改進型離子電流檢測系統在汽油機爆震檢測中的應用研究*

李 超，陸海峰，張光攀，胡宗杰，李理光,2

(1. 同濟大學汽車學院，上海 201804； 2. 同濟大學中德學院，上海 200092)

2016197

改進型離子電流檢測系統在汽油機爆震檢測中的應用研究*

李 超1，陸海峰1，張光攀1，胡宗杰1，李理光1,2

(1. 同濟大學汽車學院，上海 201804； 2. 同濟大學中德學院，上海 200092)

采用一種改進型的串聯式離子電流檢測系統，在一臺1.3L四缸增壓汽油機上開展了離子電流信號的典型特性，尤其是爆震工況下特性的試驗研究。結果表明：該檢測系統離子電流的頻率特性可較好地判定中強爆震工況，但在輕微爆震工況有一定的局限；離子電流積分值能進一步提高爆震工況判定的準確率，達到87.2%。針對爆震強度的識別，離子電流峰值和平均幅值與爆震強度有很強的正相關性，采用加權平均的數學方法能優化離子電流爆震關鍵值與爆震強度的相關系數，使其由0.811提高到0.843。

離子電流；爆震；頻率特性；相關性

前言

汽油機小型化是當前用來改善燃油經濟性、滿足排放法規并具有可接受的成本與效益比的方法之一[1]，但往往需要通過增壓和提高壓縮比等途徑來保證小型化汽油機的輸出功率和轉矩，而增壓或提高壓縮比會大大增加汽油機發生爆震的傾向，這也是限制汽油機性能提高的主要障礙[2]。火花塞式離子電流檢測法將發動機自有的火花塞作為傳感器進行實時在線檢測，測量方法簡單，成本低，響應性能較好[3]，得到的離子電流特征值可表征缸內壓力[4]、空燃比[5]和非正常燃燒信息[6]等。

離子電流法近來在發動機HCCI燃燒相位的閉環控制和發動機的爆震檢測等方面得到了應用[7-8]。爆震時產生的壓力振蕩波在缸內反復傳播，火焰附近離子濃度發生相應變化，離子電流亦產生相應的劇烈波動，爆震信號就隱藏在離子電流信號中。當前離子電流的研究中，多采用隔離硅堆式檢測系統，但這種檢測電路體積過大，不利于集成化，同時因硅堆的存在導致數據變動率偏大，需要進一步的優化。

本次試驗中采用一種改進型串聯式的離子電流檢測系統，在一臺四缸小型汽油機上，實時采集燃燒過程中的離子電流信號，分析了這種檢測系統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，進一步探究了這種改進型的離子電流檢測系統在爆震檢測及判定中的應用。

1 試驗臺架及離子電流檢測系統

1.1 試驗臺架介紹

表1列出試驗汽油機的技術參數，圖1示出試驗臺架系統示意。試驗中主要對第3缸進行數據采集。采用凱邁交流電力測功機對發動機進行測試。通過Kistler6125型缸壓傳感器，并配合Kistler5007型電荷放大器對缸內壓力進行測量。發動機缸壓、曲軸轉角、離子電流和光電編碼器與爆震傳感器等信號均通過NIPCI-6250高速數據采集卡同步采集。

表1 發動機技術參數

圖1 發動機試驗臺架示意

1.2 離子電流檢測系統和信號特征

圖2為試驗中采用的離子電流檢測電路示意。以發動機火花塞作為傳感器對離子電流信號進行檢測，檢測電路主要由電容、二極管和滑動變阻器等元件組成。數據采集過程中充分利用電容的特性：在火花塞點火放電階段，放電產生的電流給電容充電；點火放電結束后，電容成為電源，混合氣中的帶電離子和電子定向移動形成離子電流。經過計算驗證得知，電路中的電容充電能量僅為0.5mJ，相對于火花塞的點火能量，不足以影響發動機的正常點火；此外，每循環電容的放電過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的數據采集。因而，這種離子電流檢測電路每循環實際所消耗的能量僅為0.05mJ，約為原始點火能量的1.5‰。

圖2 離子電流檢測電路示意

試驗中的數據采集頻率為200kHz，包括缸內壓力、離子電流、點火電流、爆震傳感器信號等。同時采集丟火和正常燃燒兩種工況下的試驗數據，其中缸內壓力、離子電流和點火電流均是以電壓信號形式采集，如圖3所示。由于無法隔離點火帶來的信號干擾，丟火工況的離子電流信號中會出現兩個峰值，第一峰值為點火蓄能干擾，第二峰值為點火放電干擾，這種電路特性可用來進行發動機點火系統的OBD檢測，實時監控發動機的點火時刻；由圖3對比分析可知，采集的正常燃燒信號中包含了與燃燒相關的離子電流。

為定量分析離子電流特征值與爆震強度在爆震工況下的變化情況，采用線性相關分析方法對二者之間的關系進行分析。一般認為：當線性相關系數大于0.8時，可判定為高度相關[9]。

2 爆震模型與強度指標

爆震試驗中采集的信號均包含高頻爆震振蕩成分，因此對爆震工況采集的信號進行快速Fourier變換得到缸內壓力和爆震傳感器信號的頻率特性，分析結果如圖4所示。在6～8kHz頻帶范圍，缸壓和爆震傳感器信號均出現高頻振蕩峰值，說明爆震的高頻振蕩信號主要集中在這一頻帶范圍內。

圖4 缸內壓力、爆震傳感器信號及頻率特性

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

3 試驗結果與分析

發動機的試驗工況：轉速為1 500r/min，BMEP為1.2MPa，缸內混合氣為理論空燃比。通過調整發動機點火提前角，來控制發動機的燃燒過程和爆震強度。

3.1 爆震工況判定

考慮到這種離子電流檢測系統受點火電流的干擾，原始離子電流信號中除了包含與燃燒相關的離子電流信號外，還存在兩個峰值，因而有必要對丟火工況的離子電流信號進行頻譜分析。經快速Fourier變換后得到離子電流檢測電路的振蕩幅頻特性，分析結果如圖5所示。5～8kHz和18～22kHz頻帶范圍內均出現振蕩強度峰值。可以認為電路振蕩出現兩個強度不同的頻率帶，是因為在點火蓄能階段，離子電流電路受到火花塞初級線圈蓄能干擾；點火結束時，離子電流電路則受到火花塞次級線圈放電干擾，此外兩次干擾過程中，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，對丟火工況、輕微爆震和中度爆震3種工況的離子電流信號進行帶通濾波處理，濾波結果如圖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的振蕩區間。由圖6(b)可知，輕微爆震工況下發動機燃燒已出現明顯的爆震傾向，而離子電流信號因受到電路振蕩的干擾，無法提取出明顯的振蕩信號；但在中等強度爆震工況，離子電流帶通濾波結果中則有明顯的振蕩。

圖6 離子電流及爆震傳感器信號的濾波結果

取0.2V為爆震指標KS判定中等強度爆震的閾值，圖7為利用離子電流高頻振蕩幅值判定中等強度爆震工況的結果，取0.18V為離子電流振蕩幅值的閾值。判定結果顯示，濾波后得到的離子電流振蕩信號能較好的識別出發動機的爆震工況，但這種識別手段在輕微爆震工況中的應用有一定的局限性。

試驗發現，在高強度的爆震循環，離子電流信號會出現超量程的現象，圖8為高強度爆震工況采集的信號示意。利用離子電流的這種特性有助于判斷發動機高強度爆震的發生。同時需要注意到，高強度爆震工況下的缸內壓力振蕩卻不甚明顯，壓力波動導致的“鋸齒”較小，可認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 高強度爆震工況的信號示意

試驗結果表明，離子電流積分值與發動機缸內是否發生爆震有著明顯的相關性。取0.05V為爆震指標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果。在轉速為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，109個循環是否發生爆震的判定準確率能達到87.2%(95/109)。這說明離子電流積分值與缸內燃燒產生的離子數量密切相關。發動機發生爆震時，缸內燃燒急劇發展，單位時間內產生的離子數量和濃度遠高于同負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果

3.2 爆震強度識別分析

上述分析表明離子電流有助于發動機爆震工況的判定，本文中亦嘗試利用離子電流幫助識別發動機的爆震強度，尤其是發動機的中小強度爆震工況。圖10為分析中涉及的爆震相關特征值的示意圖，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；取缸內壓力振蕩的最大幅值KP[11]作為爆震強度識別分析的參考。

圖10 爆震工況的相關特征值示意

定義單循環內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應的相位)通過式(1)計算得到。可以認為離子電流峰值能反映單個循環缸內燃燒的最快速率，平均幅值則能在一定程度上反應單個循環缸內燃燒的平均速率。

(1)

圖11 離子電流峰值Imax、平均幅值與爆震指標KS的相關性

(2)

圖12為離子電流KI值與爆震指標KS的相關系數隨a值的變化曲線，基于Matlab的程序計算結果得知，a取值0.620時，離子電流KI值與爆震指標KS的相關系數最大。圖13為離子電流KI值、缸壓KP與爆震指標KS的相關性分析結果，權重處理得到的離子電流KI值與爆震指標KS的相關系數能達到0.843，而相同循環得到的缸壓振幅KP與爆震指標KS的相關系數為0.838。

圖12 離子電流KI值的優化計算

圖13 離子電流KI值、缸壓振幅KP與爆震指標KS的相關性

因此加權平均的數學方法適用于離子電流的信號處理，優化后的離子電流KI值能進一步提高與發動機爆震強度的相關系數，計算中無需頻譜特性分析和濾波處理，有利于工業化的嵌入式系統集成。

4 結論

在發動機的臺架試驗中采用這種改進型的串聯式離子電流檢測系統，由頻率特性分析、幅值特性分析和數學方法優化的結果可得如下結論。

(1)檢測系統采集的離子電流信號能有效反應出缸內燃燒狀態；離子電流高頻振蕩信號能較好地識別出中高強度爆震，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有助于區分發動機的爆震與非爆震工況，實現發動機爆震的實時診斷，試驗中的判定準確率能達到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

*國家自然科學基金(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。