火花塞離子電流研究進展

劉純志，簡曉春，鄭佰平，房 科

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

0 引 言

隨著對汽車動力性和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高，發(fā)動機在不同程度上對缸內(nèi)燃燒過程進行著電子控制?，F(xiàn)在的發(fā)動機電控技術(shù)是建立在大量使用傳感器的基礎(chǔ)上，不僅使發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復(fù)雜，成本升高，而且部分傳感器的使用還會影響缸內(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)動機燃燒狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)之一，開展這方面的研究對于精確、實時地進行發(fā)動機控制有著重要意義。

1 離子電流產(chǎn)生機理及檢測方法

發(fā)動機缸內(nèi)的混合氣在燃燒時，會發(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)的可燃氣體具有一定的導(dǎo)電性。如果在火花塞兩極間添加一個偏置電壓，帶電粒子就會在電場的作用下發(fā)生定向移動，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，NP+濃度達到最大，而對應(yīng)的離子電流也達到峰值。

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等人在點火次級線圈后串聯(lián)了1個高壓二極管，同時使用2個電容組成分壓電路，但是這種電路選擇的電容必須耐高壓[2]。日本大發(fā)發(fā)動機公司的Morito Asano等人則在次級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]。卡爾斯魯厄大學(xué)Herko Kubach等人則添加了額外的火花塞，并運用外部直流電源維持火花塞間隙間的電場，由于不與點火系統(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火時產(chǎn)生的高壓，并且并聯(lián)了電阻進行保護，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)的李建文則做了進一步的改進，在此基礎(chǔ)上使用了2個高壓硅堆離子，電流信號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火系統(tǒng)無關(guān)和與點火系統(tǒng)相關(guān)兩大類。其具體分類及優(yōu)缺點如表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)動機燃燒和運轉(zhuǎn)的信息，可以通過信號采集和處理，提取我們所關(guān)心的發(fā)動機運行參數(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行了對比，結(jié)果證實了離子電流法在爆燃檢測中是一種可行的方法[8]。隨后又運用火花塞作為傳感器檢測多個參數(shù)，從理論上研究了空燃比、燃燒時刻、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則利用爆燃時離子電流波形與正常燃燒時的電流波形有明顯的區(qū)別，將離子電流信號上的高頻信號進行頻域分析確定爆燃時離子電流信號的頻率范圍，并對失火時和正常燃燒時的離子電流波形進行比較，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個波形的區(qū)別很大[10]。通過研究表明離子電流可以有效地檢測發(fā)動機的失火和爆燃。

Ford公司的Robert L.Anderson利用離子電流研究發(fā)動機缸內(nèi)的燃燒特性，得到了離子電流信號與曲軸轉(zhuǎn)角、缸內(nèi)壓力、燃燒時間之間的關(guān)系[11]。Eric N.Balles等用離子電流計算了缸內(nèi)空燃比近似值，試驗測得的數(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[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)荷運轉(zhuǎn)時缸內(nèi)壓力預(yù)測值的絕對值和缸內(nèi)壓力實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用進行了深入的研究。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離子電流的變化，可以用于檢測發(fā)動機爆燃[15]。隨后在試驗時對有爆燃和無爆燃工況的離子電流信號進行快速傅里葉變換，結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在10～11 Hz是該試驗發(fā)動機的爆燃離子電流信號的頻率范圍；進一步通過調(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波形，發(fā)現(xiàn)離子電流信號可以進行缸內(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)動機燃燒時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[17]。吳筱敏等研究發(fā)現(xiàn)火焰前鋒和后區(qū)的信號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時均達最大值，可以用該信號實現(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個參數(shù)的變化，來研究空燃比和離子電流信號的關(guān)系，試驗表明離子電流信號的第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)動機控制

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

2.2.1 點火提前角的控制

Lars Eriksson等在離子電流控制點火提前角這一領(lǐng)域中做了大量的研究。他們利用發(fā)動機工作時的缸內(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)典離子電流的計算公式（8）。在此基礎(chǔ)上利用離子電流信號來實時估算壓力峰值，再加一個簡單的 PI調(diào)節(jié)器對點火提前角進行閉環(huán)控制，并在試驗中證實了水霧對結(jié)果影響不是很大[21-22]。Naeim A.Henein等通過一個單缸發(fā)動機上的試驗表明，負(fù)極性時測得的離子電流同樣能用于點火系統(tǒng)的反饋控制[23]。Guoming G .Zhu等利用離子電流信號，將閉環(huán)MBT（最佳轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的最小點火提前）時間控制、極限爆燃限制控制和點火延遲限制控制一起控制點火，以獲得最佳的燃油經(jīng)濟性[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.等在一臺單缸發(fā)動機上利用空燃比與后火焰期的離子電流在同一時間窗口下的積分值的非線性關(guān)系來估算空燃比，然后用估計值進行空燃比的控制，并取得了良好的效果[25]。Dirk Schneider等通過離子電流信號的實時測量，實現(xiàn)空燃比的估計[26]。結(jié)果表明，當(dāng)空燃比大于0.88時，計算10個周期的平均預(yù)測值，空燃比估計值的變動系數(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的強度加強；通過測量離子電流，可以控制空燃比并使其接近稀燃極限，通過進一步獨立控制每缸的空燃比，能大幅度改善內(nèi)燃機排放與燃料消耗率[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達到峰值時間大小的計算，提出了判斷混合氣是濃是稀的識別方法，并采用分段法和定值法計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)動機運行中的基本參數(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)離子電流信號所攜帶的信息來檢測發(fā)動機的爆燃、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對發(fā)動機的點火提前角和空燃比進行閉環(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)動機運行參數(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)動機進行精確、綜合的控制，是今后需要進一步深入研究的。

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