离子电流检测电路与优化设计研究

离子电流检测电路与优化设计研究0引言内燃机燃烧时会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子，使混合气具有一定的导电性。对于火花点火式发动机，如果在火花塞两极之间加上适当的直流偏置电压就会形成离子电流1；对于压缩自燃式发动机例如柴油机，也可以通过自加电极的方式形成离子电流2。离子电流包含大量发动机燃烧和运转信息，通过信号检测和处理可以对缸内燃烧过程进行表征和反馈控制。同时离子电流检测无需对发动机进行大规模的改动也不受发动机结构布局和燃料类型限制，能够应用于几乎所有燃料的内燃机。目前关于离子电流的应用，国内外相关机构已做了大量的研究。NICKCOLLINGS3基于一台PFI汽油机研究了空燃比、燃烧时刻和燃油成分对离子电流的影响，提出和证明了离子电流法在火花塞积碳检测中的应用及其可行性。STEFANBYTTNER等4利用离子电流信号评估了缸内循环变动（COV）。研究结果表明，在小负荷工况下，火花塞离子电流信号循环变动与平均有效压力循环变动之间存在正相关性。吴筱敏等57对离子电流在失火检测、爆震控制以及空燃比检测等方面做了大量研究。李理光等811基于离子电流制定了GDIHCCI发动机循环间燃烧相位的反馈控制策略，结果显示，控制后缸压及平均指示压力等参数的循环波动明显减少，HC排放得到改善。又对一台两阶段喷射GDI发动机起动过程的离子电流特性进行了细致研究，并在此基础上基于燃烧循环的控制思想进行了失火检测和补火控制，有效减少了冷起动过程中的HC排放。要想实现离子电流在发动机上的相关应用，稳定可靠的检测电路是基础。对检测电路的要求主要有以下三点1、检测到的信号真实准确，2、信号数值范围适当，3、具备一定抗干扰能力。针对上述要求，本文先是比较了目前所采用的离子电流检测电路的优缺点，并对其中一种电路进行了优化设计。在一台两阶段喷射直喷汽油机上进行了试验验证，结果表明改进后的检测电路能够更好满足要求。1离子电流检测电路对比分析目前所采用的离子电流检测电路按电源的形式可以分为外接电源式和电容式两种。两种电路各有其优缺点，下面将分别对这两种电路进行分析。外接电源式离子电流检测电路外接电源式离子电流检测电路的基本结构如所示9。从图中可以看出，该电路主要由高压隔离模块、分压电路和偏置电源等三部分组成。高压隔离模块是为了防止点火高压对检测回路造成干扰和冲击，由高压硅堆和电阻R3并联而成；偏置电源是整个检测回路的电源部分，一般可通过DC/DC升压模块将车用蓄电池的12V电压转换为所需要的适合电压值；分压电路部分是整个检测电路的信号输出部分，由于回路中离子电流值较小，直接测量电流值相对困难且难以保证测量精度，通过串联分压电阻的作用，使得回路中的电流即待测离子电流转换为电压的表现形式，若离子电流为I则R1两端的电压U1为IR1，由于R1为定值，则用U1的值就可以表征I的大小，电路中R2的作用是为了限流。另外为了提高抗干扰的能力，有些电路还在点火线圈与火花塞之间增加了一个陶瓷电容。外接电源式离子电流检测电路示意图电容式离子电流检测电路电容式离子电流检测电路的结构如所示12。该检测电路主要包括电容、瞬态抑制二极管、普通二极管和检测电阻。其工作原理分为两个阶段，充分利用了电容的充放电特性。在火花塞点火放电阶段，放电电流给电容充电，充电电压通过瞬态抑制二极管限制，电流方向如所示；点火放电结束后阶段，电容成为偏置电源，若燃烧正常，离子电流将流经点火线圈次级、火花塞和被测电阻形成回路，离子电流信号由被测电阻的分压获得，电流方向如所示。由于放电瞬间点火线圈次级电势差较高，导致电容的充电电压和电流均较大，电容一般选用额定电压和电容量均较大的聚丙烯（CBB）电容。与电容并联的瞬态二极管的作用是限制电容最大充电电压，使得最大充电电压为瞬态抑制二极管的钳位电压值，避免电容损坏。与被测电阻并联的二极管则只是在给电容充电时单向导通，以避免电压信号幅值过大导致后续电路损坏。点火放电阶段点火放电结束后阶段电容式离子电流检测电路两种检测电路对比分析从检测原理方面来看，两者都是通过偏置电压的方式使回路中形成离子电流，然后再通过检测电阻将电流量转化为电压量，作为输出信号。不同的是外接电源式检测电路采用的是事先设计好的电源作为偏置电压，而电容式检测电路的偏置电压来源于点火线圈次级电压。从电路的成本方面来看，外接电源式检测电路由于存在DC/DC升压电路和高压硅堆，其成本要大大高于电容式检测电路中的电容和瞬态抑制二极管。从电路的抗干扰能力方面来看，外接电源式检测电路由于外接独立式电源加上高压硅堆的作用，使得检测电路基本不受点火线圈的影响，抗外部干扰的能力也较强；而电容式瞬态抑制二极管点火线圈火花塞电容检测电阻普通二极管检测电路中电容的充放电特性受控于点火线圈，加之电容本身易受到各种电磁波的影响，搞干扰能力不如外接电源式。从电路的适用范围来看，外接电源式检测电路可以适用于各种燃烧模式的发动机，而电容式检测电路只适用于火花点火式发动机。综上所述，外接电源式检测电路在抗干扰能力适用范围等方面要强于电容式检测电路，但电容式检测电路具有成本低易于布置等优点。本文接下来将对目前电容式检测电路做一些优化，使其能够达到工业用途要求。2电容式离子电流检测电路优化设计11测试台架对离子电流检测电路的检测效果的评价要以实际台架测试数据为准。基于此，本文在一台两阶段喷射直喷发动机上进行了相关测试。台架的整体布局如所示，用一台伺服电机取代了原机的起动机从而能够实现各种拖动转速下的起动，运行时只有第4缸进行喷油点火，通过NI公司的PCI6250高速数据采集卡进行相关参量数据采集，ECU控制系统基于飞思卡尔MC9S12XS128单片机自主开发。发动机的相关参数如所示。发动机台架布局示意图发动机参数主要参数参数值排量/L1792压缩比101缸径行程/MM790914进气门开启/CA17BTDC进气门关闭/CA70ABDC排气门开启/CA55BBDC排气门关闭/CA185ATDC为了便于比较，均选同一测试工况拖动转速400R/MIN，首次喷油时刻120CAATDC（进气上止点），第2次喷油时刻280CAATDC（进气上止点），两阶段喷油比例31，点火提前角为20CABTDC（压缩上止点），喷油压力10MPA，全局空燃比147，环境温度30。后处理电路对离子电流信号的影响检测电路的实际接法利用了现有的同时点火方式点火线圈。同时点火的特点是一个点火线圈点燃两个火花塞，其中一缸的点火为有效点火，在压缩行程终了时产生，而另一缸的点火则为无效点火，在排气行程中发生。这样就可以将这种点火线圈的一端用于正常点火另一端用于离子电流检测，改动成本很小。如图所示是由上述电路所测得的离子电流信号。由图可知，在燃烧充分的情形下缸内爆发压力可以达到45MPA左右，而离子电流的第2个峰值可以达到8V左右，同时在点火放电瞬间离子电流信号还会出现08V。显然将此离子电流信号直接供给单片机I/O口并不合适，因为一般单片机的I/O口输入范围是05V，信号过高或者出现负值都有可能将其烧坏。这就需要在现有的电路基础上做一些改进，目前通行的做法是增加后处理电路。303036039042045010123456789缸内压力个MPA缸内压力离子电流点火信号曲轴转角个CA10123456789离子电流个V10123456789点火信号个个个2个1未加后处理电路时离子电流与缸压波形本文采用的后处理电路如图所示。由于LM324的跟随作用，一方面限制了输出电压的大小，另一方面达到了阻抗匹配的功效。LM324的供电电压最高可达32V，根据实测结果当供电电压为65V时输出范围刚好是05V。65V供电电压由LM2596降压模块提供，本文由于时间关系购买工业成品。加上跟随器后测得的离子电流信号如所示，可见信号范围被限制在了05V。后处理电路303036039042045010123456789缸内压力个MPA缸内压力离子电流点火信号曲轴转角个CA10123456789个V个10123456789点火信号增加后处理电路后离子电流与缸压波形检测电阻对离子电流的影响由前文的分析可知，离子电流的测量值最终由检测电阻R两端的电压来表征，可见检测电阻值是该电路的一个关键参数。前述工况下不同检测阻值下的离子电流与缸压波形特性曲线如图所示。由图可知，图A和图B离子电流波形整体偏小，不能较好地反映缸压，这是由于检测阻值过小的缘故；图C、图D和图E离子电流波形合适，但图E开始出现轻微的波形噪声；而图F离子电流波形则偏大且波形噪声较严重，这是由于检测阻值过大同时放大了正常信号和噪声信号所致。综合来看，R为200K400K是较为合适的检测阻值。由欧姆定律可以进一步计算出该工况下离子电流的数量级为5/200K25A左右。060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个012345个V个012345060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个012345个V个012345AR30KBR130K060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个012345个V个012345060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个012345个V个012345CR200KDR400K060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个个012345个V个012345060120180240303604204805406060720012345个MPA个个个CA个个012345个V个012345ER1MFR5M不同检测阻值下的离子电流与缸压波形特性曲线实际电路中，检测电阻一般由一个固定电阻和一个滑动变阻器串联而成，通过滑动变阻器可以调节整个检测电阻以满足不同工况的测量要求。整个离子电流检测电路的最终实物图如所示。（还没焊好）3结论（1）外接电源式离子电流检测电路和电容式离子电流检测电路各有优缺点。外接电源式检测电路可以适用于各种内燃机，同时具有信号稳定的优点，但成本偏高；而电容式检测电路信号可以达到工业应用要求，成本低廉易于安装，是火花点火式内燃机的首选；（2）对于电容式检测电路，可以通过后处理电路将其输出信号限制在05V，这样该信号才可以供给ECU以便进一步的反馈控制；（3）电容式检测电路中的检测电阻对离子电流信号输出有较大影响，由于离子电流的数量级为几十微安，可以由此来估算检测电阻的大小。实际电路中检测电阻由滑动变阻器和固定电阻组成，这样便可以根据实际工况来调节检测电阻值，以使输出信号合适。参考文献12000010553V001J22004012922V001J3,912318M4,2001013485M5汪映,吴筱敏,关勇一种新型发动机失火检测方法的探讨J内燃机学报,2002（01）46486吴筱敏,杜卫宁,廖世勇等离子信号与空燃比关系的探讨J燃烧科学与技术,2006（01）25297吴筱敏采用离子电流分析法实现发动机爆震信号的正确检测J内燃机学报,1998（04）78848范钱旺,李理光,卞江等基于两阶段燃油喷射的直喷汽油机离子电流特性的试验J内燃机学报,2012