基于離子電流的缸內(nèi)異常燃燒診斷

童孫禹　李海邈　楊昭輝　胡宗杰　李理光

（同濟(jì)大學(xué)，上?！?01804）

基于離子電流的缸內(nèi)異常燃燒診斷

童孫禹李海邈楊昭輝胡宗杰李理光

（同濟(jì)大學(xué)，上海201804）

在一臺(tái)渦輪增壓PFI發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝火花塞式離子電流傳感器，在不同燃燒狀況下對(duì)比離子電流信號(hào)與缸壓信號(hào)及燃燒特征值的關(guān)系。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，隨著負(fù)荷的增加，離子電流信號(hào)積分值和平均指示有效壓力均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；通過(guò)分析離子電流波形，能分別識(shí)別由火花塞未發(fā)生點(diǎn)火或噴油器未噴油或混合氣過(guò)稀造成的失火循環(huán)。進(jìn)一步試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)離子電流信號(hào)能夠提前識(shí)別早燃循環(huán)。

主題詞：發(fā)動(dòng)機(jī)離子電流失火診斷

1　前言

小排量增壓汽油機(jī)由于熱負(fù)荷的大幅提升會(huì)受到一種非正常的燃燒現(xiàn)象——早燃的困擾［1～3］。因此，需要對(duì)缸內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行精確的檢測(cè)和識(shí)別，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

離子電流作為一種有效的缸內(nèi)燃燒狀況檢測(cè)方法很早就被提出并對(duì)其進(jìn)行了大量研究，Lars Eriksson等［4～5］利用離子電流法在點(diǎn)火閉環(huán)控制上的實(shí)現(xiàn)，建立了參數(shù)化模型來(lái)描述離子電流。Shimasaki Y等人［6］研究發(fā)現(xiàn)，離子電流信號(hào)極值和到達(dá)時(shí)間取決于空燃比，當(dāng)空燃比為12、13時(shí)，離子電流信號(hào)達(dá)到最大值。Tetsuo Kuma等人［7］得出離子電流可以用于火花塞附近混合氣空燃比測(cè)量的結(jié)論，并且通過(guò)采用離子電流能夠使空燃比控制在稀薄燃燒極限。Andre Saitzkoff［8］通過(guò)試驗(yàn)得到可以通過(guò)離子電流來(lái)推算發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壓力，表明利用離子電流可以替代傳統(tǒng)缸壓傳感器。Stefan Byttner等人［9～10］得出了離子電流積分值的波動(dòng)與平均有效壓力的波動(dòng)有很大關(guān)系。Giglio V等人［11］和Alexander Hettinger［12］用試驗(yàn)驗(yàn)證了用離子電流能檢測(cè)爆震；吳筱敏等［13］采用離子電流法和機(jī)體振動(dòng)法同時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震，結(jié)果表明離子電流法具有安裝方便、信噪比高、信號(hào)處理簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

本文對(duì)正常燃燒循環(huán)及失火燃燒循環(huán)中離子電流與缸壓信號(hào)的相關(guān)性進(jìn)行研究，并分析離子電流信號(hào)與早燃循環(huán)的關(guān)系。

2　試驗(yàn)及分析

2.1正常燃燒循環(huán)離子電流特征值分析

本試驗(yàn)臺(tái)架中發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)是某國(guó)產(chǎn)的1.8 T渦輪增壓PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)功機(jī)為南豐提供的電力測(cè)功機(jī)，通過(guò)AVL油耗儀來(lái)供油，油壓為0.4 MPa，通過(guò)改造冷卻水路和進(jìn)氣中冷使得發(fā)動(dòng)機(jī)能正常運(yùn)行。通過(guò)Kistler火花塞式缸壓傳感器測(cè)量缸壓，集成在點(diǎn)火線圈中的離子電流采集電路采集離子電流信號(hào)，光電編碼器用來(lái)同步信號(hào)并確定曲軸上止點(diǎn)位置。臺(tái)架系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　臺(tái)架系統(tǒng)示意

發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如表1所列。

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

由于缸內(nèi)混合氣在火花點(diǎn)火、火核形成及火焰?zhèn)鞑サ热紵^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子（如CH3+、CH2O+、C3H3+、H2O+和NO+等離子及自由電子），且其存在于火焰前鋒區(qū)和已燃區(qū)，因此燃?xì)饩哂幸欢ǖ膶?dǎo)電性［8］。當(dāng)火花塞兩極上加上直流偏置電壓，則火花塞間隙內(nèi)就會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，正離子向陰極方向運(yùn)動(dòng)，電子和負(fù)離子向陽(yáng)極方向運(yùn)動(dòng)，形成火花塞離子電流。

圖2為離子電流檢測(cè)系統(tǒng)，其包括電容、二極管、分壓電阻以及信號(hào)處理電路等。其工作原理為火花塞點(diǎn)火時(shí)，電容進(jìn)行充電；當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生燃燒出現(xiàn)自由離子，電容放電與分壓電阻形成回路，此時(shí)測(cè)試分壓電阻的電壓值并經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路放大即可獲得離子電流信號(hào)。

圖2　離子電流檢測(cè)系統(tǒng)電路圖

本文在調(diào)整離子電流檢測(cè)電路參數(shù)并確保集成離子電流信號(hào)采集電路的點(diǎn)火線圈的可靠性及準(zhǔn)確性后，進(jìn)行離子電流信號(hào)采集試驗(yàn)。圖3是轉(zhuǎn)速為1 250 r/min、20%負(fù)荷下缸壓與離子電流信號(hào)典型波形圖?？梢钥闯?，缸壓峰值為1.5 MPa，峰值相位為375°；離子電流峰值為0.6 V，離子電流峰值相位為375°，缸壓和離子電流峰值相位十分吻合。同時(shí)，離子電流的曲線由3個(gè)峰值組成：第1個(gè)峰值出現(xiàn)在320°附近，此峰值是由于點(diǎn)火線圈的蓄能造成的；第2個(gè)峰值最大，出現(xiàn)在360°附近，此峰值是點(diǎn)火線圈放電后由于多余的能量在點(diǎn)火線圈中產(chǎn)生振蕩產(chǎn)生；第3個(gè)峰值才是真正的離子電流峰值，由圖3可知離子電流信號(hào)與缸壓信號(hào)在相位上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 1250 r/min，20%負(fù)荷缸壓與離子電流信號(hào)典型波形

圖4是離子電流信號(hào)積分值和平均指示有效壓力（IMEP）在不同轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下的MAP圖?？梢钥闯?，在同一轉(zhuǎn)速下，隨著負(fù)荷增加，離子電流信號(hào)積分值和IMEP均增加。同時(shí)，在低速低負(fù)荷區(qū)域，離子電流積分值與IMEP都比較小，顯示該工況由于進(jìn)氣量、噴油量都較少，缸內(nèi)工質(zhì)較少，燃燒溫度較低，所以IMEP較低。隨著負(fù)荷及轉(zhuǎn)速的上升，缸內(nèi)工質(zhì)增加，燃燒充分，缸內(nèi)燃燒溫度也更高，更利于離子電流產(chǎn)生，離子電流信號(hào)明顯增強(qiáng)，故離子電流積分值與IMEP呈現(xiàn)一同增大的趨勢(shì)。由此可見，缸壓和離子電流均能反映缸內(nèi)燃燒的情況。

圖4　離子電流信號(hào)積分值與IMEP的MAP圖

2.2失火工況離子電流特征值分析

2.2.1火花塞未點(diǎn)火時(shí)離子電流信號(hào)特征

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)ECU控制正在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，保持噴油信號(hào)不變，突然切斷火花塞點(diǎn)火信號(hào)，造成缸內(nèi)失火，當(dāng)火花塞無(wú)法正常放電，即缸內(nèi)失火時(shí)，離子電流信號(hào)將無(wú)法產(chǎn)生。圖5所示為1 500 r/min下各特征值的變化趨勢(shì)?？芍?dāng)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，IMEP也迅速下降，離子電流積分值也迅速下降，當(dāng)點(diǎn)火恢復(fù)后，離子電流積分值信號(hào)恢復(fù)，轉(zhuǎn)速上升，IMEP增加。由圖5b可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)失火發(fā)生時(shí)，由于缸內(nèi)未發(fā)生燃燒，離子電流積分信號(hào)非常小，且保持不變，這是由于本文算法導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。

圖5 1500r/min失火工況下IMEP與離子電流積分值變化關(guān)系

通過(guò)缸壓燃燒分析儀計(jì)算IMEP可以有效檢測(cè)缸內(nèi)是否發(fā)生失火，從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生失火時(shí)，IMEP數(shù)值明顯小于正常燃燒時(shí)數(shù)值，同時(shí)通過(guò)檢查離子電流信號(hào)發(fā)現(xiàn)，在正常燃燒循環(huán)離子電流信號(hào)與缸壓信號(hào)相位和幅值對(duì)應(yīng)都較好，當(dāng)切斷點(diǎn)火信號(hào)發(fā)生失火時(shí)（圖6），由于缸內(nèi)沒有燃燒現(xiàn)象，缸內(nèi)沒有大量離子電流信號(hào)產(chǎn)生，同時(shí)由點(diǎn)火蓄能及放電造成的兩個(gè)干擾信號(hào)并沒有在離子電流信號(hào)中顯示，進(jìn)一步證明缸內(nèi)沒有發(fā)生有效點(diǎn)火，所以離子電流檢測(cè)電路能夠有效檢測(cè)缸內(nèi)點(diǎn)火行為，避免發(fā)生失火。

圖6　切斷點(diǎn)火信號(hào)失火循環(huán)離子電流信號(hào)

通過(guò)應(yīng)用該型離子電流檢測(cè)電路檢測(cè)缸內(nèi)燃燒狀況時(shí)，判斷當(dāng)離子電流信號(hào)中缺失兩個(gè)點(diǎn)火干擾信號(hào)可以證明火花塞并未有效點(diǎn)火，所以通過(guò)離子電流信號(hào)還可以檢測(cè)火花塞是否可靠工作，并能夠判斷是否因?yàn)榛鸹ㄈ从行c(diǎn)火造成缸內(nèi)失火（這與下文斷油失火離子電流信號(hào)特征有很大不同）。

2.2.2噴油器未噴油時(shí)離子電流信號(hào)特征

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，IMEP值穩(wěn)定，缸內(nèi)燃燒正常。從切斷噴油信號(hào)開始，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降（圖7），對(duì)應(yīng)IMEP值驟降，同時(shí)失火工況下的離子電流積分值缺失，可認(rèn)為此時(shí)缸內(nèi)沒有離子電流產(chǎn)生。當(dāng)缸內(nèi)恢復(fù)噴油時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)到原來(lái)工況，轉(zhuǎn)速迅速上升，IMEP值回歸正常范圍，離子電流積分值也隨之上升。

圖7 1500r/min下失火工況下IMEP與離子電流積分值變化關(guān)系

由于切斷噴油信號(hào)缸內(nèi)無(wú)新鮮燃燒工質(zhì)，致使自由離子數(shù)量無(wú)法大量產(chǎn)生，離子電流無(wú)法形成。由前文可知，離子電流積分值與IMEP值有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此當(dāng)失火發(fā)生時(shí)，IMEP值減小，離子電流積分值隨之減小。

圖8所示為斷油情況下普通循環(huán)和失火循環(huán)對(duì)比，前兩個(gè)循環(huán)為普通循環(huán)，后兩個(gè)循環(huán)為失火循環(huán)。從圖8可以看出，當(dāng)斷油之后，由于缸內(nèi)沒有噴油，燃燒停止，導(dǎo)致只發(fā)生純壓縮。因?yàn)榛鸹ㄈ｜c(diǎn)火工作，所以由火花塞產(chǎn)生的兩個(gè)點(diǎn)火干擾仍然存在，但是點(diǎn)火干擾之后并沒有凸起的第3峰，即離子電流波峰并不存在。故由此可推斷缸內(nèi)未發(fā)生可靠燃燒，無(wú)離子電流產(chǎn)生。所以通過(guò)檢測(cè)離子電流信號(hào)中2個(gè)點(diǎn)火干擾信號(hào)后有無(wú)正常離子電流信號(hào)，可以有效判斷噴油器是否正常工作，缸內(nèi)是否發(fā)生斷油失火。

圖8　斷油失火循環(huán)示意

2.3早燃工況離子電流特征值分析

在正常燃燒循環(huán)發(fā)生時(shí)，離子電流信號(hào)依次產(chǎn)生順序?yàn)榈?峰值-充電干擾、第2峰值-放電干擾、第3峰值-離子電流信號(hào)，但在如圖9所示的早燃循環(huán)中，離子電流信號(hào)產(chǎn)生順序產(chǎn)生了顯著變化，當(dāng)火花塞發(fā)生點(diǎn)火蓄能后（產(chǎn)生第1峰值-充電干擾信號(hào)），由于在缸內(nèi)發(fā)生早燃現(xiàn)象，混合氣發(fā)生自燃，自燃初期就產(chǎn)生了離子電流信號(hào)，并且隨著缸內(nèi)壓力不斷上升，缸內(nèi)溫度不斷上升，離子電流信號(hào)強(qiáng)度也不斷上升（第3峰值-早燃離子電流信號(hào)），同時(shí)早燃離子電流信號(hào)持續(xù)期td也顯著大于第1峰值及第2峰值信號(hào)，本試驗(yàn)檢測(cè)到的早燃離子電流信號(hào)td值為25°。故對(duì)于該發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)采用離子電流檢測(cè)早燃時(shí)，當(dāng)td值大于20°即可認(rèn)為發(fā)生早燃。

圖9　離子電流信號(hào)檢測(cè)早燃示意

3　結(jié)束語(yǔ)

離子電流信號(hào)與缸壓信號(hào)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，離子電流積分值與IMEP也呈現(xiàn)一致變化規(guī)律，說(shuō)明離子電流信號(hào)能夠很好的表征缸內(nèi)燃燒狀況。

當(dāng)缸內(nèi)發(fā)生失火時(shí)，無(wú)論是火花塞未點(diǎn)火還是由噴油器未噴油造成的失火循環(huán)中，離子電流信號(hào)與正常燃燒循環(huán)信號(hào)顯著不同，說(shuō)明離子電流信號(hào)能夠有效檢測(cè)缸內(nèi)失火，并且通過(guò)分析離子電流信號(hào)能夠識(shí)別失火原因。

在早燃循環(huán)發(fā)生時(shí)，離子電流能夠檢測(cè)到自燃產(chǎn)生的燃燒離子電流信號(hào)，并有效區(qū)別早燃循環(huán)及非早燃循環(huán)。而缸壓閾值判斷早燃法有一定局限性。由于早燃離子電流信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻先于點(diǎn)火信號(hào)約25°，這就使ECU有較寬裕的時(shí)間采取措施，如打開排氣門、向缸內(nèi)噴射過(guò)量燃油等，以實(shí)現(xiàn)抑制早燃的目的。

1Dahnz C，Han K M，Spicher U，et al.Investiga-tions on preignition in highly supercharged SI engines.SAE Technical Paper，2010.

2Dahnz C，Spicher U.Irregular combustion in supercharged spark ignition engines-pre-ignition and other phenomena. International Journal of Engine Research，2010，11（6）：485～498.

3Manz P W，Daniel M，Jippa K N，et al.Preignition in highlycharged turbo-charged engines.8th International Symposium on Combustion Diagnostics，Baden-Baden，2008.

4Lars Eriksson，et al.Ignition control by ionization current interpretation.SAE paper，960045，1995.

5Lars Eriksson，et al.Closed loop Ignition control by ionization current interpretation.SAE paper，970854，1997.

6Shimasaki Y，Maki H，et al.Study on Combustion Monitoring System for Formula One Engines Using Ionic Current Measurement.SAE paper，2004-01-1921.

7Tetsuo Kuma，Morito Asano，Manabu Takcuchi，et al.Development of new ion current combustion control system.SAE Paper，970856，1997.

8Raymond Reinmann，et al.Local air-ratio measurements using the spark plug as an ionization sensor.SAE paper，970855，1997.

9Byttner S，Rognvaldsson T，et al.Estimation of combustion variability using in-cylinder ionization measurements.SAE Paper，2001-01-3484.

10Stefan Byttner.Using multiple cylinder ion measurements for improved estimation of combustion variabiIity.SAE Paper，2005-01-0042.

11Giglio V，Police G，Rispoli N，et al.Experimental Investigation on the Use of Ion Current on SI Engines for Knock Detection.SAE Paper，2009-01-2745.

12Alexander Hettinger，Andre Kulzer.A new method to detect knocking zones.SAE Paper，2009-01-0698.

13吳筱敏，汪映，李福明.采用離子電流法與機(jī)體爆震法檢測(cè)爆震的比較.西安大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（10）：1059～1066.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年7月25日。

In-cylinder Abnormal Combustion Detection Using Ion Current

Tong Sunyu，Li Haimiao，Yang Zhaohui，Hu Zongjie，Li Liguang
（Tongji University，Shanghai 201804）

The ion current signal is collected and compared with the cylinder pressure signal and other combustion characteristics in different combustion conditions on a turbo charged PFI engine，integrated with a spark plug type ion current signal sensor.As the engine load increases with the same engine speed，both ion current signal integral value and IMEP increase.The ion current signal can detect the misfire cycles and distinguish from different misfire cycles caused by ignition-free of the spark plug and injection-free of the injector or over-lean air fuel mixture.Further test also identifies that ion current signal can detect the pre-ignition cycles in advance.

Engine,Ion current,Misfire diagnosis

U464.11+4

A

1000-3703（2016）09-0018-04