改進(jìn)型離子電流檢測(cè)系統(tǒng)在汽油機(jī)爆震檢測(cè)中的應(yīng)用研究*

李 超，陸海峰，張光攀，胡宗杰，李理光,2

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092)

2016197

改進(jìn)型離子電流檢測(cè)系統(tǒng)在汽油機(jī)爆震檢測(cè)中的應(yīng)用研究*

李 超1，陸海峰1，張光攀1，胡宗杰1，李理光1,2

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2. 同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092)

采用一種改進(jìn)型的串聯(lián)式離子電流檢測(cè)系統(tǒng)，在一臺(tái)1.3L四缸增壓汽油機(jī)上開(kāi)展了離子電流信號(hào)的典型特性，尤其是爆震工況下特性的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該檢測(cè)系統(tǒng)離子電流的頻率特性可較好地判定中強(qiáng)爆震工況，但在輕微爆震工況有一定的局限；離子電流積分值能進(jìn)一步提高爆震工況判定的準(zhǔn)確率，達(dá)到87.2%。針對(duì)爆震強(qiáng)度的識(shí)別，離子電流峰值和平均幅值與爆震強(qiáng)度有很強(qiáng)的正相關(guān)性，采用加權(quán)平均的數(shù)學(xué)方法能優(yōu)化離子電流爆震關(guān)鍵值與爆震強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)，使其由0.811提高到0.843。

離子電流；爆震；頻率特性；相關(guān)性

前言

汽油機(jī)小型化是當(dāng)前用來(lái)改善燃油經(jīng)濟(jì)性、滿足排放法規(guī)并具有可接受的成本與效益比的方法之一[1]，但往往需要通過(guò)增壓和提高壓縮比等途徑來(lái)保證小型化汽油機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，而增壓或提高壓縮比會(huì)大大增加汽油機(jī)發(fā)生爆震的傾向，這也是限制汽油機(jī)性能提高的主要障礙[2]?；鸹ㄈ诫x子電流檢測(cè)法將發(fā)動(dòng)機(jī)自有的火花塞作為傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，成本低，響應(yīng)性能較好[3]，得到的離子電流特征值可表征缸內(nèi)壓力[4]、空燃比[5]和非正常燃燒信息[6]等。

離子電流法近來(lái)在發(fā)動(dòng)機(jī)HCCI燃燒相位的閉環(huán)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震檢測(cè)等方面得到了應(yīng)用[7-8]。爆震時(shí)產(chǎn)生的壓力振蕩波在缸內(nèi)反復(fù)傳播，火焰附近離子濃度發(fā)生相應(yīng)變化，離子電流亦產(chǎn)生相應(yīng)的劇烈波動(dòng)，爆震信號(hào)就隱藏在離子電流信號(hào)中。當(dāng)前離子電流的研究中，多采用隔離硅堆式檢測(cè)系統(tǒng)，但這種檢測(cè)電路體積過(guò)大，不利于集成化，同時(shí)因硅堆的存在導(dǎo)致數(shù)據(jù)變動(dòng)率偏大，需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

本次試驗(yàn)中采用一種改進(jìn)型串聯(lián)式的離子電流檢測(cè)系統(tǒng)，在一臺(tái)四缸小型汽油機(jī)上，實(shí)時(shí)采集燃燒過(guò)程中的離子電流信號(hào)，分析了這種檢測(cè)系統(tǒng)在失火工況和正常燃燒工況下的典型特性，并研究了爆震工況下的離子電流頻率及幅值特性，進(jìn)一步探究了這種改進(jìn)型的離子電流檢測(cè)系統(tǒng)在爆震檢測(cè)及判定中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)臺(tái)架及離子電流檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架介紹

表1列出試驗(yàn)汽油機(jī)的技術(shù)參數(shù)，圖1示出試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)示意。試驗(yàn)中主要對(duì)第3缸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用凱邁交流電力測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)Kistler6125型缸壓傳感器，并配合Kistler5007型電荷放大器對(duì)缸內(nèi)壓力進(jìn)行測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓、曲軸轉(zhuǎn)角、離子電流和光電編碼器與爆震傳感器等信號(hào)均通過(guò)NIPCI-6250高速數(shù)據(jù)采集卡同步采集。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意

1.2 離子電流檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)特征

圖2為試驗(yàn)中采用的離子電流檢測(cè)電路示意。以發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞作為傳感器對(duì)離子電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)電路主要由電容、二極管和滑動(dòng)變阻器等元件組成。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中充分利用電容的特性：在火花塞點(diǎn)火放電階段，放電產(chǎn)生的電流給電容充電；點(diǎn)火放電結(jié)束后，電容成為電源，混合氣中的帶電離子和電子定向移動(dòng)形成離子電流。經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證得知，電路中的電容充電能量?jī)H為0.5mJ，相對(duì)于火花塞的點(diǎn)火能量，不足以影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常點(diǎn)火；此外，每循環(huán)電容的放電過(guò)程也未全部釋放其所含的能量，僅消耗10%的能量即已完成該循環(huán)的數(shù)據(jù)采集。因而，這種離子電流檢測(cè)電路每循環(huán)實(shí)際所消耗的能量?jī)H為0.05mJ，約為原始點(diǎn)火能量的1.5‰。

圖2 離子電流檢測(cè)電路示意

試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集頻率為200kHz，包括缸內(nèi)壓力、離子電流、點(diǎn)火電流、爆震傳感器信號(hào)等。同時(shí)采集丟火和正常燃燒兩種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中缸內(nèi)壓力、離子電流和點(diǎn)火電流均是以電壓信號(hào)形式采集，如圖3所示。由于無(wú)法隔離點(diǎn)火帶來(lái)的信號(hào)干擾，丟火工況的離子電流信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一峰值為點(diǎn)火蓄能干擾，第二峰值為點(diǎn)火放電干擾，這種電路特性可用來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的OBD檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)刻；由圖3對(duì)比分析可知，采集的正常燃燒信號(hào)中包含了與燃燒相關(guān)的離子電流。

為定量分析離子電流特征值與爆震強(qiáng)度在爆震工況下的變化情況，采用線性相關(guān)分析方法對(duì)二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析。一般認(rèn)為：當(dāng)線性相關(guān)系數(shù)大于0.8時(shí)，可判定為高度相關(guān)[9]。

2 爆震模型與強(qiáng)度指標(biāo)

爆震試驗(yàn)中采集的信號(hào)均包含高頻爆震振蕩成分，因此對(duì)爆震工況采集的信號(hào)進(jìn)行快速Fourier變換得到缸內(nèi)壓力和爆震傳感器信號(hào)的頻率特性，分析結(jié)果如圖4所示。在6～8kHz頻帶范圍，缸壓和爆震傳感器信號(hào)均出現(xiàn)高頻振蕩峰值，說(shuō)明爆震的高頻振蕩信號(hào)主要集中在這一頻帶范圍內(nèi)。

圖4 缸內(nèi)壓力、爆震傳感器信號(hào)及頻率特性

因此，采用帶通頻率為5～9kHz的帶通濾波器，對(duì)爆震傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波處理。如圖4(b)所示，取濾波后的爆震信號(hào)最大幅值KS為爆震的判定和強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]。單循環(huán)中的KS值小于0.05時(shí)，視為正常燃燒；KS值介于0.05和0.2之間時(shí)為輕微強(qiáng)度爆震；KS值介于0.2和0.5之間時(shí)為中等強(qiáng)度爆震；KS值大于0.5時(shí)為高強(qiáng)度爆震。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)工況：轉(zhuǎn)速為1 500r/min，BMEP為1.2MPa，缸內(nèi)混合氣為理論空燃比。通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角，來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和爆震強(qiáng)度。

3.1 爆震工況判定

考慮到這種離子電流檢測(cè)系統(tǒng)受點(diǎn)火電流的干擾，原始離子電流信號(hào)中除了包含與燃燒相關(guān)的離子電流信號(hào)外，還存在兩個(gè)峰值，因而有必要對(duì)丟火工況的離子電流信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。經(jīng)快速Fourier變換后得到離子電流檢測(cè)電路的振蕩幅頻特性，分析結(jié)果如圖5所示。5～8kHz和18～22kHz頻帶范圍內(nèi)均出現(xiàn)振蕩強(qiáng)度峰值?？梢哉J(rèn)為電路振蕩出現(xiàn)兩個(gè)強(qiáng)度不同的頻率帶，是因?yàn)樵邳c(diǎn)火蓄能階段，離子電流電路受到火花塞初級(jí)線圈蓄能干擾；點(diǎn)火結(jié)束時(shí)，離子電流電路則受到火花塞次級(jí)線圈放電干擾，此外兩次干擾過(guò)程中，火花塞電極附近的離子特性和濃度有著極大的差別。

圖5 丟火工況的離子電流及頻譜特性

因此，以帶通頻率為5～9kHz的帶通濾波器，對(duì)丟火工況、輕微爆震和中度爆震3種工況的離子電流信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，濾波結(jié)果如圖6所示。本文中嘗試提取離子電流振蕩的最大幅值[8]，提取窗口為爆震傳感器信號(hào)的振蕩區(qū)間。由圖6(b)可知，輕微爆震工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒已出現(xiàn)明顯的爆震傾向，而離子電流信號(hào)因受到電路振蕩的干擾，無(wú)法提取出明顯的振蕩信號(hào)；但在中等強(qiáng)度爆震工況，離子電流帶通濾波結(jié)果中則有明顯的振蕩。

圖6 離子電流及爆震傳感器信號(hào)的濾波結(jié)果

取0.2V為爆震指標(biāo)KS判定中等強(qiáng)度爆震的閾值，圖7為利用離子電流高頻振蕩幅值判定中等強(qiáng)度爆震工況的結(jié)果，取0.18V為離子電流振蕩幅值的閾值。判定結(jié)果顯示，濾波后得到的離子電流振蕩信號(hào)能較好的識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震工況，但這種識(shí)別手段在輕微爆震工況中的應(yīng)用有一定的局限性。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高強(qiáng)度的爆震循環(huán)，離子電流信號(hào)會(huì)出現(xiàn)超量程的現(xiàn)象，圖8為高強(qiáng)度爆震工況采集的信號(hào)示意。利用離子電流的這種特性有助于判斷發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度爆震的發(fā)生。同時(shí)需要注意到，高強(qiáng)度爆震工況下的缸內(nèi)壓力振蕩卻不甚明顯，壓力波動(dòng)導(dǎo)致的“鋸齒”較小，可認(rèn)為這是中置的火花塞集成式缸壓傳感器固有的屬性所致。

圖8 高強(qiáng)度爆震工況的信號(hào)示意

試驗(yàn)結(jié)果表明，離子電流積分值與發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)是否發(fā)生爆震有著明顯的相關(guān)性。取0.05V為爆震指標(biāo)KS判定爆震工況的閾值，圖9為利用離子電流積分值判定爆震工況的結(jié)果。在轉(zhuǎn)速為1 500r/min，BMEP為1.2MPa的工況，取68V·°CA為離子電流積分值的爆震閾值時(shí)，109個(gè)循環(huán)是否發(fā)生爆震的判定準(zhǔn)確率能達(dá)到87.2%(95/109)。這說(shuō)明離子電流積分值與缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的離子數(shù)量密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震時(shí)，缸內(nèi)燃燒急劇發(fā)展，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的離子數(shù)量和濃度遠(yuǎn)高于同負(fù)荷下的正常燃燒工況。

圖9 基于離子電流積分值的爆震判定結(jié)果

3.2 爆震強(qiáng)度識(shí)別分析

上述分析表明離子電流有助于發(fā)動(dòng)機(jī)爆震工況的判定，本文中亦嘗試?yán)秒x子電流幫助識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震強(qiáng)度，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的中小強(qiáng)度爆震工況。圖10為分析中涉及的爆震相關(guān)特征值的示意圖，選取離子電流峰值Imax和離子電流積分值Iint作為離子電流的爆震特征值；取缸內(nèi)壓力振蕩的最大幅值KP[11]作為爆震強(qiáng)度識(shí)別分析的參考。

圖10 爆震工況的相關(guān)特征值示意

定義單循環(huán)內(nèi)離子電流的平均幅值由離子電流積分值Iint，Ion10和Ion90(10%和90%離子電流累積生成量對(duì)應(yīng)的相位)通過(guò)式(1)計(jì)算得到。可以認(rèn)為離子電流峰值能反映單個(gè)循環(huán)缸內(nèi)燃燒的最快速率，平均幅值則能在一定程度上反應(yīng)單個(gè)循環(huán)缸內(nèi)燃燒的平均速率。

(1)

圖11 離子電流峰值Imax、平均幅值與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)性

(2)

圖12為離子電流KI值與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)系數(shù)隨a值的變化曲線，基于Matlab的程序計(jì)算結(jié)果得知，a取值0.620時(shí)，離子電流KI值與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)系數(shù)最大。圖13為離子電流KI值、缸壓KP與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)性分析結(jié)果，權(quán)重處理得到的離子電流KI值與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.843，而相同循環(huán)得到的缸壓振幅KP與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)系數(shù)為0.838。

圖12 離子電流KI值的優(yōu)化計(jì)算

圖13 離子電流KI值、缸壓振幅KP與爆震指標(biāo)KS的相關(guān)性

因此加權(quán)平均的數(shù)學(xué)方法適用于離子電流的信號(hào)處理，優(yōu)化后的離子電流KI值能進(jìn)一步提高與發(fā)動(dòng)機(jī)爆震強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算中無(wú)需頻譜特性分析和濾波處理，有利于工業(yè)化的嵌入式系統(tǒng)集成。

4 結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)中采用這種改進(jìn)型的串聯(lián)式離子電流檢測(cè)系統(tǒng)，由頻率特性分析、幅值特性分析和數(shù)學(xué)方法優(yōu)化的結(jié)果可得如下結(jié)論。

(1)檢測(cè)系統(tǒng)采集的離子電流信號(hào)能有效反應(yīng)出缸內(nèi)燃燒狀態(tài)；離子電流高頻振蕩信號(hào)能較好地識(shí)別出中高強(qiáng)度爆震，但在輕微爆震工況中有一定的局限性。

(2)離子電流積分值Iint有助于區(qū)分發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震與非爆震工況，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的實(shí)時(shí)診斷，試驗(yàn)中的判定準(zhǔn)確率能達(dá)到87.2%。

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The Applications of a Modified Ion Current Detecting System to the Detection of Gasoline Engine Detonation

Li Chao1, Lu Haifeng1, Zhang Guangpan1, Hu Zongjie1& Li Liguang1,2

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.CDHK,TongjiUniversity,Shanghai200092

A modified serial-type of ion current detecting system is adopted to conduct an experimental study on the typical characteristics, in particular, the characteristics in detonation condition of ion current signals in a 1.3L four-cylinder supercharged gasoline engine. The results show that with the detecting system, the frequency characteristics of ion current can better judge the detonation of medium intensity but has certain limitation for light detonation. Using the integral value of ion current can further enhance the judgment accuracy of detonation condition up to 87.2%. In terms of the identification of detonation intensity, the peak value and the average amplitude of ion current have very strong positive correlation with detonation intensity, and by optimization using weighted average method, the correlation coefficient between ion current key value and detonation intensity can be raised from 0.811 to 0.843.

ion current; detonation; frequency characteristics; correlation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51376139)和KSPG教席基金資助。

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月9日。