（动力机械及工程专业论文）汽油hcci发动机火花塞离子电流传感系统的开发研究.pdf

摘要 摘要 h c c i 燃烧作为一种新概念的燃烧方式，因为其高效、节能和低排放的特性， 正日益受到国内外的广泛关注。探索一种简单可靠的h c c i 燃烧过程传感装置， 是实现燃烧过程闭环控制，解决h c c i 燃烧系统实用化所面临燃烧实时控制和 h c c i s i 模式过渡控制等多个难点问题的重要手段。火花塞离子电流传感技术作 为一种低成本的燃烧监测元件，不需要增加传感器，也不必对发动机进行其他改 动，而且可以多缸同采用以解决h c c i 燃烧多缸一致性控制问题。因此本研究具 有很高的实际应用价值。 本文首先研究火花塞离子电流的检测机理，并搭建了h c c i 汽油机离子电流 检测研究平台，实现h c c i 燃烧过程中火花塞离子电流信号的实时检测。在均质 压缩燃烧和火花辅助均质压缩燃烧两种工作模式下进行离子电流信号检测试验， 验证了火花塞离子电流信号检测的可行性。 研究了h c c i 燃烧下离子电流特性及其影响因素。试验结果表明：偏置电源 电压影响离子电流信号的幅值和终点相位；在空燃比为1 附近所检测的离子电流 信号的幅值最大，离子电流信号相位最早；燃烧负荷主要影响离子电流信号的幅 值。 通过对不同爆震强度和失火燃烧下的离子电流信号与正常燃烧下的离子电 流信号特征参数的研究表明，离子电流信号的幅值可用于爆震强度指示和失火的 实时检测。 系统研究了离子电流信号与h c c i 燃烧过程之间的相关性。结果表明：离子 电流信号的拐点相位、峰值相位与h c c i 燃烧相位高度线性相关，离子电流信号 的拐点值、峰值、积分值与h c c i 燃烧速度有较好的相关性。在h c c i 发动机燃烧 过程检测中，选择离子电流信号的峰值相位指示h c c i 燃烧相位，离子电流信号 的峰值指示燃烧负荷、燃烧速度变化情况，是实现代价最低，最实际可行的检测 方法。 关键词：汽油h c c i 燃烧，火花塞离子电流，燃烧特性检测 a b s t r a c t a b s t r a c t h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) i san e we n g i n ec o m b u s t i o n m o d e ，a t t r a c t i n gw i d ea t t e n t i o nf r o mh o m ea n da b r o a d ，d u et oi t sh i g he f f i c i e n c y , e c o n o m yo fe n e r g ya n dl o we m i s s i o n s h o w e v e r , i ti ss t i l ln e c e s s a r yt oe x p l o r ea s i m p l ea n dr e l i a b l eh c c ic o m b u s t i o ns e n s o ri no r d e rt or e a l i z ec l o s e d - l o o pc o n t r o l a n df i n dr e s o l u t i o n st ot h ep r o b l e m ss u c ha sr e a lt i m ec o n t r o lo f c o m b u s t i o nr a t e s t a r t o fc o m b u s t i o na n dh c c i s im o d et r a n s i t i o n s p a r kp l u gi o nc u r r e n ts e n s i n gi sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yw i t hs p a r kp l u ga sac o m b u s t i o nd e t e c t i o nc o m p o n e n ti n s t e a d o fo t h e rs e n s o r s t h e r e f o r e ，n oe n g i n er e d e s i g ni s r e q u i r e da n dm u l t i - c y l i n d e r c o n s i s t e n c yc a nb ec o n t r o l l e db ya d o p t i n gs p a r kp l u gd e t e c t i o ni nm u l t i - c y l i n d e r s o n t h ew h o l e ，i o nc u r r e n ts e n s i n gh a sa h i g hp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e f i r s t , t h es p a r kp l u gi o nc u r r e n td e t e c t i o nm e c h a n i s mi sr e s e a r c h e d ，a n dt h et e s t b e n c hf o rg a s o li n eh c c ie n g i n ei o nc u r r e n td e t e c t i o ni sb u i l t ，t od e t e c ti o nc u r r e n t s i g n a lo fh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eb a s e do nt w ow o r k m o d e s ，h c c ic o m b u s t i o na n ds p a r k a s s i s t e dh c c ic o m b u s t i o n ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f s p a r kp l u gi o nc u r r e n ts i g n a ld e t e c t i o ni sv a l i d a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fi o nc u r r e n ta r er e s e a r c h e d r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tv o l t a g eo fb i a s i n gp o w e ri n f l u e n c e st h ea m p l i t u d ea n de n dp o i n t p h a s eo fi o nc u r r e n t ；t h ea m p l i t u d eo fi o nc u r r e n ti sa tt h ep e a l ( a n dt h ep h a s ei st h e e a r l i e s tw h e nl a m b d ai sa r o u n dl ；t h el o a dm a i n l yi n f l u e n c e st h ea m p l i t u d eo fi o n c u r r e n t c o m p a r i s o nh a sb e e nm a d eb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fi o nc u r r e n ta t v a r i o u sk n o c ki n t e n s i t y m i s f i r ec o m b u s t i o na n dt h o s ea tn o r m a lc o m b u s t i o n i ti s n o t i c e dt h a tk n o c ki n t e n s i t ya n dm i s f i r ec a nb ed e t e c t e db yt h ea m p l i t u d eo fi o n c u r r e n t r e l a t i v i t y b e t w e e ni o nc u r r e n t s i g n a l a n dh c c ic o m b u s t i o np r o g r e s si s r e s e a r c h e d r e s u l t ss h o wt h a t s i g n i f i c a n t l i n e a rc o r r e l a t i o n sa r ef o u n db e t w e e n i n f l e x i o np h a s e ，p e a kp h a s eo fi o nc u r r e n ta n dh c c ic o m b u s t i o np h a s e ，a n dc l o s e l i n e a rc o r r e l a t i o n sa r ef o u n db e t w e e ni n f l e x i o na m p l i t u d e ，p e 叱i n t e g r a lv a l u ea n d h c c lc o m b u s t i o nr a t e p e a kp h a s eo fi o nc u r r e n ti sc h o s e na st h ei n d i c a t o ro fh c c i c o m b u s t i o np h a s e ，a n dp e a kv a l u eo fi o nc u r r e n ti n d i c a t e st h el o a da n dc o m b u s t i o n a b s t r a c t r a t e s p a r kp l u gi o nc u r r e n ts e n s i n gi sal o w - c o s t ，m o s tp r a c t i c a ld e t e c t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：g a s o l i n eh c c ic o m b u s t i o n ，s p a r kp l u gg a pi o n i z a t i o nc u r r e n t ， c o m b u s t i o nd e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谓 意。 学位论文作者签名漂翟嵋 签字日期= 2 鲫7 年月婀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：苏琵峨 签字日期：呷年j f 月艿日 新躲坼磁诤 签字日期： 2 刃年 f | 其z 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车保有量的不断飙升，汽车内燃机给能源和环境带来的负面影响日益 突出。传统的汽油机燃烧和柴油机燃烧在降低油耗和排放存在着难以逾越的极 限，探索既清洁又高效的新型燃烧方式成为国际汽车和内燃机界的重要课题。 h c c i ( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n it i o n ) 燃烧作为新一代的内 燃机燃烧方式，具有传统火花点火汽油机均质混合气特性，同时具有与传统压燃 点火柴油机相当的高效率，具有实现高效、低排放燃烧的巨大潜力，迅速成为全 球内燃机界研究的热点。试验已经表明，以汽油为燃料的h c c i 燃烧，可使n o x 排放减少9 0 9 9 ，油耗降低5 3 0 鲨1 。因此有人认为，h c c i 燃烧有可能 成为未来取代柴油机燃烧( d i e s e l 循环) 和汽油机燃烧( 0 1 t o 循环) 的一种极 有希望的车用内燃机燃烧方式【3 。h c c i 燃烧是预先混合均匀的均质混合气，通 过活塞压缩自燃着火，着火后表现为多点同步迅速燃烧，没有火焰传播过程。其 着火和燃烧过程受化学动力学反应控制h ”引，受到如温度、压力和混合气成分等 多种因素的综合影响。在起动和低负荷时，由于缸内温度很低，达不到着火条件， 很难压缩着火；在高负荷时，由于同步燃烧速度过快，对发动机强度和噪声带来 负面影响。因此，人们预计车用内燃机应用h c c i 燃烧，更现实的方式是采用复 合燃烧模式。对于汽油燃料而言，就是在起动和极小负荷以及高负荷采用传统的 s i ( s p a r ki g n i t i o n ) 模式，而在中等负荷和小负荷采用h c c i 模式，即所谓 s i h c c i s i 复合燃烧模式川1 。 采用复合模式燃烧系统面临的主要挑战在于，着火时刻和燃烧速率的实时控 制，h c c i 运行工况的拓展以及h c c i s i 模式过渡控制。h c c i 着火和燃烧难以实 时控制的主要原因，是因为h c c i 着火和燃烧过程受化学动力学反应控制，它对 混合气的温度、压力和成分等多个因素都非常敏感旧，常规基于m a p 的开环控制 难以满足要求，这在变工况、瞬态过渡工况尤其是模式过渡的控制中表现更为突 出哺引。目前典型的解决办法是基于开环m a p 控制的区域重叠法阳1 ，即通过提高 空燃比和降低e g r 率使s i 的运行区和h c c i 的运行区相重叠，当h c c i 运行到重 叠区时提前过渡到s i 模式。区域重叠法实际上牺牲了h c c i 的有效运行区域，另 外，重叠区的位置本身也受到多个因素的影响，很难事先准确给定。一方面，为 第一章绪论 了充分发挥h c c i 燃烧的优势，需要尽可能在更宽的工况范围内采用h c c i 燃烧； 另一方面，为了避免失火、部分燃烧和爆震等非正常燃烧，需要在恰当的时刻， 及时完成从h c c i 到s i 的模式过渡。h c c i s i 模式过渡控制的关键，就是准确把 握模式过渡的时机，做到既不发生非正常燃烧，又能使h c c i 运行范围达到最大。 因此，必须探索h c c i 燃烧过程信息的实时反馈方法，采用有效的闭环控制，实 现精确快速的着火定时控制和有效的燃烧速率控制。 1 2h c c i 燃烧过程控制面临的问题 传统的汽油机火花点火燃烧( s i ) 一般为进气道喷射，压缩当量空燃比的均质 混合气，火花点火和火焰传播燃烧，燃油抗爆性好，通过三效催化转化剂减少有 害物排放。部分负荷通过节气门控制进气量使得燃烧效率降低。柴油机压缩燃烧 着火( c i ) 为缸内直接喷射，燃油在压缩上止点附近喷入缸内，通过热的压缩空气 点燃混合气，燃油为高十六烷值燃料，容易自燃。在化学当量比附近燃烧会产生 大量的h c ，因此通过控制喷油量来调整发动机负荷，实现稀薄燃烧，同时去除 节气门，燃烧效率提高，但由于是稀燃，产生大量n o x 是面临的主要问题。 h c c i 燃烧方式结合了压燃式发动机和点燃式发动机的优点。与传统的点燃 式汽油发动机相比，它取消了节气门，发动机泵吸损失减小，混合气多点同时着 火迅速燃烧，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的高热效率；与传统 压燃式柴油机相比，由于缸内充满均质混合气，燃烧反应几乎是同步进行，没有 火焰前锋面，燃烧火焰温度低，n o x 排放很低，几乎没有微粒排放。由于h c c i 发动机主要是通过控制缸内混合气的温度、压力和成分间接控制着火时刻和燃烧 过程，因此h c c i 燃烧控制过程比传统汽油机通过点火时刻和柴油机通过喷油时 刻控制着火时刻困难得多。 美国能源部2 0 0 1 年的技术报告在对国际上h c c i 燃烧取得的进展进行综合分 析后指出，h c c i 燃烧系统的应用尚有9 大问题有待解决3 。其中除了冷启动方 法、燃料系统设计和燃烧模拟之外，其余6 个问题都涉及到燃烧控制技术，包括： 1 ) 着火时刻控制：随着发动机转速和负荷的改变有效控制着火定时。h c c i 发动机的着火时刻主要由混合气的成分、温度和压力的变化历程决定，着火时刻 及燃烧过程只能通过间接控制，所以着火时刻的控制是h c c i 发动机面临的最大 挑战。一方面，发动机输出功率的改变要求其燃料量，即混合气浓度的改变，这 就需要相应改变温度变化历程以保证合适的着火时刻：另一方面，发动机转速的 改变将使混合气发生自燃的化学反应累计时间发生变化，着火相位角将发生变 第一章绪论 化，这需要通过改变混合气的温度变化历程来补偿。在快速变化的瞬变工况，这 些控制问题变得更加困难。 2 ) 燃烧速率控制：尤其是在高负荷运行时的燃烧速控制，防止剧烈燃烧。 由于h c c i 燃烧是均匀混合气压燃着火，燃烧几乎是同步进行，发动机在大负荷 工况时过快的燃烧反应速度会引起爆震燃烧，其结果是造成过大的燃烧压力升高 率，引起发动机的机械负荷和热负荷过大，甚至造成发动机损坏，同时会引起发 动机高噪声和高的n o x 排放。低负荷、低转速工况下，因燃烧反应速度过慢引起 燃烧火焰温度过低，难以形成稳定的着火条件，导致燃烧不充分，形成大量的未 完全燃烧产物，燃料的利用率严重恶化，有害排放物增加，怠速工况下容易出现 “失火”。 3 ) 排放控制：研究开发一种控制系统和控制策略，解决h c 和c o 的排放问 题，特别是低负荷下的排放。低负荷时，h c c i 燃烧模式下反应温度低，燃烧室 壁面冷却作用加强，使得燃烧火焰中产生的活性自由基又重新复合，燃烧链反应 中断，造成h c 排放增加。另外在缸内最高温度低于1 5 0 0 k 时，使得c o 不能氧化 为c 0 。，c 0 排放也增加。由于反应温度的降低会降低催化转换器的效率，这对进 一步降低h c 和c 0 排放也会带来不利影响。 4 ) 变工况运行控制：发展快速响应控制系统和方法，实现发动机瞬态过程 中着火定时的稳定性控制。h c c i 着火和燃烧速度受化学动力学反应控制，受到 如温度、压力和混合气成分等多种因素的综合影响。运行工况变化将导致缸内燃 烧温度与燃烧持续期的改变，因而着火时刻和燃烧速度的变化，着火时刻过早或 过晚都会导致发动机功率的降低，燃烧反应速度过快会引起爆震燃烧，燃烧反应 速度过慢难以形成稳定的着火条件，导致发动机失火。 5 ) 多缸一致性控制：空燃比的变动造成h c c i 燃烧着火时刻改变，进而燃烧 温度改变。对于基于内部e g r 的多缸h c c i 发动机，其中某一气缸温度的改变会 造成其它气缸着火时刻的改变，造成整个发动机燃烧不稳定。对于多缸h c c i 发 动机空燃比的一致性控制对于h c c i 燃烧至关重要。 6 ) 闭环控制：发展新的闭环控制系统，以保证全工况范围内实现燃烧的优 化。目前h c c i 燃烧方式只能在部分工况范围内稳定着火燃烧。在起动和低负荷 时，由于缸内温度很低，达不到着火条件，很难压缩着火；在高负荷时，由于同 步燃烧速度过快，对发动机强度和噪声带来负面影响。h c c i 发动机只有通过复 合燃烧模式( s i h c c i - s i ) 才能实现全工况范围内的稳定燃烧。为了充分发挥 h c c i 燃烧的优势，尽可能在更宽的工况范围内采用h c c i 燃烧，需要在恰当的时 刻，及时完成从h c c i 到s i 的燃烧模式过渡。 第一章绪论 这六个问题的焦点实际上就是着火始点和燃烧速率随发动机工况变化的实 时控制，解决燃烧着火时刻和燃烧速率的检测与实时控制是实现h c c i 发动机在 全工况范围运行的关键。 1 3 火花塞离子电流法的发展及研究现状 1 3 1 火花塞离子电流法的研究背景 随着现代汽车对发动机动力性和尾气排放标准的要求越来越高，同时为了获 得更好的经济性、动力性和排放性，现代发动机都在不同程度上对燃烧过程进行 电子控制。准确、成本低廉地检测出发动机运行中的基本参数一直足发动机检测 领域追求的目标。这就需要对发动机的工作状态，特别是气缸内燃烧过程的状态 参数进行实时跟踪。用电子计算机检测发动机的工作过程及状态进行优化控制是 汽车发动机的研究方向和发展趋势。而如何能既准确可靠又简单低成本的提取检 测信号，一直是长期困扰发动机测控领域的一大难题。目前通用的做法是在汽车 发动机上安装各种各样的传感器，如压力、振动及光纤火焰传感器等。采用诸多 的传感器分别对不同的运转工况和燃烧状态参数进行测量，不仅使发动机结构设 计更加复杂，成本升高，而且还增加了发动机运行中的不可靠因素，特别是对于 燃烧过程中高温燃气的测量，还需安装可靠的冷却系统。光学系统的应用还要考 虑清除光学器件的污染，以至于用传感器来检测发动机燃烧过程仅限于试验室， 无法在工程实际中得到普遍应用。迄今为止，还没有既准确可靠又简单低成本检 测发动机运行参数尤其是燃烧过程参数的方法和装置，这也一直是长期困扰发动 机电子控制系统的一大难题。 早在1 9 3 4 年，k s c h n a u f f e r 就用离子电流来研究气缸内的火焰传播过程， 但由于种种技术原因，火花塞离子电流检测技术一直没有引起广泛的注意。随着 环保和能源问题的紧迫性，这一研究重新受到重视，特别是美国国家环保局第二 代车载诊断装置( o b dl i ) 法规颁布才引起人们的巨大兴趣，该法规要求在所有转 速和负荷下实现1 0 0 失火检测引。目前失火检测采用曲轴转速波动法，利用转 速波动范围确定失火或不正常燃烧，由于在路况较差的情况下会给失火检测带来 干扰信号，而采用离子电流法可1 0 0 进行失火检测”1 。在火花点火式发动机中， 当火焰前锋到达火花塞时，电极之间就产生大量离子。在火花塞两极之间加上适 当的偏置电压，就会形成所谓的火花塞离子电流。离子电流的大小与瞬时离子浓 度有关，而离子数目决定于燃烧过程。通过对离子电流的时域和频域信号的研究， 就可以定性和定量地揭示发动机缸内燃烧过程。 第一章绪论 这种利用汽车发动机自身特有的火花塞部件，通过检测火花塞电极之间的离 子电流进行判断和检测发动机燃烧室内工作过程中的信号是近几年来汽车发动 机测控领域的研究热点。 1 3 2 火花塞离子电流法简介 碳氢化合物在燃 烧时会产生游离子， 使得火焰和燃烧产物 具有电导性。这一现 象很早就被注意到， 并用来研究燃烧。在 火花塞点火式发动机 中，当火焰前锋到达 火花塞，在电极之间 就产生大量的离子。 如果在火花塞两极之 间加上适当的直流偏 c r a n ka n g l ed i g m u 图1 1 典型火花点火发动机离子电流信号刨 置电压，就会形成火花塞离子电流，通过这个电流来对发动机进行检测实现对发 动机的实时监测。 如图卜1 所示，典型离子电流波形包括火花塞放电期、化学电离期和热电离 期。火花塞放电期引：由于次级线圈放电，在中心电极和旁电极之间产生大的电 流，这与离子电流无关，如果在火花塞附近发生早燃，则在点火电流信号之前或 之后产生一些峰值。如果火花塞点火持续时间过长，将使点火期间离子电流信号 的检测很困难，应采用高点火能量，缩短点火时间；化学电离：火焰前锋区发生 剧烈化学反应，产生大量离子c h 。+ 、c h o + 、c d l 。+ 、h 3 0 + 等；热电离：在馅后区，火 焰前锋已离开火花塞，这一区域的化学反应基本结束。气缸内的温度和压力由于 燃料的燃烧放热而迅速升高，在高温高压作用下，气缸内混合气还会发生热电离。 此时离子电流峰值标志着燃烧释放的热量达到最大，这与观察到的缸内压力的峰 值一致。这也是用离子电流检测缸内压力峰值位置的机理。 离子电流的大小与瞬时局部离子和自由电子浓度有关，而局部离子浓度的大 小一方面取决于缸内燃烧化学反应生成离子和自由电子的能力，另一方面取决于 缸内局部的气体密度。因此能使缸内局部离子和自由电子浓度发生变化的因素都 能通过离子电流检测出来。通过对离子电流的时域和频域信号的研究，就可以定 第一章绪论 量和定性地揭示出气缸内燃烧过程的性质，获得气缸内燃烧过程的丰富信息 “，如着火时刻、爆震憎3 t 2 3 j 失火4 和空燃比等，或利用离子电流信号预测 气缸压力曲线，进行燃烧过程分析。在火花点燃式发动机上应用这种反馈技术在 国内外均有成功的报道，甚至在产品发动机上有成功的应用“扪堙，主要应用包括 爆震和失火检测：2 0 3 、点火提前角控制。 1 、发动机空燃比控制口和稀薄燃烧控制等。 火花塞离子电流法用于燃烧过程闭环控制主要有以下优点： 结构简单，耐高温，在汽车发动机工作过程信号参数的测量中，无需安装附 加的冷却装置及冷却系统从而可以简化传统的控制系统，降低测控设备的成本， 提高测控精度及工作的可靠性。从而大大简化了发动机检测系统； 对于具有火花塞点火装置的汽车发动机，可以直接利用其电火花塞进行测 量，而无需对发动机进行大的结构上的改动，实现无附加传感器测量和随机监测； 用火花塞电极作为传感器可以同时完成多项检测，如发动机工作过程中的失 火、爆震等信号的检测，为发动机电控及计算控制提供有价值的输入信号： 由于火花塞电极还同时具有价格低廉，体积小，便于微型化，测定迅速，响 应时间和能连续检测等特点，为在工程实际实现发动机的随机连续监测和检测， 以及实现工作过程的自动控制和计算机优化控制开辟了一条新路。 1 3 3 国内外研究现状 离子电流法用于火花点火( s i ) 汽油机和压缩燃烧着火( c i ) 柴油机的燃烧 过程检测一直都有研究。早在两个世纪前，人们就知道碳氢化合物在燃烧时，会 产生化学电离与热电离，使火焰和燃烧产物具有导电性。在统计物理学领域中， 一百年前就形成了专门用于描述热离子的各种公式。火花塞离子电流法的研究主 要集中在对于发动机运行参数的检测上，通过测量不同的发动机运行参数对于火 花塞离子电流的影响，来探讨火花塞离子电流法在发动机检测中的可行性。福特 公司的r o b e r tlh n d e r s o n 幢5 在八十年代初期从事了利用火花塞离子电流法进行 缸内燃烧特性的研究工作，并得到了离子电流与曲轴转角、缸内燃烧压力时刻、 燃烧持续期之间的关系，这些研究为离子电流法的进一步发展奠定了基础。1 9 8 6 年，n i c kc o l l i n g s 发表了利用火花塞作为传感器检测爆震的论文，简单介绍了 离子电流法的基本原理，提出了一个检测爆震的电路，并在测试中把离子电流法 测爆震和压力传感器测爆震相对比，证实了离子电流法在爆震检测中是一种可行 的办法1 12 1 。1 9 9 1 年，n i c kc o l l i n g s 又发表了利用火花塞作为传感器检测多个参 数的论文，研究了空燃比、燃烧定时，混合气成分对火花塞离子电流的影响，讨 论了火花塞离子电流法检测时漏电流、偏置电压的特性，并重点研究了火花塞离 第一章绪论 子电流法在火花塞积碳检测中的应用，并证明了可行性旧。1 9 9 3 年s h i g e r u m i y a t a 发表了通过检测流经火花塞电极离子电流信号密度的变化对发动机工作 过程进行分析的研究报告h 3 。1 9 9 6 年a n d r es a i t z k o f f 发表了火花塞离子电流 的平衡计算的论文t “，通过缸内可燃混合气燃烧化学反应的平衡计算，得到了火 花塞离子电流的近似理论公式，并对火花塞离子电流的产生进行了理论分析，建 立了相关的计算模型，为离子电流的进一步发展奠定了理论基础2 8 “2 9 。 随着h c c i 燃烧研究不断 ， 发展，瑞典l u n d 学院作为世 界上离子电流研究的一支主 要力量，把火花塞离子电流法 引入到h c c i 燃烧控制中。写 2 0 0 3 年，p e r r e rs t r a n d h 和 呈 m a g n u sc h r is t e n s e n 等人发 表论文指出离子电流信号可 以感应出h c c i 燃烧信号，研 究了混合气质量即空燃比和 e g r 率对离子电流信号的影响 ，i ；二幺 一 一f f c a s ka 叼i ei c e d l 图1 - 2 离子电流与h c c l 燃烧放热率3 孑 j 苫 占 玉 啪。通过对所测的压力信号和离子电流信号进行比较，采用系统辨识法建立了动 态模型。研究结果表明，可以从h c c i 燃烧中获得离子电流信号，且其信号水平 对空燃比非常敏感。该研究最重要的成果是，证明了离子电流信号是实际燃烧定 时的一个良好的指示信号，如图1 - 2 所示。2 0 0 5 年，y i q u nh u a n g 和d a r i u sm e h t a 发表了利用离子电流信号来实现对h c c i 燃烧实时控制的论文b 引。研究了用离子 电流信号来监测燃烧正时和爆震、失火等信号，目的在于检验离子电流能否准确 地检测到各种工况下h c c i 燃烧信息，如燃烧始点，燃烧放热率，爆震，失火等， 并以此作为h c c i 燃烧控制的反馈信号。研究结果表明：1 ) 离子电流信号可以检 测到h c c i 燃烧的始点位置和快速燃烧的始点；2 ) 离子电流信号受运转工况，如 转速，负荷，空燃比的影响：3 ) 积碳可以减弱离子电流信号，应考虑高温燃烧下 的火花塞自清洁的问题；4 ) 低负荷时，离子电流信号微弱的问题，可以通过调整 偏置电压大小来改善；5 ) h c c i 燃烧发生爆震时，离子电流不稳定，可以通过低 通滤波来改善。 目前，国内也开展了大量基于火花点火发动机的离子电流信号检测研究。西 安交通大学吴筱敏等人对基于火花塞离子电流法的失火检测和爆震控制等方面 进行了大量的研究心引k 引引，利用火花塞离子电流信号对发动机燃烧状态进行评 价。浙江大学开展了火花塞离子电流法用于发动机闭环控制研究，达到利用离子 第一章绪论 电流信号对发动机进行诊断和控制的目的【2 都“。天津大学李建文博士把离子电流 引入至稀薄燃烧控制，进行了离子电流应用于准均质稀薄燃烧系统的研究 i 私：i3 5 】 舳l o 目前国内外对离子电流的研究还仅限于初步阶段，火花塞离子电流法应用到 实际发动机工作中还需要进一步发展。对这项课题的研究还需要作大量的努力。 到目前为止，对于大部分发动机运行参数的检测还只是定性的，没有把火花塞离 子电流的大小与被检测的运行参数定量的联系起来。在发动机不正常燃烧检测 中，如何把发动机不正常运行状态与检测的离子电流信号相联系，通过对火花塞 离子电流信号进行适当合理的分析得到的实际发动机运行状态还在研究阶段。随 着节能与环保的要求，国家开展了均质压缩燃烧( h c c i ) 的基础研究，国内目前 将离子电流应用于h c c i 燃烧控制还是一片空白。总体来说，离子电流法成熟还 需要较长的时间，成为实用技术也需要更大的投入与研究。 1 4 本课题的引出及其研究方法 从汽油h c c i 发动机燃烧研究来看，研究重点在于如何控制着火时刻、燃烧 速度以及负荷边界的扩展。目前实现h c c i 燃烧方式主要有：直接进气加热；提 高压缩比；混合燃料；缸内残余废气再循环。其中内部废气再循环( e g r ) 策略 被认为是四冲程汽油机上实现h c c i 燃烧的最为可行的方法。内部e g r 控制汽油 机h c c i 燃烧过程的基本思想是通过改变气门定时捕捉一部分热残余废气在缸 内，用其加热进气，完成压缩自燃着火。改变气门定时可以控制内部残余废气再 循环的比例，从而控制进气量、混合气温度以及工质成分等参数，以达到控制混 合气着火时刻和燃烧速度的目的。 在h c c i 燃烧过程中，化学动力学反应起着至关重要的作用m 1 。h c c i 发动机 主要是通过控制缸内混合气的温度、压力和成分等间接控制着火时刻和燃烧过 程。基于内部e g r 的h c c i 燃烧取决于的缸内残余废气对新鲜混合气充量的物理 和化学等综合作用，为了控制该过程，需要一个来自某种燃烧传感器的反馈信号 来确定实际燃烧过程的状态。目前主要使用压电式压力传感器监测燃烧室中的压 力来实现闭环反馈瑚1 。燃烧压力传感器极其昂贵，同时需要对燃烧室进行再设计。 。在汽油机h c c i 燃烧过程中，火花塞可以作为一个燃烧监测元件，由于它无须任 何的发动机再设计而极受欢迎。这个用常规火花塞所测得的信号就是离子电流。 离子电流传感技术相对于其他传统检测技术，它是直接反映燃烧过程，检测响应 快，同时相对于快速发展的光纤检测技术引具有安装简单，成本低廉等优势。 - 8 - 第。一章绪论 离子电流法用于h c c i 燃烧相位和燃烧速度检测控制已经被证实是实际可行 的训，但目前的结论只是定性的分析离子电流与h c c i 燃烧过程的相关趋势，无 法得到实际发动机燃烧状态参数用于h c c i 燃烧过程的闭环控制。本文通过对不 同工况下离子电流进行分析，得出h c c i 燃烧下不同发动机运行参数对离子电流 信号的影响：提取出火花塞离子电流特征参数，研究h c c i 燃烧动态工况下，特 征参数与燃烧相位、燃烧状态之间的相关性；获得与燃烧相关的离子电流特征参 数，同时利用这些特征参数来指示缸内非正常燃烧状态，通过这些与燃烧相关的 特征参数，实时的获取缸内燃烧相位和燃烧速度用于h c c i 燃烧闭环控制。 1 5 本文的研究内容及意义 h c c l 燃烧作为一种新概念的燃烧方式，因为其高效、节能和低排放的特性， 正日益受到国内外的广泛关注。探索一种简单可靠的h c c i 燃烧过程传感装置以 实现闭燃烧过程闭环控制是解决h c c i 稳定燃烧的关键。 本文的主要研究内容包括： 1 ) 基于离子电流试验研究的需求，搭建了汽油h c c i 发动机离子电流检 测研究平台。在现有的全可变气门机构h c c i 单缸试验机及燃烧实时 监控与分析系统的基础上，添加火花塞离子电流检测装置，实现使 用火花塞离子电流信号对h c c i 燃烧过程的实时检测。 2 ) 实时采集并记录缸内压力信号、离子电流信号、上止点信号、曲轴 转角信号并同步通过单缸机燃烧实时监控分析系统记录发动机运行 参数，通过p c 机后处理程序对两组试验数据进行同步分析。 3 ) 进行火花塞离子电流信号的试验研究。提取出火花塞离子电流信号 特征参数，对h c c i 燃烧下的离子电流特性进行分析，研究偏置电压、 空燃比、燃烧负荷等参数对火花塞离子电流信号的影响。 4 ) 在爆震、失火等非正常燃烧下，对离子电流信号进行试验研究，分 析非正常燃烧状态对离子电流信号的影响，通过离子电流信号来检 测h c c i 非正常燃烧状态。 5 ) 研究火花塞离子电流相位特征参数与h c c i 燃烧相位之间的相关性， 离子电流幅值特征参数与h c c i 燃烧速度的相关性，研究能够较好的 指示h c c i 燃烧相位和燃烧速度的离子电流信号特征参数。 本研究旨在探索一种高效低成本且行之有效的h c c i 燃烧信息反馈方法，这 对于解决h c c i 燃烧系统实用化所面临的着火时刻和燃烧速率实时控制及 第一章绪论 h c c i s i 模式过渡控制等多个难点问题，具有重要的科学意义和理论意义。该方 法不需要增加传感器，也不必对发动机进行其他改动，而且可以多缸同采用以解 决多缸一致性控制问题，如果研究成功，将具有很高的实际应用价值。本文的研 究内容是对推动新一代高效清洁h c c i 燃烧系统早日实用化所进行的一种很有价 值的探索。 第二章火花摩离子电流信号的检测 第二章火花塞离子电流信号的检测 基于废气再循环的汽油h c c i 发动机燃烧取决于缸内残余废气对新鲜混合气 充量的物理和化学等综合作用，为了控制该过程，需要一个来自某种燃烧传感器 的反馈信号来确定实际燃烧过程的状态。离子电流传感技术相对于其他传统检测 技术，具有直接反映燃烧过程，检测响应快，安装简单，成本低廉等优势。 本章主要研究了利用火花塞离子电流法检测燃烧过程的机理。在此基础上设 计了火花塞离子电流检测电路，并在h c c i 试验单缸机上进行离子电流信号检测， 验证了h c c i 燃烧下离子电流信号检测的可行性。 2 1 火花塞离子电流检测原理 电场和可以自由活 动的电荷携带物是在气 体中产生电流的基本条 件。如图2 - 1 所示，发动 机缸内的可燃混合气被 点燃之后，发生剧烈的化 学反应，在火焰区生成大 量的离子和自由电子，这 些离子和自由电子存在 图2 - 1 离子电流信号检测原理 于火焰区和己燃区。在火花塞正、负电极两端加一个直流偏置电压，一般为几百 伏。在发动机缸内火焰燃烧发展的过程中，火焰中的离子和自由电子在偏置电压 的电场作用下平移，在火花塞正、负极之间形成持续的离子电流。离子电流信号 的各种特性，如电流出现时刻、电流大小、电流波形等都能够反映出发动机缸内 燃烧发展过程中相应的不同特性。 2 1 1 火花点火发动机离子电流检测机理 点燃式发动机缸内混合气在燃烧过程中会产生大量的自由电子、正负离子等 带电粒子，使燃气具有一定的电导性。在缸内混合气燃烧过程中，火花塞间隙的 燃气在特定的时域呈现出等离子状态，而这种等离子体的产生是由于高压电离、 第二章火花寒离子电流信号的检测 化学电离和热电离等多种电离综合作用的十分复杂的过程。如图2 2 所示为离子 电流产生机理，典型s i 燃烧离子电流波形包括火花塞放电期、化学电离期和热 电离期引们。 ：咖h n + 0 2 h 2 0 + c 0 2 ：n 2 + 0 2 一n o x ； ： lt ： 上下 ：c 一3 tc h o h 3 0 + ：n 0 2 + 图2 2 火花点火离子电流信号特征 2 1 1 1 火花点火放电阶段 由于离子电流产生于火花点火与排气行程开始之间，在火花塞放电期，由于 次级线圈放电，在中心电极和旁电极之间产生大的电流，与燃烧过程无关，但如 果在火花塞附近发生早燃，则会在放电之前会产生一些离子电流信号。如果火花 塞点火持续时间过长，造成放电阶段和离子电流产生阶段重叠，将使点火期间离 子电流信号的检测很困难。火花点火发动机点火系统应提高点火能量，缩短点火 时间，利于离子电流信号的检测与分析。 2 1 1 2 化学电离阶段 目前广泛接受的化学电离理论认为，有机物在火焰中由于高温裂解而形成碳 氢游离基c h ，然后部分游离基与激发态氧反应生成正离子和电子。并且有机物 火焰的电离量很高，离子浓度高达1 0 1 2 离子数1 ，这是利用电离效应测量内燃 机燃烧过程的物理基础。 第二章火花塞离子电流信号的检测 初始燃烧阶段，火花塞电极附近形成火焰并发生剧烈的化学反应，产生大量 的离子。这些离子浓度随反应的进行到达峰值，然后随着火焰前锋的转移而减少， 并保持平衡态。这一时期的离子电流信号表现为信号上的一个峰值。燃烧时，燃 料与氧气发生作用并导致c o ，h 0 等物质产生。其基本反应表达式为： c m h n + ( m + 号) 0 2 一坍c q + 号日2 d + q f 2 - 1 、 在火焰前锋区，常见的离子有c h 。、c h o 、c 3 h 。+ 、n 3 0 等。其中c h 。+ 浓度远小 于c h o 和c 3 h 。，可以忽略不计。同时h 3 0 离子产生的时间较晚，因此c h o 和c 。h 。+ 是决定这一阶段离子浓度的主要离子。主要的化学反应有4 “： c h + d 生兰生笠：竺生三一专c h o + + p f2 - 2 、 c h o + + 红d 丝坐坞皿d + + c o c h + c 2 h 2 崎c ，h ；+ f 也d + + p 一坚型些丑与h z o + h ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 由式( 2 一1 ) 式( 2 - 4 ) 可以看出，式( 2 2 ) 的反应常数大于式( 2 - 1 ) ， 大部分的c h o 都转换成h 3 0 + 。在离子电流的机理分析与建模中很少涉及到c 3 h 。+ ， 因此化学电离阶段的离子电流主要由h 3 0 的浓度决定。 所以综合以上反应方程式，n 3 0 + 随时间变化的关系式如下所示： d i n - 3 0 + ：k 2 c h o + 】【刎一k , h 3 0 + 】f 】 ( 2 6 ) 当反应达到平衡时，n 3 0 + 的浓度为： 即+ 】_ 眢 ( 2 - 7 ) 2 1 1 3 热电离阶段 在焰后区，火焰前锋已离开火花塞，这一区域的化学反应基本结束。气缸内 的温度和压力由于燃料的燃烧放热而迅速升高，在高温高压作用下，气缸内混合 气发生热电离。此时离子电流峰值标志着燃烧释放的热量达到最大，与观察到的 缸内压力的峰值一致，这也是用离子电流检测压力峰值位置的机理蛇1 。由于温度 的提高，火焰已燃区离子化的状况取决于高温情况下离子的状态，主要的成分是 n 0 。研究发现，燃烧后期大约9 5 的自由活动离子都是与n o 有关。这是由于n 0 的离子化所需要的活化能量是最小的。在已燃后期，对离子化有影响的气体成分 如表2 - 1 所示： 由表2 - 1 中可得，火焰已燃区n 0 对离子电流的产生有最大的影响。大部分 第二章火花塞离子电流信号的检测 n 0 是在温度超过1 0 0 0 。c ，由z e l d o v i c h 公式反应生成的： o + n 2 n o + n + 0 2 臼n o + 0 n + o h n o + h ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中