柴油機離子電流檢測系統參數的研究

張志強，趙福全，李理光

(1. 東風柳州汽車有限公司，柳州 545005； 2. 清華大學汽車產業與技術戰略研究院，北京 100084；3. 同濟大學汽車學院，上海 201804)

2016198

柴油機離子電流檢測系統參數的研究

張志強1，趙福全2，李理光3

(1. 東風柳州汽車有限公司，柳州 545005； 2. 清華大學汽車產業與技術戰略研究院，北京 100084；3. 同濟大學汽車學院，上海 201804)

針對柴油機開發了一套離子電流檢測系統，以有效地檢測出柴油機在燃燒過程中產生的離子電流。改變檢測系統參數(如檢測電壓、離子電流探針在缸內突出長度和探針直徑等)，通過試驗對比研究它們對離子電流信號強度的影響。結果表明，提高檢測電壓和增加探針直徑及其在缸內突出長度可增強離子電流信號。但檢測電壓對CAI50的影響較小，而離子電流探針直徑及其在缸內突出長度對CAI50影響較大。

柴油機；離子電流檢測；檢測電壓；探針突出長度；探針直徑

前言

眾所周知，準確地獲悉內燃機在每個工作循環的燃燒和工作狀態，對提高內燃機的動力性、燃油經濟性和排放性能具有非常大的幫助。目前常見的內燃機燃燒工作狀態檢測方法有基于缸壓傳感器和光纖傳感器等檢測方法。缸壓傳感器的成本較高，尚未廣泛地運用到內燃機中。光纖傳感器檢測燃燒狀態的原理是通過分析燃燒過程發出的光譜，獲得燃燒起始時刻和缸內空燃比等信息，相比缸壓傳感器其成本較低，但在使用過程中需要維護，在內燃機領域中難以廣泛應用。

離子電流檢測技術由于成本較低和使用安裝方便，較早地被廣泛運用到汽油機工作過程檢測中[1-2]。文獻[3]和文獻[4]中基于離子電流檢測技術，研究了不同汽油機燃燒和工作模式下(如進氣道噴射、缸內直噴和HCCI等)離子電流信號特性。文獻[5]和文獻[6]中基于離子電流信號特征分析，提出了汽油機起動和HCCI燃燒模式的丟火、補火和補油策略。

柴油機離子電流研究起步較晚，早期大量的學者采用化學動力學模型進行柴油機離子電流特性模擬研究。后續一些學者采用光學測試方法對柴油機中離子電流的形成機理進行研究，發現柴油機形成的離子電流中，電子和帶負電的離子均是離子電流中負電荷的載體。相比而言，汽油機形成的離子電流中，只有電子是離子電流中負電荷的主要載體，這主要是由于柴油和汽油在燃燒時產生自由離子的化學反應過程略有不同所導致。同時光學測試研究表明，柴油機中離子電流存在的區域較為廣泛，可分布在預混合火焰區域、擴散火焰區域、碳煙生成區域和碳煙氧化區域中。

在柴油機中應用離子電流檢測技術比汽油機復雜和困難，這主要是由于在汽油機中可直接采用火花塞作為檢測電極進行離子電流信號檢測，而柴油機中則需要額外在缸蓋上加工安裝孔，裝上離子電流探針后方可進行離子電流信號檢測。另外由于柴油機的過量空氣系數比汽油機的高，同時柴油機缸內的平均溫度比汽油機低，這些因素均會影響和抑制燃料的化學電離和熱電離過程，進而導致柴油機中離子電流信號較弱。

截止目前，關于柴油機離子電流形成機理和仿真研究較多，而在柴油機工程實際中開展離子電流研究和應用還較少。因此，本文中首先基于一款乘用車用輕型四缸柴油機，根據其結構特點，設計和加工出一套柴油機離子電流檢測系統，結合多種不同的離子電流檢測系統參數(包括檢測電壓、離子電流探針在缸內突出長度和直徑等)，開展了離子電流特性研究，以期探明檢測系統參數對離子電流的影響規律。

1 柴油機離子電流產生機理

燃料在內燃機的燃燒過程中會產生大量的活性離子。通過在火花塞的兩極或以離子電流探針為其中一極，缸體為另一極施加一個合適的檢測電壓，則活性離子會在檢測電壓的作用下運動并形成離子電流。根據大量的理論分析和試驗研究可知，離子電流的生成主要來源于化學電離和熱電離。化學電離是指在燃燒的初期，燃料逐漸發生分解，產生一些離子，但這些離子處于相對不穩定狀態，會隨著燃燒反應的繼續而形成新的離子，這一階段離子電流的生成受燃料的揮發性和分解性影響較大[7]，其離子電流形成涉及的化學反應[8]為

CH+O→CHO++e-

(1)

CHO++H2O→H3O++CO

(2)

熱電離一般發生在燃燒的后期階段，在該階段燃燒放熱量大，離子的形成受熱運動影響較大，且形成的離子中大多與NO有關。這主要是由于NO發生電離所需要的活化能量最小所致。熱電離涉及的主要化學反應[9-10]為

M+Eion?M++e-

(3)

式中：M主要是指NO；Eion為熱基團。

2 柴油機離子電流檢測系統與試驗方法和參數定義

2.1 柴油機離子電流檢測系統和試驗系統

為了開展柴油機離子電流檢測試驗，基于一臺四缸輕型柴油機，搭建出的試驗系統如圖1所示。該四缸輕型柴油機及其燃燒室和噴油器參數、試驗測試裝置分別如表1～表3所示。本試驗研究中只針對柴油機的第4缸(即圖1所示最左側的氣缸)開展柴油機離子電流檢測研究，該缸的進氣系統和排氣系統與其他3個氣缸相分離開，以便更好地研究其工作過程。并且在第4缸的缸蓋頂加工了兩個孔(如圖2所示)，用于安裝缸壓傳感器和離子電流探針，以便測試缸內壓力和離子電流信號。

1—進氣穩壓罐；2—V錐流量計；3—EGR冷卻器； 4—缸壓傳感器；5—EGR閥；6—噴油器； 7—離子電流探針；8—光電編碼器；9—背壓閥 圖1 柴油機離子電流測試系統示意圖

本文中設計和開發的柴油機離子電流檢測系統如圖3所示，該系統由升壓模塊、檢測模塊和信號調理模塊等3大子模塊組成。

升壓模塊包含車載蓄電池(12V)和升壓電路，其作用是將車載蓄電池的電壓升至所需的檢測電壓(最高可達500V)，以便于檢測到離子電流。升壓電路的原理如圖4所示，通過調整可調電位器R3以達到所需的檢測電壓。

表1 四缸輕型柴油機主要性能參數

注：進氣門和排氣門的開啟及關閉時刻均指氣門開啟高度為1mm所對應的時刻。

表2 燃燒室和噴油器參數

表3 試驗測試裝置

圖2 探針安裝位置示意圖

圖3 柴油機離子電流檢測系統示意圖

圖4 升壓模塊中升壓電路原理圖

檢測模塊包括離子電流探針、可調電阻和檢測電阻等，其中離子電流探針安裝在柴油機缸蓋中，位于兩個進氣門之間，并靠近噴油器，具體安裝位置示意如圖2所示。

在柴油機燃燒過程中，升壓模塊得到的檢測電壓施加到檢測模塊中。燃料在燃燒放熱過程生成的離子受到檢測模塊中高壓直流電場的影響而發生定向移動，正離子會向活塞移動，負離子則向離子電流探針移動，如此形成離子電流。

信號調理模塊包括信號跟隨電阻和信號反向放大器，該模塊的作用是將流經檢測電阻的離子電流信號進行反向和放大處理。經反向放大處理后的離子電流信號進行采集和實時計算，以便得到離子電流信號特征參數。

2.2 試驗方法與參數定義

首先起動和預熱柴油機，然后待冷卻水溫度和機油溫度均達到85℃、轉速等達到要求，在穩定工況下進行離子電流檢測試驗研究。

試驗過程中保持柴油機轉速為1 400r/min，每循環噴油量為16.5mm3，噴油壓力為120MPa，噴油時刻為352°CA(即上止點前8°CA)，EGR率為0。

圖5示出該試驗條件下，柴油機的缸內壓力、瞬時放熱率、離子電流和離子電流積分值等結果對比。將瞬時放熱率按曲軸轉角進行積分，將達到最大積分值的50%時對應的曲軸轉角定義為CA50，以此表征燃燒放熱過程的中點。同理，將離子電流按曲軸轉角進行積分，將達到最大離子電流積分值的50%對應的曲軸轉角定義為CAI50，以此作為離子電流的特征參數，表征離子電流生成過程的中點，它反映離子電流生成過程靠近上止點(360°CA)的程度。CA50和CAI50的示意如圖5所示。

圖5 離子電流特征參數定義

3 檢測系統參數對柴油機離子電流影響研究與分析

3.1 檢測電壓對柴油機離子電流的影響研究與分析

為探明檢測電壓對離子電流的影響，通過調整升壓電路中的可調電位器(如圖4所示)，將檢測電壓分別設定為200，300，400和500V進行缸內離子電流檢測試驗。試驗過程中柴油機的轉速為1 400r/min，每循環噴油量為16.5mm3，噴油壓力為120MPa，噴油時刻為352°CA，EGR率為0。

圖6給出了不同檢測電壓下離子電流和離子電流積分值的對比。由圖可見，隨著檢測電壓的增大，施加在缸體和離子電流探針之間的電場強度增強，檢測到的離子電流信號顯著增強，離子電流峰值和離子電流積分值隨著檢測電壓的升高而增大。

圖6 不同檢測電壓下離子電流和離子電流積分值的對比

不同檢測電壓下離子電流特征參數CAI50的對比如圖7所示。由圖可見，以檢測電壓為500V時的CAI50作為基準，檢測電壓從200V變化到500V，CAI50的變化范圍僅限于0.12～0.22°CA之內，這表明離子電流的生成過程和離子電流特征參數CAI50受檢測電壓的影響較小。

圖7 不同檢測電壓下CAI50的對比

3.2 離子電流探針結構參數對離子電流影響的研究

離子電流探針一般只能檢測到探針周圍的自由離子，因此不同離子電流探針結構參數會對離子電流信號造成一定的影響。離子電流探針結構參數主要包括離子電流探針在缸內突出長度和直徑。

為探明離子電流探針結構參數對離子電流特性的影響規律，設計了3種結構參數，如圖8所示。結構參數1為突出長度6mm，直徑2mm；結構參數2為突出長度6mm，直徑3mm；結構參數3為突出長度12mm，直徑2mm。試驗過程中柴油機的轉速為1 400r/min，每循環噴油量為16.5mm3，噴油壓力為120MPa，噴油時刻為352°CA，EGR率為0。

圖8 不同的探針結構參數示意

圖9給出了不同離子電流結構參數下離子電流和離子電流積分值的對比。由圖可見，離子電流探針在缸內的突出長度或直徑的變化均會對離子電流的峰值和離子電流積分值造成較大的影響，并且離子電流及其積分值隨著探針在缸內突出長度和直徑的增大而增大。這主要是由于隨著探針在缸內突出長度或直徑的增大，離子電流探針表面積即檢測區域得到擴大，離子電流探針能夠檢測到的自由離子增多所致。

圖9 不同離子電流探針結構參數下離子電流和離子電流積分值的對比

不同離子電流探針結構參數下得到的CAI50對比如圖10所示，以結構參數1 的CAI50作為基準，當增大探針直徑(即結構參數2)和增大探針在缸內突出長度(即結構參數3)，CAI50的變化范圍為0.25～0.55°CA，這表明離子電流探針結構參數對CAI50有一定的影響。這主要是由于探針在缸內突出長度或直徑的增大，會導致離子電流探針檢測區域擴大，相應檢測到的離子電流形態也發生一定的變化，進而對CAI50造成一定影響。

圖10 不同離子電流探針結構參數下CAI50的對比

綜上所述，檢測電壓和離子電流探針結構參數對離子電流信號強弱有顯著的影響，增大檢測電壓和離子電流探針在缸內的突出長度或直徑均可增強離子電流信號強度；隨著檢測電壓的升高，需要相應加強整個檢測系統的絕緣能力，并避免對其他系統(如噴油系統)造成干擾；離子電流探針在缸內突出的長度需和燃燒室形狀相匹配，要避免探針過長而碰到燃燒室壁面，同時離子電流探針的直徑大小受原機缸蓋上進氣道布置的限制；檢測電壓高低對CAI50的影響較小，而離子電流探針結構參數(即探針在缸內突出長度或直徑)對CAI50的影響較大。

4 結論

(1)本文中設計的柴油機離子電流檢測系統可有效地檢測到柴油機燃燒過程產生的離子電流，并提煉出CAI50，以此作為表征離子電流生成過程的中點，能反映出離子電流生成過程靠近上止點(360°CA)的程度。

(2)離子電流檢測系統的檢測電壓對離子電流信號強弱有著顯著的影響，提高檢測電壓可增強離子電流信號，但檢測電壓對CAI50的影響較小。

(3)離子電流探針結構參數(離子電流探針在缸內突出長度和直徑)對離子電流信號強弱有著顯著的影響，增大離子電流探針在缸內突出長度或直徑均可增強離子電流信號，且離子電流探針結構參數對CAI50影響較大。

[1] 陳保青，楊九思.離子電流作為燃燒訊號在內燃機中的應用[J].內燃機學報，1996, 14 (1):56-63.

[2] 汪映，周龍保，吳筱敏.離子電流法檢測發動機失火和爆震的研究[J].西安交通大學學報，2002,36(9):895-898.

[3] DONG Guangyu, LI Liguang, YU Shui, et al. Estimation on the location of peak pressure at quick start of HEV engine employing ion sensing technology[C]. SAE Paper 2008-01-1566.

[4] 董光宇.基于缸內燃燒循環的離子電流燃燒檢測與反饋控制研究[D].上海：同濟大學，2010.

[5] 張志永，李從躍，曹銀波，等.基于離子電流反饋的失火循環內補火控制試驗[J].內燃機學報，2012, 30(1):56-61.

[6] CAO Yinbo, ZHANG Zhiyong, SHEN Kang，et al. A novel closed loop control based on ionization current in combustion cycle at cold start in a GDI engine[C]. SAE Paper 2012-01-1339.

[7] VRESSNER A, HULTQVIST A, TUNEST?L P, et al. Fuel effects on ion current in an HCCI engine[C]. SAE Paper 2005-01-2093.

[8] KUBACH H, VELJI A, SPICHER U, et al. Ion current measurement in diesel engines[C]. SAE Paper 2004-01-2922.

[9] BADAWY T, RAI N, SINGH J, et al. Effect of design and operating parameters on the ion current in a single-cylinder diesel engine[J]. International Journal of Engine Research, 2011, 12 (6):601-616.

[10] SATZKOFF A, REINMANN R, BERGLIND T. An ionization equilibrium analysis of the spark plug as an ionization sensor[C]. SAE Paper 960337.

A Study on Parameters of Ion Current Detection System for Diesel Engine

Zhang Zhiqiang1, Zhao Fuquan2& Li Liguang3

1.DongfengLiuzhouMotorCo.,Ltd.,Liuzhou545005；2.TsinghuaAutomotiveStrategyResearchInstitute,TsinghuaUniversity,Beijing100084;3.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

An ion current detection system for diesel engine is developed to detect the ion current in diesel combustion process. A test is conducted and by changing the parameters of detection system, such as detection voltage and the diameter and protrusion of ion current probe, their effects on the intensity of ion current signals are comparatively studied. The results show that increasing detection voltage and the diameter and protrusion of ion current probe can intensify the ion current signals, and the diameter and protrusion of ion current probe have greater effects on CA I50 than detection voltage.

diesel engine; ion current detection system; detection voltage; probe protrusion; probe diameter

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7日。