条件之中的任意一个：1)本燃烧循环负阀重叠期的离子电流信号峰值大于第三阈值；2)上一燃烧循环的ca50大于第四阈值。若满足，则表明本燃烧循环将会发生爆震，其中第三阈值和第四阈值需要通过试验标定。
步骤四、若判断出即将发生不完全燃烧现象和爆震现象，则采取控制策略。
若步骤三预测即将发生不完全燃烧，则进行相应的防止不完全燃烧控制。控制策略可采用以下任何一种控制方法或多种控制方法的组合：
a1、在主燃期点火辅助压燃；
a2、在主燃期点火辅助压燃，并增加第二次喷油量；
a3、在主燃期点火辅助压燃，并在压缩上止点前执行第三次喷油；
若步骤三预测即将发生爆震，则进行相应的防止爆震控制。控制策略可采用以下任何一种控制方法或多种控制方法的组合：
b1、减少第二次喷油量；
b2、进气道或者缸内喷入降温介质。
与现有技术相比，本发明综合利用缸压和离子电流两种传感器提供的信息，找到了均质压燃发动机不完全燃烧和爆震现象发生的判断依据，并提出了几种切实可行的不完全燃烧和爆震控制方法。解决了现有技术缺乏对均质压燃发动机不完全燃烧现象实现循环内的预测和控制，以及对爆震现象预测判据不完整这两大问题，且与已有技术只能等待不完全燃烧或爆震发生过后再进行反馈控制，进行补救的措施不同，本发明实现了在一个燃烧循环内的前馈控制，避免了均质压燃发动机运行在边界工况可能出现的非正常燃烧现象。
附图说明
图1为本发明实施例中均质压燃发动机的一个完整燃烧循环的定义以及测量得到的缸压信号和离子电流信号示意图；
图2为本发明实施例中均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
缸压传感器和离子电流传感器是两种有效的缸内燃烧诊断与控制手段。其中缸压传感器通过测量缸内压力的变化来反应缸内燃烧状态，而离子电流传感器则通过在火花塞中心电极和侧电极之间施加直流电压，使得缸内的电子和正负离子产生定向移动形成离子电流来反应缸内燃烧状态。目前已有技术中，通过单独运用缸压信号或离子电流信号，能够将爆震诊断出来，但是此时爆震已经发生，只能在爆震发生过后进行补救，此为反馈控制。另外，也有运用缸压信号对后燃引起的爆震进行预测和控制的方法，但是对于发生频率更高的随机爆震，却缺乏预测和前馈控制方法，导致无法将所有的爆震循环预测出来。
本发明均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法首次综合利用缸压和离子电流两种传感器提供的信息，并首次利用负阀重叠期采集的离子电流信号，找到不完全燃烧和爆震的判断依据，提出了多种切实可行的不完全燃烧和爆震控制方法，实现了均质压燃发动机在一个燃烧循环内的前馈控制，避免了均质压燃发动机运行在边界工况可能出现的非正常燃烧现象。
图1为本实施例中均质压燃发动机的一个完整燃烧循环的定义以及测量得到的缸压信号和离子电流信号。压缩上止点定义为0℃a，一个完整燃烧循环定义为从压缩上止点前540℃a到压缩上止点后180℃a，一共720℃a。
为了实现均质压燃的效果，采用内部废气再循环的方法，即提前关闭排气门，推迟开启进气门，使得进排气门之间的重叠角为负，形成图1所示的负阀重叠期。
在负阀重叠期执行首次喷油，实现燃油改质，促进燃烧。在进气冲程执行二次喷油，形成均质混合气。
缸压信号和离子电流信号在负阀重叠期和主燃期有两个对应的波峰，第一个波峰由缸内残余废气再压缩引起的，第二个波峰由燃烧放热引起的。
图2为均质压燃发动机不完全燃烧和爆震前馈控制方法的流程图。即首先利用缸压传感器和离子电流传感器同步采集每个燃烧循环的缸压信号和离子电流信号。然后实时计算每个燃烧循环以下特征参数：1、ca50；2、负阀重叠期的缸压信号峰值位置；3、负阀重叠期的离子电流信号峰值。其中，ca50的定义为基于缸压信号计算得到的累计放热量达到50％对应的曲轴转角。
若计算的结果同时满足以下两个条件：1)本燃烧循环负阀重叠期的缸压信号峰值位置小于阈值1；2)本燃烧循环负阀重叠期的离子电流信号峰值小于阈值2。则预测将会发生不完全燃烧。判据中提到的阈值1和阈值2需要通过试验标定得到。
当预测即将发生不完全燃烧，需要采取措施避免此现象发生。可行的控制策略包括：1、在主燃期点火辅助压燃；2、在主燃期点火辅助压燃，并增加第二次喷油量；3、在主燃期点火辅助压燃，并在压缩上止点前执行第三次喷油。点火是强控制手段，可以形成火核诱发火焰传播。此外，在点火的同时也可以略微增加二次喷油量，或者在压缩上止点前喷入少量的油，形成局部浓区，促进燃烧。
若满足以下两个条件中的任意一个：1)本燃烧循环负阀重叠期的离子电流信号峰值大于阈值3；2)上一燃烧循环的ca50大于阈值4。表明本燃烧循环将会发生爆震，其中阈值3和阈值4需要通过试验标定得到。
为了避免爆震的发生，可行的控制策略包括：1、减少二次喷油量；2、进气道或者缸内喷入降温介质。其中减少二次喷油量可以推迟燃烧相位，而进气道或缸内喷入降温介质则可以有效降低缸内燃烧温度，两种策略均可起到抑制爆震的作用。
本发明方法综合利用缸压和离子电流两种传感器提供的信息，找到了均质压燃发动机不完全燃烧和爆震现象发生的判断依据，并提出了几种切实可行的不完全燃烧和爆震控制方法，解决了现有技术缺乏对均质压燃发动机不完全燃烧现象实现循环内的预测和控制，以及对爆震现象预测判据不完整这两大问题。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
s1、同步采集均质压燃发动机的缸压信号和离子电流信号；
s2、利用采集的缸压信号计算缸压信号的特征值，利用采集的离子电流信号计算离子电流信号的特征值；
s3、根据缸压信号的特征值和离子电流信号的特征值预测均质压燃发动机是否即将发生不完全燃烧现象和爆震现象，若是，则执行下一步；
s4、对即将发生的不完全燃烧现象和爆震现象进行预防控制。
2.根据权利要求1所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s1中，采集的均质压燃发动机的缸压信号和离子电流信号的相位一致。
3.根据权利要求1所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s2中，缸压信号的特征值包括基于缸压信号计算的累计放热量达到50％对应的曲轴转角以及负阀重叠期的缸压信号峰值位置。
4.根据权利要求3所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s2中，离子电流信号的特征值包括负阀重叠期的离子电流信号峰值。
5.根据权利要求4所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s3中，预测不完全燃烧现象即将发生的判据为判断是否同时满足以下两个条件：
a、本次燃烧循环的负阀重叠期的缸压信号峰值位置小于第一阈值；
b、本次燃烧循环的负阀重叠期的离子电流信号峰值小于第二阈值。
6.根据权利要求4所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s3中，预测爆震现象即将发生的判据为判断是否满足以下两个条件中的任意一个：
a、本次燃烧循环的负阀重叠期的离子电流信号峰值大于第三阈值；
b、上一次燃烧循环的基于缸压信号计算的累计放热量达到50％对应的曲轴转角大于第四阈值。
7.根据权利要求1所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s4中，对即将发生的不完全燃烧现象进行的预防控制包括以下任一种或几种的组合控制：
1)在主燃期点火辅助压燃；
2)在主燃期点火辅助压燃，并增加第二次喷油量；
3)在主燃期点火辅助压燃，并在压缩上止点前执行第三次喷油。
8.根据权利要求1所述的一种均质压燃发动机不完全燃烧和爆震的前馈控制方法，其特征在于，步骤s4中，对即将发生的爆震现象进行的预防控制包括以下任一种或几种的组合控制：
1)减少第二次喷油量；
2)在进气道或缸内喷入降温介质。
技术总结