離子電流檢測系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

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(diǎn)火式發(fā)動機(jī)中，當(dāng)燃燒發(fā)生時(shí)，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(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的實(shí)時(shí)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(xiàng)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(shí)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(shí)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(shí)，必然會有火花點(diǎn)火.由于采用火花塞作為離子電流傳感器，點(diǎn)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(gè)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(jià)方法

1.1 點(diǎn)火系統(tǒng)瞬時(shí)高壓干擾

發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)主要由蓄電池、點(diǎn)火控制模塊、點(diǎn)火開關(guān)、點(diǎn)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(diǎn)火線圈；R1表示初級繞阻電阻；Rf表示附加電阻；K表示點(diǎn)火開關(guān)；C1表示火花塞電極兩端.

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

點(diǎn)火系統(tǒng)工作時(shí)，點(diǎn)火控制模塊送出一個(gè)高電平，點(diǎn)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(shí)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(diǎn)火信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，點(diǎn)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(diǎn)燃.同時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)火系統(tǒng)高頻干擾

圖2是火花點(diǎn)火高頻振蕩信號.由圖可見，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時(shí)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(diǎn)火造成的瞬時(shí)高壓和高頻干擾進(jìn)行抑制.

圖2 火花點(diǎn)火信號Fig.2 Spark ignition signal

1.3 抗干擾的評價(jià)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(shí)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(jì)

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(diǎn)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(diǎn)火隔離

在采用火花塞作為離子電流傳感器時(shí)，點(diǎn)火放電干擾會顯著影響離子電流信號波形.點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)火后采用一個(gè)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(diǎn)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?yàn)橐种泣c(diǎn)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(diǎn)火抑制試驗(yàn).

圖5a為僅有點(diǎn)火放電無燃燒時(shí)，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(shí)，點(diǎn)火后的離子電流波形與圖4中未使用陶瓷電容時(shí)差別較小，說明點(diǎn)火干擾的影響仍然存在.而在電容增大到5pF 時(shí)，信號波形的持續(xù)期明顯縮短，點(diǎn)火放電后電壓快速下降到接近0的位置，這表明點(diǎn)火的影響得到了明顯抑制.當(dāng)采用10pF電容時(shí)，可以看到信號波形與采用5pF電容時(shí)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(shí)，離子電流被點(diǎn)火干擾信號淹沒.當(dāng)采用5pF 電容時(shí)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(shí)，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(diǎn)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(shí)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(diǎn)火放電干擾加以抑制.

2.2 RC低通濾波

由于試驗(yàn)采用的發(fā)動機(jī)臺架系統(tǒng)及試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)，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(yàn)的結(jié)果，本試驗(yàn)采用的是4個(gè)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(gè)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(gè)均為1 000pF 的電容進(jìn)行串聯(lián)，分別測量1，2，3，4個(gè)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(yàn)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(yàn)，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(shí)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(shí)，未燃燒時(shí)信號的震蕩干擾明顯比采用電容時(shí)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(shí)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(yàn)結(jié)果分別如圖13和圖14所示.

圖13 正常燃燒時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是指當(dāng)放大電路輸出信號為零時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)漂移的軟件方法有基線去零點(diǎn)漂移和斜率去零點(diǎn)漂移方法，其設(shè)計(jì)流程如圖15所示［11］.

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

設(shè)采樣的時(shí)間周期為T，采集時(shí)長為t，觸發(fā)采集時(shí)刻為t1，結(jié)束采集時(shí)刻為t2，總采集樣本數(shù)目為N.設(shè)第一零點(diǎn)的均值μx1與第二零點(diǎn)的均值μx2之間的平均值為μx12，當(dāng)兩零點(diǎn)之間的差分δ12的值小于均值μx的2%時(shí)，意味著第一零點(diǎn)與第二零點(diǎn)基本上處于同一水平，此時(shí)采集系統(tǒng)中存在基線零點(diǎn)漂移.然則，系統(tǒng)存在斜率零點(diǎn)漂移.則去除基于基線的零點(diǎn)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(diǎn)漂移隨采集的時(shí)間以一定的斜率變化.根據(jù)第一零點(diǎn)與第二零點(diǎn)，求得斜率k

則去掉基于斜率的零點(diǎn)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(jì)程序所獲得的對比試驗(yàn).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(diǎn)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(jì)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(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)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(diǎn)火放電干擾，在次級線圈與火花塞間串連了一個(gè)5pF 的陶瓷電容消除點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(yàn)研究.圖18為試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果如圖19所示.

圖18 試驗(yàn)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(gè)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(shí)施了以上所述抗干擾方法，點(diǎn)火放電干擾得到了很好的抑制，高壓隔離模塊對整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)行了很好的保護(hù)，當(dāng)初始檢測信號發(fā)生漂移時(shí)，由于采用了軟件消除零點(diǎn)漂移方法，消除了離子電流出現(xiàn)零點(diǎn)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(gè)離子電流檢測系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，在基于HCCI發(fā)動機(jī)臺架離子電流檢測試驗(yàn)，獲得了信噪比很高的信號；電容對點(diǎn)火放電過濾效果顯著，高壓隔離模塊對整個(gè)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(shí)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(diǎn)漂移可以很好地防止零漂.

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