劉純志，簡曉春，鄭佰平，房 科

（1. 重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶，400074）

0 引 言

隨著對汽車動(dòng)力性和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同程度上對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行著電子控制。現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)是建立在大量使用傳感器的基礎(chǔ)上，不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，成本升高，而且部分傳感器的使用還會(huì)影響缸內(nèi)燃燒從而導(dǎo)致參數(shù)測量不準(zhǔn)確。因此，火花塞離子電流是目前反映發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)之一，開展這方面的研究對于精確、實(shí)時(shí)地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制有著重要意義。

1 離子電流產(chǎn)生機(jī)理及檢測方法

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的混合氣在燃燒時(shí)，會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的離子和自由電子，使缸內(nèi)的可燃?xì)怏w具有一定的導(dǎo)電性。如果在火花塞兩極間添加一個(gè)偏置電壓，帶電粒子就會(huì)在電場的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，從而在兩極之間產(chǎn)生離子電流。離子電流根據(jù)火焰的傳播過程主要分為火焰前鋒區(qū)和焰后區(qū)。其中火焰前鋒區(qū)的主要化學(xué)反應(yīng)如下[1]：

其中Ki(i=1, 2, 3)表示反應(yīng)常數(shù)，大小分別為：

由式（1）～式（4）可以看出，K2大于K1，也就是說火焰前鋒中的離子大部分轉(zhuǎn)化為H3O+，K3雖然也較大，但是由于反應(yīng)不劇烈，因此在后火焰區(qū)H3O+還會(huì)存在。而在焰后區(qū)的主要化學(xué)反應(yīng)為：

由于在高溫高壓的環(huán)境下NO+濃度增加；當(dāng)壓力最大時(shí)，NP+濃度達(dá)到最大，而對應(yīng)的離子電流也達(dá)到峰值。

對于離子電流的檢測方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種測量方案。日本 Honda公司的 Masaki Kanehiro等人在點(diǎn)火次級(jí)線圈后串聯(lián)了1個(gè)高壓二極管，同時(shí)使用2個(gè)電容組成分壓電路，但是這種電路選擇的電容必須耐高壓[2]。日本大發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Morito Asano等人則在次級(jí)線圈后和離子電流測量回路內(nèi)分別串聯(lián)高壓二極管，并為了維持火花塞間隙間的電場在離子電流測量回路內(nèi)設(shè)置了直流電源[3]。德國博士公司的 Jurgen Forster等人進(jìn)一步將電流檢測系統(tǒng)的偏置電源電壓設(shè)置為200V，使火花塞兩極之間的電壓能夠維持在150V[4]?？査刽敹虼髮W(xué)Herko Kubach等人則添加了額外的火花塞，并運(yùn)用外部直流電源維持火花塞間隙間的電場，由于不與點(diǎn)火系統(tǒng)相連，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也較為簡單[5]。

在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的吳筱敏等設(shè)計(jì)了較為經(jīng)典的電路來檢測離子電流，電路用高壓硅堆隔離了點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的高壓，并且并聯(lián)了電阻進(jìn)行保護(hù)，而直流電源則維持火花塞兩極之間的電場，通過檢測測量電阻 R2兩端的電壓變化來反應(yīng)離子電流的變化[6]，如圖 1。天津大學(xué)的李建文則做了進(jìn)一步的改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上使用了2個(gè)高壓硅堆離子，電流信號(hào)輸出部分加入了放大電路，并使用了可調(diào)的偏置電壓源[7]。

總體來說，離子電流測量方案可以分為與點(diǎn)火系統(tǒng)無關(guān)和與點(diǎn)火系統(tǒng)相關(guān)兩大類。其具體分類及優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 火花塞離子電流檢測方案

2 火花塞離子電流研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)火花塞離子電流包含豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和運(yùn)轉(zhuǎn)的信息，可以通過信號(hào)采集和處理，提取我們所關(guān)心的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)。因此對離子電流開展了一系列的研究。

2.1 檢測與測量

Nick Collings提出了一個(gè)檢測爆燃的電路，并在測爆燃過程中把離子電流法和壓力傳感器法進(jìn)行了對比，結(jié)果證實(shí)了離子電流法在爆燃檢測中是一種可行的方法[8]。隨后又運(yùn)用火花塞作為傳感器檢測多個(gè)參數(shù)，從理論上研究了空燃比、燃燒時(shí)刻、燃油成分對離子電流的影響[9]。研究結(jié)果表明離子電流法可以作為一種有效的檢測方法。John Auzins則利用爆燃時(shí)離子電流波形與正常燃燒時(shí)的電流波形有明顯的區(qū)別，將離子電流信號(hào)上的高頻信號(hào)進(jìn)行頻域分析確定爆燃時(shí)離子電流信號(hào)的頻率范圍，并對失火時(shí)和正常燃燒時(shí)的離子電流波形進(jìn)行比較，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)波形的區(qū)別很大[10]。通過研究表明離子電流可以有效地檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的失火和爆燃。

Ford公司的Robert L.Anderson利用離子電流研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的燃燒特性，得到了離子電流信號(hào)與曲軸轉(zhuǎn)角、缸內(nèi)壓力、燃燒時(shí)間之間的關(guān)系[11]。Eric N.Balles等用離子電流計(jì)算了缸內(nèi)空燃比近似值，試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)表明周期平均離子曲線與空燃比之間的相關(guān)性很強(qiáng)[12]。Andre Saitzkoff等利用離子電流和缸內(nèi)壓力之間的關(guān)系來推算出缸內(nèi)壓力，并指出在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力預(yù)測值的絕對值和缸內(nèi)壓力實(shí)際測量值的絕對值之間相差10%～15%[13]。Raymond Reinmann等通過離子電流測量了局部空燃比，指出火花塞附近的混合氣空燃比可以用離子電流進(jìn)行測量，而且誤差僅有3%[14]。

國內(nèi)學(xué)者也對離子電流檢測和測量方面的運(yùn)用進(jìn)行了深入的研究。西安交通大學(xué)的吳筱敏提出用火花塞電極作為傳感器直接測量燃燒時(shí)離子電流的變化，可以用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃[15]。隨后在試驗(yàn)時(shí)對有爆燃和無爆燃工況的離子電流信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在10～11 Hz是該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃離子電流信號(hào)的頻率范圍；進(jìn)一步通過調(diào)整火花塞間隙和添加積碳的方法產(chǎn)生失火，并分析對比失火和正常燃燒的離子信號(hào)波形，發(fā)現(xiàn)離子電流信號(hào)可以進(jìn)行缸內(nèi)失火檢測[16]。湖南大學(xué)的成志明則將火花塞作為檢測傳感器來測量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)離子電流密度的變化，結(jié)果表明可以正確地檢測出爆燃信號(hào)[17]。吳筱敏等研究發(fā)現(xiàn)火焰前鋒和后區(qū)的信號(hào)峰值隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢相同，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時(shí)均達(dá)最大值，可以用該信號(hào)實(shí)現(xiàn)空燃比的探測[18]。吳怡等通過控制預(yù)混壓力和空燃比2個(gè)參數(shù)的變化，來研究空燃比和離子電流信號(hào)的關(guān)系，試驗(yàn)表明離子電流信號(hào)的第1峰值與空燃比有一定的相關(guān)性，可以用來檢測空燃比[19]。李建文等利用離子電流特征參數(shù)作為輔助變量，創(chuàng)建了面向Matlab的空燃比軟測量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對模型的訓(xùn)練與仿真得到了較滿意的效果[20]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制

由于不能測量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的一些實(shí)時(shí)參數(shù)，許多控制量是通過大量不同工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)得出。但是對于不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要重新標(biāo)定控制量，使整個(gè)工作量加大。如果能夠通過對離子電流的檢測來獲得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的有關(guān)參數(shù)，然后據(jù)此對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，就可以使發(fā)動(dòng)機(jī)更好地滿足排放、經(jīng)濟(jì)和動(dòng)力等指標(biāo)。國內(nèi)外的學(xué)者就這方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成果。

2.2.1 點(diǎn)火提前角的控制

Lars Eriksson等在離子電流控制點(diǎn)火提前角這一領(lǐng)域中做了大量的研究。他們利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的缸內(nèi)最高燃燒壓力和后火焰區(qū)離子電流波形的一致性，如圖 2，建立了經(jīng)典離子電流的計(jì)算公式（8）。在此基礎(chǔ)上利用離子電流信號(hào)來實(shí)時(shí)估算壓力峰值，再加一個(gè)簡單的 PI調(diào)節(jié)器對點(diǎn)火提前角進(jìn)行閉環(huán)控制，并在試驗(yàn)中證實(shí)了水霧對結(jié)果影響不是很大[21-22]。Naeim A.Henein等通過一個(gè)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上的試驗(yàn)表明，負(fù)極性時(shí)測得的離子電流同樣能用于點(diǎn)火系統(tǒng)的反饋控制[23]。Guoming G .Zhu等利用離子電流信號(hào)，將閉環(huán)MBT（最佳轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的最小點(diǎn)火提前）時(shí)間控制、極限爆燃限制控制和點(diǎn)火延遲限制控制一起控制點(diǎn)火，以獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性[24]。

其中：I為離子電流；Im為離子電流最大值；p為缸內(nèi)壓力；pm為缸內(nèi)壓力最大值；γ為放熱率；Tm為最高溫度；Ei為離子能量；k為伯爾茲曼常數(shù)。

2.2.2 空燃比控制

UpadhyayD.等在一臺(tái)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上利用空燃比與后火焰期的離子電流在同一時(shí)間窗口下的積分值的非線性關(guān)系來估算空燃比，然后用估計(jì)值進(jìn)行空燃比的控制，并取得了良好的效果[25]。Dirk Schneider等通過離子電流信號(hào)的實(shí)時(shí)測量，實(shí)現(xiàn)空燃比的估計(jì)[26]。結(jié)果表明，當(dāng)空燃比大于0.88時(shí)，計(jì)算10個(gè)周期的平均預(yù)測值，空燃比估計(jì)值的變動(dòng)系數(shù)可以小于2.5%。Morito Asano等指出讓火花塞連接正極，可以使離子電流信號(hào)的強(qiáng)度加強(qiáng)；通過測量離子電流，可以控制空燃比并使其接近稀燃極限，通過進(jìn)一步獨(dú)立控制每缸的空燃比，能大幅度改善內(nèi)燃機(jī)排放與燃料消耗率[8]。Yutaka Ohashi則將離子電流應(yīng)用于爆燃檢測和爆燃控制上，并進(jìn)一步用于空燃比的稀燃極限控制和EGR率的控制[27]。

在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的吳筱敏等通過對油量變化前后離子電流信號(hào)達(dá)到峰值時(shí)間大小的計(jì)算，提出了判斷混合氣是濃是稀的識(shí)別方法，并采用分段法和定值法計(jì)算所需要的燃料來滿足空燃比控制效率和精度的要求[28]。

3 結(jié) 論

火花塞離子電流在檢測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的基本參數(shù)以其特有的優(yōu)勢逐漸在汽車電控技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地。目前，根據(jù)離子電流信號(hào)所攜帶的信息來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃、失火、空燃比、壓力等成為了簡單并準(zhǔn)確的檢測方法。而且對于離子電流信號(hào)對發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角和空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制的研究和應(yīng)用也比較成熟。但是離子電流對大部分發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的檢測還只是定性的，沒有把離子電流的大小與運(yùn)行參數(shù)定量的聯(lián)系起來。在未來的汽車電控系統(tǒng)中，如何利用離子電流所提供的豐富的燃燒信息對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確、綜合的控制，是今后需要進(jìn)一步深入研究的。

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