曹銀波，張志永，沈 康，李理光

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海200092）

在火花塞點火式發(fā)動機(jī)中，當(dāng)燃燒發(fā)生時，產(chǎn)生大量的離子.如果在火花塞兩極之間加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷壕蜁纬呻x子電流［1］.通過該電流可以對發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)進(jìn)行在線檢測，從而實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的實時監(jiān)測，是一種基于發(fā)動機(jī)工作循環(huán)，獲得精確的著火和燃燒信息的缸內(nèi)燃燒檢測技術(shù).該項技術(shù)可以被應(yīng)用于所有采用火花塞（或裝有類似的電極）的內(nèi)燃機(jī)，不需要任何額外的植入式傳感器，且無須對發(fā)動機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的改動即可實現(xiàn).此外該技術(shù)也不受發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)布局和燃料類型限制，能夠應(yīng)用于幾乎所有燃料的內(nèi)燃機(jī)［2］.

發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境決定了它隨時都可能受到內(nèi)外界的電磁干擾，這種干擾可能以沖擊脈沖的形式進(jìn)入控制系統(tǒng)內(nèi)部，干擾破壞某些電子器件的工作，也可能以噪聲的形式串入傳感器信號中，影響控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況的判斷［3］.當(dāng)發(fā)動機(jī)的工作模式由SI（spark ignition）燃燒模式向 HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃燒模式過渡時，必然會有火花點火.由于采用火花塞作為離子電流傳感器，點火放電干擾必然會顯著影響離子電流信號波形.為了確保系統(tǒng)可靠地工作和獲得理想的離子電流信號，必須充分考慮整個離子電流檢測系統(tǒng)的抗干擾性.

1 發(fā)動機(jī)干擾源分析及抗干擾評價方法

1.1 點火系統(tǒng)瞬時高壓干擾

發(fā)動機(jī)點火系統(tǒng)主要由蓄電池、點火控制模塊、點火開關(guān)、點火線圈、高壓阻尼線以及火花塞組成，其結(jié)構(gòu)簡化電路如圖1所示［4］.其中：I1表示電流；U表示蓄電池電壓；L表示點火線圈；R1表示初級繞阻電阻；Rf表示附加電阻；K表示點火開關(guān)；C1表示火花塞電極兩端.

圖1 點火系統(tǒng)初級電路簡圖Fig.1 Diagram of ignition system primary circuit

點火系統(tǒng)工作時，點火控制模塊送出一個高電平，點火開關(guān)導(dǎo)通，初級線圈有電流流過，并逐漸增大.電流在鐵芯建立磁場的過程中，初、次級線圈出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，此時次級線圈的感應(yīng)電動勢不足以將火花塞氣隙擊穿，氣隙處于斷開狀態(tài).當(dāng)點火信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，點火開關(guān)斷開，初級線圈瞬間開路，電流迅速減小，鐵芯中急劇變化的磁通在次級線圈感應(yīng)出高達(dá)30～40kV 的電動勢，火花塞氣隙瞬間被擊穿，產(chǎn)生的電火花將發(fā)動機(jī)氣缸中的混合氣點燃.同時，初級線圈也會感應(yīng)出約600V 的瞬變電壓［5］.由于離子電流信號一般較小，因此，必須采取必要的高壓隔離電路以防止點火線圈放電瞬間所產(chǎn)生的高壓損害檢測電路，以提高檢測信號的信噪比［6］.

1.2 點火系統(tǒng)高頻干擾

圖2是火花點火高頻振蕩信號.由圖可見，發(fā)動機(jī)點火時將產(chǎn)生高頻振蕩信號，其最大振幅接近50 V，頻率在50～60 MHz［7］.由以上的分析可知，要測量燃燒產(chǎn)生的離子電流信號，必須對點火造成的瞬時高壓和高頻干擾進(jìn)行抑制.

圖2 火花點火信號Fig.2 Spark ignition signal

1.3 抗干擾的評價方法

在信號解調(diào)問題中，可利用信噪比或信噪比改善方便地進(jìn)行信號檢測中的抗干擾性能比較.理想檢測能力因子反映的是檢測時信號能量與噪聲能量的比值，即被檢測信號的信噪比.利用信噪比或信噪比改善能較好地解決抗干擾性能比較問題［8］.

2 抗干擾設(shè)計

2.1 隔離技術(shù)

2.1.1 高壓隔離

高壓隔離電路由高壓硅堆和的大阻值電阻組成，硅堆型號2CL2FK，反向擊穿電壓為40kV，將其與10 MΩ 電阻并聯(lián).如圖3 所示，高壓隔離硅堆與電源放大模塊輸出電壓正極連接，另一端與火花塞中心電極連接，以此來隔離火花塞點火產(chǎn)生高壓沖擊，保護(hù)檢測電路.

圖3 高壓隔離模塊Fig.3 High－voltage isolation module

2.1.2 點火隔離

在采用火花塞作為離子電流傳感器時，點火放電干擾會顯著影響離子電流信號波形.點火放電干擾在本質(zhì)上是由于線圈感應(yīng)電動勢造成的，因此在理論上，采用容性阻抗可以降低這種干擾造成的影響.在本研究中，通過在火花塞高壓線與高壓硅堆之間串連陶瓷電容的方法，分析容性阻抗對點火干擾的抑制效果.

圖4為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000r·min－1的穩(wěn)定怠速工況下，離子電流檢測電路偏置電壓400V，被測電阻270KΩ 條件下，在壓縮沖程火花塞點火后采用一個5pF陶瓷電容前后的離子電流波形對比.從圖4a和b對比發(fā)現(xiàn)，兩者的離子電流波形差別較大，而且在膨脹行程后期，點火引起的震蕩得到了很好的抑制.

然而電容本身就有濾波能力，其容量的大小也會使得離子電流信號受到影響，因此有必要對電容的大小因為抑制點火隔離而對離子電流信號產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究.針對容量分別為1，5 和10pF 的3種電容進(jìn)行燃燒和非燃燒兩種條件下的點火抑制試驗.

圖5a為僅有點火放電無燃燒時，采用了上述3種不同電容后的離子電流波形對比.從圖中可看出，當(dāng)采用容抗為1pF的電容時，點火后的離子電流波形與圖4中未使用陶瓷電容時差別較小，說明點火干擾的影響仍然存在.而在電容增大到5pF 時，信號波形的持續(xù)期明顯縮短，點火放電后電壓快速下降到接近0的位置，這表明點火的影響得到了明顯抑制.當(dāng)采用10pF電容時，可以看到信號波形與采用5pF電容時差異較小，說明電容的進(jìn)一步增大對信號的影響已不顯著.在燃燒邊界條件相同的情況下，圖5c給出了采用上述3種電容后的信號波形對比.從中可以看出，當(dāng)容抗為1pF 時，離子電流被點火干擾信號淹沒.當(dāng)采用5pF 電容時信號波形的持續(xù)期已經(jīng)明顯縮短.而當(dāng)電容容量增大到10pF 時，離子電流信號持續(xù)期會隨之繼續(xù)減小，說明電容的引入不但抑制了點火放電干擾，也影響到燃燒引起的離子電流波形，這就使得離子電流信號難以準(zhǔn)確反映缸內(nèi)燃燒過程自由離子生成的實際情況，降低了通過該信號檢測燃燒狀態(tài)的能力.

綜合上述分析，在本研究所采用的離子電流檢測電路中，均采用了5pF的陶瓷電容來對點火放電干擾加以抑制.

2.2 RC低通濾波

由于試驗采用的發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)及試驗環(huán)境具有一定的背景干擾，為了能夠更好地過濾出離子電流信號，因此在信號輸出電路中添加RC（resistancecapacitance）濾波電路，將高頻的背景干擾給過濾掉.RC低通濾波器接在電路中，按其結(jié)構(gòu)可分為L 形、Π 形和T 形，如圖6所示.具有濾去高頻，阻止低頻信號易通過的性能［9］.其傳遞函數(shù)為A（S）＝1／（1＋SRC）.其中：S表示復(fù)變量，R為電阻阻值，C為電容容量.濾波頻率與電路中的電阻和電容大小有關(guān)，關(guān)系為f＝1／RC.本試驗進(jìn)行無RC 濾波與濾波頻率分別為1，2和5kHz的圖6中L形RC 低通濾波器對比試驗研究，結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，在沒有采取RC 濾波的情況下，離子電流出現(xiàn)明顯的振蕩，在采用RC 濾波后，振蕩消失，但是隨著濾波器的濾波頻率增加，濾波效果降低，當(dāng)濾波頻率為1kHz時，濾波效果最佳.可見，RC 濾波電路的濾波頻率需要在背景干擾頻率附近，濾波效果才能達(dá)到最佳.

2.3 電阻法與電容法檢測

2.3.1 電阻法

由于缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的離子在外界電場的作用下做定向移動形成的離子電流只有μA 級別，因此在電流回路上串聯(lián)較大的電阻進(jìn)行信號放大處理，并測量其兩端的電壓來表示缸內(nèi)的燃燒信息，其檢測原理簡圖如圖8所示.

圖8 電阻法檢測原理簡圖Fig.8 Principle diagram of Resistance detection

根據(jù)這一原理，電阻的大小很大程度上直接反映缸內(nèi)產(chǎn)生的離子電流強(qiáng)度，圖9根據(jù)不同電阻阻值對離子電流大小的影響進(jìn)行試驗的結(jié)果，本試驗采用的是4個270kΩ 串聯(lián)電阻.隨著電阻阻值的增大，離子電流信號電壓逐漸增加.

圖9 電阻阻值對離子電流大小的影響Fig.9 Resistance influences on ion current

2.3.2 電容法

由于電容本身具有濾波作用，為了簡化檢測電路的結(jié)構(gòu)，采用電容替代待測電阻作為檢測離子電流信號的對象，串聯(lián)在整個檢測電路中，其檢測原理簡圖如 圖10所示.圖中，C為電容，E為電勢差，U為端電壓.

圖10 電容法檢測原理簡圖Fig.10 Principle diagram of capacitance detection

把4個均為1 000pF 的電容進(jìn)行串聯(lián)，分別測量1，2，3，4個電容的端電壓，分析電容容量的大小對離子電流的影響，并對所測得的端電壓最大值進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，電容的數(shù)量與離子電流的關(guān)系呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系.試驗結(jié)果分別如圖11 和12所示.

2.3.3 電阻法與電容法對比

電容與電阻相比，具有一定的濾波和儲能特性.采用的電阻為270kΩ，電容為220pF，在發(fā)動機(jī)處于正常燃燒狀況下進(jìn)行對比試驗，結(jié)果如圖12 所示.在相同的缸內(nèi)燃燒狀態(tài)下，電阻法所測得的離子電流信號電壓強(qiáng)度比采用電容時所檢測到的要強(qiáng).由于離子電流并非交流電，電容的容抗會對其產(chǎn)生一定的阻礙作用，因此測得的信號幅值比起電阻分壓得到的信號幅值要小.但是從背景的干擾影響來看，采用電阻分壓時，未燃燒時信號的震蕩干擾明顯比采用電容時的信號要大，這是由于電容本身具有的濾波特性所致.所以，采用電容分壓可以減小背景干擾，但是同時也減小了離子電流信號電壓的強(qiáng)度.

在發(fā)動機(jī)工作過程中，避免不了爆震現(xiàn)象的發(fā)生.為此進(jìn)行發(fā)動機(jī)處于爆震燃燒狀況下的電阻法與電容法對離子電流信號的檢測效果，試驗結(jié)果分別如圖13和圖14所示.

圖13 正常燃燒時離子電流檢測方法對比Fig.13 Comparison of ion current detection methods during normal combustion

從圖14中可以發(fā)現(xiàn)，由于電容其自身的濾波特性，當(dāng)發(fā)生爆震燃燒時離子電流出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，電容對該信號進(jìn)行了濾波，不能直觀地反映該現(xiàn)象，而電阻不存在濾波能力，所以使采用電容法對爆震信號的檢測和分析明顯變得困難.

圖14 爆震燃燒時離子電流檢測方法對比Fig.14 Comparison of ion current detection methods during knock combustion

2.4 軟件消除零點漂移

零點漂移是指當(dāng)放大電路輸出信號為零時，由于受溫度變化，電源電壓不穩(wěn)定等因素的影響，使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象［10］.

在有些情況下用硬件的方法是不可能完全滿足系統(tǒng)的要求的，必須結(jié)合軟件的方法才能更好地達(dá)到系統(tǒng)的要求.去除采集信號中零點漂移的軟件方法有基線去零點漂移和斜率去零點漂移方法，其設(shè)計流程如圖15所示［11］.

圖15 去除零點漂移的軟件設(shè)計流程圖Fig.15 Design flow for the program of zero drift elimination

設(shè)采樣的時間周期為T，采集時長為t，觸發(fā)采集時刻為t1，結(jié)束采集時刻為t2，總采集樣本數(shù)目為N.設(shè)第一零點的均值μx1與第二零點的均值μx2之間的平均值為μx12，當(dāng)兩零點之間的差分δ12的值小于均值μx的2%時，意味著第一零點與第二零點基本上處于同一水平，此時采集系統(tǒng)中存在基線零點漂移.然則，系統(tǒng)存在斜率零點漂移.則去除基于基線的零點漂移后采樣信號y（i）為

如果信號采集系統(tǒng)中存在斜率漂移，則零點漂移隨采集的時間以一定的斜率變化.根據(jù)第一零點與第二零點，求得斜率k

則去掉基于斜率的零點漂移后采集信號y（i）為

圖16為當(dāng)發(fā)生漂移以后，根據(jù)去除零漂軟件設(shè)計程序所獲得的對比試驗.從圖中可以看出，采樣離子電流發(fā)生了約2.5V 的基線漂移.采用零點漂移處理后獲得了較好的離子電流信號.

圖16 離子電流信號零漂處理前后對比Fig.16 Ion current before and after zero drift elimination

3 最終設(shè)計方案

離子電流檢測電路主要包括外接偏置電源、高壓隔離裝置、分壓電路以及信號預(yù)處理電路等組成部分.其中，高壓隔離電路由高壓硅堆和的高壓電阻組成，硅堆型號為2CL2FK，反向擊穿電壓為40kV，將其與10 MΩ 高壓電阻并聯(lián)，其作用是防止點火系統(tǒng)點火線圈放電瞬間所產(chǎn)生的高壓損害檢測系統(tǒng).為了抑制點火放電干擾，在次級線圈與火花塞間串連了一個5pF 的陶瓷電容消除點火次級線圈震蕩而引起的負(fù)面影響.偏置電源的作用為產(chǎn)生0～800 V 的可調(diào)的直流電壓，使得缸內(nèi)的自由離子產(chǎn)生定向移動.分壓電路由分壓電阻與被測電阻組成，R1為分壓電阻，R2表示被測電阻，通過調(diào)節(jié)二者的大小以獲得適當(dāng)電壓范圍內(nèi)的離子電流信號.此外，在進(jìn)行信號采集過程中采用了軟件消除零點漂移處理技術(shù).檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖17所示.

圖17 離子電流檢測系統(tǒng)示意圖Fig.17 Configuration of ion current detection system

4 臺架結(jié)果分析

本研究通過改造一臺雙缸柴油機(jī)，其中一缸通過進(jìn)氣加熱方式實現(xiàn)了汽油HCCI燃燒.發(fā)動機(jī)參數(shù)如下：沖程，4；單缸排量，0.808L；缸徑，95 mm；行程，114 mm；壓縮比，13.8∶1；每缸氣門數(shù)，2；燃油噴射方式，進(jìn)氣道噴射；噴射壓力，0.3 MPa；燃油，97＃無鉛汽油.利用優(yōu)化后的電阻法離子電流檢測系統(tǒng)，針對HCCI燃燒臨界工況進(jìn)行了離子電流檢測試驗研究.圖18為試驗臺架系統(tǒng)示意.發(fā)動機(jī)空載轉(zhuǎn)速為1 200r·min－1，冷卻水溫60℃，離子電流偏置電壓500V，試驗結(jié)果如圖19所示.

圖18 試驗臺架系統(tǒng)示意圖Fig.18 Engine test bench setup

從圖19中可以發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)的3個正常燃燒循環(huán)中，離子電流的最大值和氣缸壓力峰值呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系，由于實施了以上所述抗干擾方法，點火放電干擾得到了很好的抑制，高壓隔離模塊對整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實行了很好的保護(hù)，當(dāng)初始檢測信號發(fā)生漂移時，由于采用了軟件消除零點漂移方法，消除了離子電流出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象.

圖19 離子電流檢測信號Fig.19 Ion current detection signal

5 結(jié)論

經(jīng)過對整個離子電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計，在基于HCCI發(fā)動機(jī)臺架離子電流檢測試驗，獲得了信噪比很高的信號；電容對點火放電過濾效果顯著，高壓隔離模塊對整個檢測系統(tǒng)和采集系統(tǒng)進(jìn)行了很好的保護(hù)；在發(fā)生爆燃時利用電容法檢測的離子電流不能反映缸內(nèi)爆震燃燒狀態(tài)；采用軟件消除零點漂移可以很好地防止零漂.

［1］ Ashish Gupta.Measurement and analysis of ionization current signal in a single cylinder diesel engine［D］.Detroit：Wayne State University，2008.

［2］ Ville Vartiovaara.DIY ion sensing ignition subsystem［J］.DIY Ion Sensing Ignition Subsystem，2002（2）：3.

［3］ 杜義輝.汽車電磁兼容技術(shù)不容忽視［J］.中國電子商情，2008（6）：40.DU Yihui.Automotive EMC technology can not be ignored［J］.China Electronic Trade，2008（6）：40.

［4］ 陳渝光.汽車電器與電子設(shè)備［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.CHEN Yuguang. Automotive electrical and electronic equipment［M］.Beijing：China Machine Press，1991.

［5］ 汪泉弟，劉慶生，賈晉，等.抑制汽車點火系統(tǒng)電磁干擾的光電隔離方法［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2011，34（2）：14.WANG Quandi，LIU Qingsheng，JIA Jin，et al.The optical isolation method of suppressing electromagnetic of automotive ignition system［J］.Journal of Chongqing University，2011，34（2）：14.

［6］ 董光宇.基于缸內(nèi)燃燒循環(huán)的離子電流燃燒檢測與反饋控制研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，2010.DONG Guangyu.Cycle based ion sensing and feedback control for gasoline engines［D］.Shanghai：College of Automotive Studies of Tongji University，2010.

［7］ 吳筱敏，李福明，余鵬.干擾及偏置電壓對火花塞檢測信號影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2001，22（4）：55.WU Xiaomin，LI Fuming，YU Peng.Experimental study on influence of interference and bias voltage on detective signal of spark plug［J］.Internal Combustion Engineering，2001，22（4）：55.

［8］ 李樹洲，桑懷勝.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾性能評估方法研究［J］.無線電工程，2006，6（9）：37.LI Shuzhou，SANG Huaisheng.Study of the anti－jamming performance evaluation methods for satellite navigation receiver［J］.Radio Engineering，2006，6（9）：37.

［9］ 王幸之.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.WANG Xingzhi.Electromagnetic interference and jamming technology of microcomputer application system［M］.Beijing：Beihang University Press，2006.

［10］ 姚婭川，羅毅.模擬電子技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.YAO Yachuan，LUO Yi.Analog electronics technology［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2010.

［11］ 張春飛，羅家融.軟件去除零點漂移的討論［J］.計算機(jī)測量與控制，2004，12（7）：684.ZHANG Chunfei，LUO Jiarong.Discussion on the method of eliminating zero－offset based on software ［J］.Computer Measurement and Control，2004，12（7）：684.