柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)綜述

張志強(qiáng)趙福全李理光

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州 545005；2.清華大學(xué) 汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院，北京 100084；3.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)綜述

張志強(qiáng)1趙福全2李理光3

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州 545005；2.清華大學(xué) 汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院，北京 100084；3.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

基于內(nèi)燃機(jī)離子電流形成機(jī)理，闡述了燃料在化學(xué)電離和熱電離過程中的簡化化學(xué)反應(yīng)；結(jié)合離子電流檢測技術(shù)在汽油機(jī)和柴油機(jī)上應(yīng)用的異同點(diǎn)，分別簡述汽油機(jī)和柴油機(jī)離子電流檢測系統(tǒng)原理；根據(jù)柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)的發(fā)展階段，依次歸納了各研究階段的成果；最后綜合相關(guān)研究人員的最新研究工作，綜述了該技術(shù)在柴油機(jī)瞬態(tài)燃燒過程排放物預(yù)測、燃燒特性預(yù)測和閉環(huán)反饋控制的研究成果。

1 前言

常見的內(nèi)燃機(jī)工作過程檢測方法主要有3種，第1種是通過缸壓傳感器檢測氣缸壓力，并結(jié)合閉環(huán)反饋控制策略，可實(shí)現(xiàn)燃燒過程閉環(huán)控制。第2種是通過光纖傳感器檢測燃燒產(chǎn)物發(fā)出的光譜，并分析出燃燒特性等信息[1]。第3種是通過離子電流傳感器檢測燃燒產(chǎn)生的自由離子基團(tuán)，并使其形成離子電流。通過對該信號進(jìn)行分析可獲得內(nèi)燃機(jī)工作過程信息。該檢測方法具有裝置簡單、成本低和安裝便利等優(yōu)點(diǎn)。

離子電流概念的提出已有百年的歷史[2]，但在內(nèi)燃機(jī)上的研究僅數(shù)十年。盡管如此，離子電流檢測技術(shù)一直得到重視，其在汽油機(jī)領(lǐng)域獲得的研究和應(yīng)用成果頗豐，在柴油機(jī)方面的研究和應(yīng)用也正在進(jìn)行。

本文介紹離子電流檢測原理，并簡述其在汽油機(jī)和柴油機(jī)應(yīng)用的異同點(diǎn)，最后著重綜述柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)研究歷程及進(jìn)展、技術(shù)突破和應(yīng)用前景。

2 離子電流檢測原理

內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中會產(chǎn)生大量的自由離子。在火花塞的兩級或以離子電流探針為一級，缸體為另一級，施加合適的檢測電壓，自由離子會形成離子電流。離子電流的形成主要源于化學(xué)電離和熱電離。

化學(xué)電離是指在燃燒初期，燃料逐漸產(chǎn)生一些離子。該階段離子電流的形成受燃料的揮發(fā)性和分解性影響較大，其離子電流形成涉及的化學(xué)反應(yīng)為[3]：

熱電離一般發(fā)生在燃燒后期，受熱運(yùn)動影響形成離子，并且大多與NO有關(guān)。這主要是由于NO發(fā)生電離所需要的活化能量最小。熱電離涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為[4]：

式中，M主要是指NO；Eion為熱基團(tuán)。

汽油機(jī)和柴油機(jī)離子電流檢測系統(tǒng)原理分別如圖1和圖2所示。在汽油機(jī)中，一般可利用火花塞和一些外部電路構(gòu)成離子電流檢測回路，并測試離子電流信號。而在柴油機(jī)中，離子電流檢測系統(tǒng)的安置比汽油機(jī)困難，這主要是由于在柴油機(jī)中需要在缸蓋上打孔和額外安裝一個離子電流探針，或是在柴油機(jī)的預(yù)熱塞孔中安裝離子電流探針。

圖1 汽油機(jī)離子電流檢測系統(tǒng)示意[5]

圖2 柴油機(jī)離子電流檢測系統(tǒng)示意[6]

由于柴油機(jī)過量空氣系數(shù)比汽油機(jī)高，同時缸內(nèi)平均溫度比汽油機(jī)低，這些因素均影響和抑制燃料的化學(xué)電離和熱電離過程，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)離子電流信號較弱。因此，柴油機(jī)離子電流信號檢測電壓比汽油機(jī)高。

另外，在結(jié)合離子電流信號進(jìn)行閉環(huán)反饋控制時，汽油機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前循環(huán)內(nèi)的離子電流信號，采取補(bǔ)火及補(bǔ)油反饋手段，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)內(nèi)的閉環(huán)反饋控制；而柴油機(jī)燃燒持續(xù)期較短，同時較難實(shí)現(xiàn)補(bǔ)油和補(bǔ)燃，因此反饋控制難以在同一循環(huán)來實(shí)現(xiàn)。

3 柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)研究歷程及進(jìn)展

柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)的研究和發(fā)展歷程可以歸納成3個主要階段：初期階段為柴油機(jī)離子電流的形成機(jī)理研究，中期階段為燃料特性和檢測結(jié)構(gòu)對離子電流影響研究，近期階段為柴油機(jī)工況參數(shù)下離子電流信號研究。

3.1 初期階段

早期大量的學(xué)者一方面通過試驗手段對離子電流的形成過程和形成區(qū)域等進(jìn)行試驗研究，另一方面通過結(jié)合化學(xué)動力學(xué)模型進(jìn)行模擬研究。2002年，Kessler等人[7]采用光學(xué)測試方法對柴油機(jī)中離子電流的形成機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電子和帶負(fù)電的離子均是離子電流中負(fù)電荷的載體；而汽油機(jī)中只有電子是離子電流中負(fù)電荷的主要載體。這主要是由于柴油和汽油在燃燒時產(chǎn)生自由離子的化學(xué)反應(yīng)過程略有不同。

2004年，Kubach等人[8]對柴油機(jī)中離子電流存在的區(qū)域進(jìn)行試驗研究。結(jié)果表明，柴油機(jī)中離子電流存在的區(qū)域較為廣泛，可以分布在預(yù)混合火焰區(qū)域、擴(kuò)散火焰區(qū)域、碳煙生成區(qū)域和碳煙氧化區(qū)域中。Mehresh和Dibble等人[9～10]結(jié)合Warnatz自由離子形成骨架機(jī)理，首次搭建出以丙烷為燃料的HCCI燃燒方式下的離子電流仿真研究模型，該仿真模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖3所示。在不同的當(dāng)量比范圍下，仿真計算得到的離子電流峰值和試驗值具有較好的一致性。

圖3 離子電流仿真和試驗結(jié)果對比[10]

3.2 中期階段

為了進(jìn)一步探明離子電流生成特性的規(guī)律，大量學(xué)者結(jié)合不同的燃料特性開展離子電流特性研究；同時，基于定容燃燒彈和實(shí)際柴油機(jī)結(jié)構(gòu)，相關(guān)學(xué)者開展了檢測結(jié)構(gòu)對離子電流的影響研究。

Reinman等人[11]分別利用發(fā)動機(jī)和置于大氣環(huán)境中的燃燒器對含有堿金屬添加劑的燃料進(jìn)行離子電流檢測，發(fā)現(xiàn)離子電流隨著堿金屬含量增大而增強(qiáng)。這主要是由于堿金屬的電離所需能量較低，在燃燒過程中，堿金屬含量越高，越易形成離子電流。

Franke等人[12]基于定容燃燒彈進(jìn)行離子電流試驗研究，發(fā)現(xiàn)空氣中的微量堿金屬在低溫環(huán)境下能夠有效促進(jìn)NO生成NO+離子，從而促進(jìn)離子電流的形成。

George等人[13]基于一臺輕型柴油機(jī)，結(jié)合3種不同物理和化學(xué)特性的燃料（低硫柴油ULSD、航空柴油JP-8和合成柴油Sasol-IPK）開展離子電流特性試驗研究。結(jié)果表明，對比不同燃料及不同負(fù)荷工況，在預(yù)混和擴(kuò)散燃燒階段離子電流與缸內(nèi)燃燒信號（缸壓、放熱率曲線等）均具備較好的關(guān)聯(lián)性。即離子電流技術(shù)可以應(yīng)用于不同的燃料和工況燃燒分析研究工作中。

Vressner等人[14]對不同的離子電流檢測電極安裝位置進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明不同安裝位置測得的離子電流信號有所不同。這主要是由于離子電流反映的是檢測電極的局部燃燒信息，故在不同的安裝位置所測信號會有一定差異。Henein等人[15]針對如圖4所示的3種不同檢測電極突出高度和兩種電測電壓進(jìn)行離子電流檢測研究，試驗結(jié)果如圖5所示。檢測電極突出高度對離子電流信號特征有一定的影響，在較短突出高度下離子電流信號會出現(xiàn)較多的凸峰，而在較長突出高度下離子電流信號基本只有一個峰值。這可能是由于較長突出高度時電極所檢測到的不同火焰區(qū)域信號相互疊加而導(dǎo)致峰值數(shù)量減少。分析耦合檢測電壓和突出高度的試驗結(jié)果可知，在高檢測電壓（600 V）下離子電流信號較強(qiáng)，但是高檢測電壓在較短突出高度下對離子電流信號的增強(qiáng)效果并不明顯。

圖4 電極突出高度示意[15]

圖5 不同電極突出高度下離子電流對比[15]

為突破實(shí)際柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和布局的限制，李春艷等人[16]基于定容燃燒彈，結(jié)合多種不同的電極檢測位置、正負(fù)極檢測面積，開展檢測結(jié)構(gòu)對離子電流的影響研究。結(jié)果表明，電極位置決定著離子電流的出現(xiàn)時刻并影響著離子電流的大小、峰值及峰值時刻等特征參數(shù)；測量電極（正極和負(fù)極）接觸面積越大，電極吸收的電荷量就越多，離子電流幅值也就越高，且負(fù)電極面積對離子電流的影響大于正電極。

3.3 近期階段

為加快離子電流技術(shù)在柴油機(jī)上的工程應(yīng)用實(shí)踐，近期大量的學(xué)者結(jié)合實(shí)際柴油機(jī)工況參數(shù)，開展了離子電流特性分析、離子電流與燃燒等特征參數(shù)的對比研究，并獲得了成功的工程應(yīng)用實(shí)例。

Henein等人[17]結(jié)合一臺1.9L輕型高速柴油機(jī)，對比分析不同噴油壓力和負(fù)荷狀態(tài)下的離子電流特性。結(jié)果表明，離子電流信號隨著噴油壓力和負(fù)荷的增大而增強(qiáng)。Huang和Mehta[18]針對柴油機(jī)HCCI燃燒模式，開展了不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度下的離子電流試驗研究，結(jié)果如圖6～圖8所示。結(jié)果表明，離子電流受轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度的影響較大，離子電流隨著轉(zhuǎn)速的升高而減弱，隨著進(jìn)氣增壓壓力的升高而減弱，隨著進(jìn)氣溫度的升高而加強(qiáng)。

圖6 離子電流隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系[18]

圖7 離子電流隨進(jìn)氣壓力的變化關(guān)系[18]

圖8 離子電流隨進(jìn)氣溫度的變化關(guān)系[18]

Strandh等人[19]在一臺重型柴油機(jī)上進(jìn)行離子電流檢測，結(jié)果表明離子電流信號達(dá)到峰值的50%所對應(yīng)的時刻滯后于基于缸內(nèi)壓力信號推算得到的CA50時刻。這主要是由于離子電流檢測到的是檢測電極附近的離子電流特性，是一個局部信號，而缸內(nèi)壓力信號是全局信號。另外，這兩個時刻之間的相關(guān)度較高，因此可以用于內(nèi)燃機(jī)工作過程的燃燒相位的判定。Yoshiyama等人[20]以正庚烷進(jìn)行HCCI離子電流檢測試驗，結(jié)果表明離子電流的峰值相位（θP）比放熱率的第2個峰值（高溫反應(yīng)階段）相位（θH）滯后5°，兩者之間的相關(guān)性如圖9所示。結(jié)果表明，兩者具有較高的相關(guān)性。

圖9θP和θH的相關(guān)性[20]

Badawy等人[21～22]通過在一臺高壓共軌柴油機(jī)上同時采集缸壓信號、離子電流信號和振動信號，并對其進(jìn)行FFT頻域分析，研究結(jié)果如圖10所示。可知，離子電流信號與缸壓信號及振動信號具有非常好的一致性。結(jié)合進(jìn)一步的分析和研究發(fā)現(xiàn)，離子電流信號可以作為一個反饋信號提供給ECU，并可以基于該信號來反饋控制柴油機(jī)的振動和噪聲。

康哲等人[23]研究了不同EGR率、噴油壓力、噴油量、轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度等工況參數(shù)對離子電流信號和燃燒相位相關(guān)性的影響。結(jié)果表明，柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的離子電流信號與燃燒相位之間的相關(guān)系數(shù)在不同工況下均接近或達(dá)到0.8，該相關(guān)性為高度相關(guān)，即利用離子電流信號進(jìn)行燃燒相位的預(yù)測具備較好的準(zhǔn)確性。

圖10 缸壓信號、離子電流信號和振動信號的FFT分析對比[21～22]

Glavmo等人[24]基于一臺高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行了大量離子電流檢測試驗研究，并提出了基于離子電流信號的燃燒始點(diǎn)相位判斷方法，其判斷流程如圖11所示。首先對離子電流信號進(jìn)行濾波和差分，當(dāng)差分值首次超過所設(shè)定的強(qiáng)度閾值時，即判斷該時刻為燃燒始點(diǎn)。基于該閉環(huán)反饋方法可以使ECU相應(yīng)調(diào)整進(jìn)氣量、燃油噴射時刻和水溫等來調(diào)整燃燒始點(diǎn)。

圖11 基于離子電流檢測的燃燒始點(diǎn)相位判斷[24]

4 柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)突破和應(yīng)用前景

縱觀柴油機(jī)離子電流檢測技術(shù)的研究歷程及進(jìn)展、技術(shù)突破和應(yīng)用前景，該技術(shù)從早期的定性研究逐步發(fā)展到定量或模型化研究；從穩(wěn)態(tài)工況研究逐步發(fā)展到循環(huán)瞬態(tài)工況研究，并對柴油機(jī)燃燒過程相關(guān)特性及參數(shù)實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測和閉環(huán)反饋控制。

Estefanous[25]和Badawy等人[26]基于試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個柴油機(jī)工作循環(huán)下離子電流信號與NOx和碳煙排放生成具有較強(qiáng)的相關(guān)性。為此，他們提出了針對循環(huán)工況下的基于離子電流的NOx和碳煙排放預(yù)測模型。該研究為后續(xù)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況下柴油機(jī)的NOx和碳煙排放物生成預(yù)測、排放閉環(huán)控制提供了新的思路和應(yīng)用前景。

Rao和Honnery[27]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，建立了基于離子電流信號的柴油機(jī)工作膨脹功、平均指示有效壓力和扭矩的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。結(jié)果表明，為提高循環(huán)工況下的預(yù)測精度，仍需提供更多試驗數(shù)據(jù)樣本，并結(jié)合空燃比、噴油壓力、缸壓和排放等數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善該預(yù)測模型。

本文通過自主搭建柴油機(jī)離子電流檢測系統(tǒng)，開展柴油機(jī)離子電流特性研究，并提出基于離子電流信號特征參數(shù)（CAI50）的燃燒放熱過程特征參數(shù)（CA50）估計方法。同時針對柴油機(jī)低溫燃燒穩(wěn)態(tài)工作過程，建立基于離子電流的柴油機(jī)低溫燃燒閉環(huán)反饋控制策略，如圖12所示。并通過試驗對比研究采用閉環(huán)反饋控制前后的柴油機(jī)動力性、排放性和燃燒穩(wěn)定性。

圖12 低溫燃燒閉環(huán)反饋控制策略[6]

該閉環(huán)反饋控制策略中，噴油時刻修正算法采用的是PID控制算法，該算法通過輸入CA50與目標(biāo)CA50aim的偏差，并將該偏差的比例、積分和差分部分通過線性組合方式構(gòu)成反饋控制量，即噴油時刻修正量。具體控制算法的計算公式為：

式中，E(i+1)為下一循環(huán)的噴油時刻修正量，即E（i+1）=SOI（i+1）-SOI（i）；e（i）為CA5（0i）與CA50aim的偏差；kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；ki為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；kd為差分調(diào)節(jié)系數(shù)；i代表當(dāng)前循環(huán)。

閉環(huán)反饋控制前后的缸內(nèi)壓力、HC排放和離子電流的對比如圖13所示。由圖13a可知，在閉環(huán)反饋控制前，由于采用較大的EGR率來實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，EGR廢氣與進(jìn)氣系統(tǒng)中新鮮充量的相互混合過程存在一定的變動，致使每個工作循環(huán)的燃燒邊界條件和燃燒狀態(tài)不一致，進(jìn)而導(dǎo)致低溫燃燒下缸內(nèi)壓力、HC排放和離子電流均出現(xiàn)較大的波動。

圖13 閉環(huán)反饋控制前后的缸內(nèi)壓力、HC排放和離子電流對比[6]

采用基于離子電流閉環(huán)反饋控制后的試驗結(jié)果如圖13b所示。通過實(shí)時檢測各個工作循環(huán)的離子電流信號，來估計出CA50，并根據(jù)CA50與CA50aim的差異，不斷調(diào)整下一循環(huán)的噴油時刻，使得各個工作循環(huán)的低溫燃燒過程較為穩(wěn)定，缸內(nèi)壓力和離子電流信號較一致，HC排放總體得到降低。

5 結(jié)束語

國內(nèi)外關(guān)于在柴油機(jī)上進(jìn)行離子電流檢測技術(shù)的研究尚處于初步階段，該檢測技術(shù)在實(shí)際柴油機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用和推廣還需要更進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀和成果可知，離子電流檢測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)實(shí)時工作過程檢測的一種非常有效和低成本的技術(shù)，并且該技術(shù)具有建立柴油機(jī)工作過程排放物及相關(guān)燃燒特性預(yù)測模型、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的潛力。

從開展的基于離子電流檢測技術(shù)的柴油機(jī)低溫燃燒閉環(huán)反饋控制研究成果來看，離子電流檢測技術(shù)能夠檢測出柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)。基于離子電流信號并結(jié)合相應(yīng)閉環(huán)反饋控制策略后，燃燒穩(wěn)定性得到提高，柴油機(jī)的工作特性和排放性能均得到改善。

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27 Rahul Rao，Damon Honnery.The prediction of torque in a diesel engine using ion currents and artificial neural net?works.International Journal of Engine Research,2014,15（3）:370～380.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

An Overview on Ion Current Detecting Technology of Diesel Engine

Zhang Zhiqiang1,Zhao Fuquan2,Li Liguang3
（1.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou 545005;2.Automotive Strategy Research Institute, Tsinghua University,Beijing 100084;3.Tongji University,Shanghai 201804）

The simplified chemical reaction of fuels during chemical ionization and thermal ionization was elaborated in this paper based on the formation mechanism of ionic current of internal combustion engine;in combination of similarities and differences of ionic current detecting technology in gasoline and diesel engine,the systematic principle of ionic current detection of gasoline and diesel engine was briefly described;then achievement from different research stages was summarized according to the development phase of ionic current detecting technology of diesel engine;finally research achievement of this technology in emission forecast,combustion characteristic forecast and closed loop feedback control of diesel engine in instantaneous combustion was summarized.

Diesel engine,Ion current,Closed-loop control

柴油機(jī) 離子電流 閉環(huán)控制

464.11+.4

A

1000-3703（2016）12-0001-06