基于離子電流的缸內異常燃燒診斷

童孫禹　李海邈　楊昭輝　胡宗杰　李理光

（同濟大學，上海　201804）

基于離子電流的缸內異常燃燒診斷

童孫禹李海邈楊昭輝胡宗杰李理光

（同濟大學，上海201804）

在一臺渦輪增壓PFI發動機上安裝火花塞式離子電流傳感器，在不同燃燒狀況下對比離子電流信號與缸壓信號及燃燒特征值的關系。當發動機轉速不變，隨著負荷的增加，離子電流信號積分值和平均指示有效壓力均呈現增加的趨勢；通過分析離子電流波形，能分別識別由火花塞未發生點火或噴油器未噴油或混合氣過稀造成的失火循環。進一步試驗還發現離子電流信號能夠提前識別早燃循環。

主題詞：發動機離子電流失火診斷

1　前言

小排量增壓汽油機由于熱負荷的大幅提升會受到一種非正常的燃燒現象——早燃的困擾［1～3］。因此，需要對缸內燃燒狀況進行精確的檢測和識別，以保證發動機可靠運轉。

離子電流作為一種有效的缸內燃燒狀況檢測方法很早就被提出并對其進行了大量研究，Lars Eriksson等［4～5］利用離子電流法在點火閉環控制上的實現，建立了參數化模型來描述離子電流。Shimasaki Y等人［6］研究發現，離子電流信號極值和到達時間取決于空燃比，當空燃比為12、13時，離子電流信號達到最大值。Tetsuo Kuma等人［7］得出離子電流可以用于火花塞附近混合氣空燃比測量的結論，并且通過采用離子電流能夠使空燃比控制在稀薄燃燒極限。Andre Saitzkoff［8］通過試驗得到可以通過離子電流來推算發動機的缸內壓力，表明利用離子電流可以替代傳統缸壓傳感器。Stefan Byttner等人［9～10］得出了離子電流積分值的波動與平均有效壓力的波動有很大關系。Giglio V等人［11］和Alexander Hettinger［12］用試驗驗證了用離子電流能檢測爆震；吳筱敏等［13］采用離子電流法和機體振動法同時檢測發動機的爆震，結果表明離子電流法具有安裝方便、信噪比高、信號處理簡單、測量準確、成本低廉等優點。

本文對正常燃燒循環及失火燃燒循環中離子電流與缸壓信號的相關性進行研究，并分析離子電流信號與早燃循環的關系。

2　試驗及分析

2.1正常燃燒循環離子電流特征值分析

本試驗臺架中發動機原機是某國產的1.8 T渦輪增壓PFI發動機，測功機為南豐提供的電力測功機，通過AVL油耗儀來供油，油壓為0.4 MPa，通過改造冷卻水路和進氣中冷使得發動機能正常運行。通過Kistler火花塞式缸壓傳感器測量缸壓，集成在點火線圈中的離子電流采集電路采集離子電流信號，光電編碼器用來同步信號并確定曲軸上止點位置。臺架系統示意圖如圖1所示。

圖1　臺架系統示意

發動機的具體參數如表1所列。

表1　發動機參數

由于缸內混合氣在火花點火、火核形成及火焰傳播等燃燒過程中會產生大量的自由電子、正負離子和自由基等帶電粒子（如CH3+、CH2O+、C3H3+、H2O+和NO+等離子及自由電子），且其存在于火焰前鋒區和已燃區，因此燃氣具有一定的導電性［8］。當火花塞兩極上加上直流偏置電壓，則火花塞間隙內就會形成一個電場，正離子向陰極方向運動，電子和負離子向陽極方向運動，形成火花塞離子電流。

圖2為離子電流檢測系統，其包括電容、二極管、分壓電阻以及信號處理電路等。其工作原理為火花塞點火時，電容進行充電；當缸內發生燃燒出現自由離子，電容放電與分壓電阻形成回路，此時測試分壓電阻的電壓值并經過運放電路放大即可獲得離子電流信號。

圖2　離子電流檢測系統電路圖

本文在調整離子電流檢測電路參數并確保集成離子電流信號采集電路的點火線圈的可靠性及準確性后，進行離子電流信號采集試驗。圖3是轉速為1 250 r/min、20%負荷下缸壓與離子電流信號典型波形圖。可以看出，缸壓峰值為1.5 MPa，峰值相位為375°；離子電流峰值為0.6 V，離子電流峰值相位為375°，缸壓和離子電流峰值相位十分吻合。同時，離子電流的曲線由3個峰值組成：第1個峰值出現在320°附近，此峰值是由于點火線圈的蓄能造成的；第2個峰值最大，出現在360°附近，此峰值是點火線圈放電后由于多余的能量在點火線圈中產生振蕩產生；第3個峰值才是真正的離子電流峰值，由圖3可知離子電流信號與缸壓信號在相位上有很好的對應關系。

圖3 1250 r/min，20%負荷缸壓與離子電流信號典型波形

圖4是離子電流信號積分值和平均指示有效壓力（IMEP）在不同轉速及負荷下的MAP圖。可以看出，在同一轉速下，隨著負荷增加，離子電流信號積分值和IMEP均增加。同時，在低速低負荷區域，離子電流積分值與IMEP都比較小，顯示該工況由于進氣量、噴油量都較少，缸內工質較少，燃燒溫度較低，所以IMEP較低。隨著負荷及轉速的上升，缸內工質增加，燃燒充分，缸內燃燒溫度也更高，更利于離子電流產生，離子電流信號明顯增強，故離子電流積分值與IMEP呈現一同增大的趨勢。由此可見，缸壓和離子電流均能反映缸內燃燒的情況。

圖4　離子電流信號積分值與IMEP的MAP圖

2.2失火工況離子電流特征值分析

2.2.1火花塞未點火時離子電流信號特征

試驗時通過ECU控制正在穩定運轉的發動機，保持噴油信號不變，突然切斷火花塞點火信號，造成缸內失火，當火花塞無法正常放電，即缸內失火時，離子電流信號將無法產生。圖5所示為1 500 r/min下各特征值的變化趨勢。可知，當切斷發動機點火信號后，發動機轉速迅速下降，IMEP也迅速下降，離子電流積分值也迅速下降，當點火恢復后，離子電流積分值信號恢復，轉速上升，IMEP增加。由圖5b可以明顯發現，當失火發生時，由于缸內未發生燃燒，離子電流積分信號非常小，且保持不變，這是由于本文算法導致的系統誤差。

圖5 1500r/min失火工況下IMEP與離子電流積分值變化關系

通過缸壓燃燒分析儀計算IMEP可以有效檢測缸內是否發生失火，從圖5可以發現，當缸內發生失火時，IMEP數值明顯小于正常燃燒時數值，同時通過檢查離子電流信號發現，在正常燃燒循環離子電流信號與缸壓信號相位和幅值對應都較好，當切斷點火信號發生失火時（圖6），由于缸內沒有燃燒現象，缸內沒有大量離子電流信號產生，同時由點火蓄能及放電造成的兩個干擾信號并沒有在離子電流信號中顯示，進一步證明缸內沒有發生有效點火，所以離子電流檢測電路能夠有效檢測缸內點火行為，避免發生失火。

圖6　切斷點火信號失火循環離子電流信號

通過應用該型離子電流檢測電路檢測缸內燃燒狀況時，判斷當離子電流信號中缺失兩個點火干擾信號可以證明火花塞并未有效點火，所以通過離子電流信號還可以檢測火花塞是否可靠工作，并能夠判斷是否因為火花塞未有效點火造成缸內失火（這與下文斷油失火離子電流信號特征有很大不同）。

2.2.2噴油器未噴油時離子電流信號特征

當發動機正常運轉時，IMEP值穩定，缸內燃燒正常。從切斷噴油信號開始，發動機轉速明顯下降（圖7），對應IMEP值驟降，同時失火工況下的離子電流積分值缺失，可認為此時缸內沒有離子電流產生。當缸內恢復噴油時，發動機恢復到原來工況，轉速迅速上升，IMEP值回歸正常范圍，離子電流積分值也隨之上升。

圖7 1500r/min下失火工況下IMEP與離子電流積分值變化關系

由于切斷噴油信號缸內無新鮮燃燒工質，致使自由離子數量無法大量產生，離子電流無法形成。由前文可知，離子電流積分值與IMEP值有較好的對應關系，因此當失火發生時，IMEP值減小，離子電流積分值隨之減小。

圖8所示為斷油情況下普通循環和失火循環對比，前兩個循環為普通循環，后兩個循環為失火循環。從圖8可以看出，當斷油之后，由于缸內沒有噴油，燃燒停止，導致只發生純壓縮。因為火花塞正常點火工作，所以由火花塞產生的兩個點火干擾仍然存在，但是點火干擾之后并沒有凸起的第3峰，即離子電流波峰并不存在。故由此可推斷缸內未發生可靠燃燒，無離子電流產生。所以通過檢測離子電流信號中2個點火干擾信號后有無正常離子電流信號，可以有效判斷噴油器是否正常工作，缸內是否發生斷油失火。

圖8　斷油失火循環示意

2.3早燃工況離子電流特征值分析

在正常燃燒循環發生時，離子電流信號依次產生順序為第1峰值-充電干擾、第2峰值-放電干擾、第3峰值-離子電流信號，但在如圖9所示的早燃循環中，離子電流信號產生順序產生了顯著變化，當火花塞發生點火蓄能后（產生第1峰值-充電干擾信號），由于在缸內發生早燃現象，混合氣發生自燃，自燃初期就產生了離子電流信號，并且隨著缸內壓力不斷上升，缸內溫度不斷上升，離子電流信號強度也不斷上升（第3峰值-早燃離子電流信號），同時早燃離子電流信號持續期td也顯著大于第1峰值及第2峰值信號，本試驗檢測到的早燃離子電流信號td值為25°。故對于該發動機，當采用離子電流檢測早燃時，當td值大于20°即可認為發生早燃。

圖9　離子電流信號檢測早燃示意

3　結束語

離子電流信號與缸壓信號有很好的對應關系，離子電流積分值與IMEP也呈現一致變化規律，說明離子電流信號能夠很好的表征缸內燃燒狀況。

當缸內發生失火時，無論是火花塞未點火還是由噴油器未噴油造成的失火循環中，離子電流信號與正常燃燒循環信號顯著不同，說明離子電流信號能夠有效檢測缸內失火，并且通過分析離子電流信號能夠識別失火原因。

在早燃循環發生時，離子電流能夠檢測到自燃產生的燃燒離子電流信號，并有效區別早燃循環及非早燃循環。而缸壓閾值判斷早燃法有一定局限性。由于早燃離子電流信號出現時刻先于點火信號約25°，這就使ECU有較寬裕的時間采取措施，如打開排氣門、向缸內噴射過量燃油等，以實現抑制早燃的目的。

1Dahnz C，Han K M，Spicher U，et al.Investiga-tions on preignition in highly supercharged SI engines.SAE Technical Paper，2010.

2Dahnz C，Spicher U.Irregular combustion in supercharged spark ignition engines-pre-ignition and other phenomena. International Journal of Engine Research，2010，11（6）：485～498.

3Manz P W，Daniel M，Jippa K N，et al.Preignition in highlycharged turbo-charged engines.8th International Symposium on Combustion Diagnostics，Baden-Baden，2008.

4Lars Eriksson，et al.Ignition control by ionization current interpretation.SAE paper，960045，1995.

5Lars Eriksson，et al.Closed loop Ignition control by ionization current interpretation.SAE paper，970854，1997.

6Shimasaki Y，Maki H，et al.Study on Combustion Monitoring System for Formula One Engines Using Ionic Current Measurement.SAE paper，2004-01-1921.

7Tetsuo Kuma，Morito Asano，Manabu Takcuchi，et al.Development of new ion current combustion control system.SAE Paper，970856，1997.

8Raymond Reinmann，et al.Local air-ratio measurements using the spark plug as an ionization sensor.SAE paper，970855，1997.

9Byttner S，Rognvaldsson T，et al.Estimation of combustion variability using in-cylinder ionization measurements.SAE Paper，2001-01-3484.

10Stefan Byttner.Using multiple cylinder ion measurements for improved estimation of combustion variabiIity.SAE Paper，2005-01-0042.

11Giglio V，Police G，Rispoli N，et al.Experimental Investigation on the Use of Ion Current on SI Engines for Knock Detection.SAE Paper，2009-01-2745.

12Alexander Hettinger，Andre Kulzer.A new method to detect knocking zones.SAE Paper，2009-01-0698.

13吳筱敏，汪映，李福明.采用離子電流法與機體爆震法檢測爆震的比較.西安大學學報，2001（10）：1059～1066.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年7月25日。

In-cylinder Abnormal Combustion Detection Using Ion Current

Tong Sunyu，Li Haimiao，Yang Zhaohui，Hu Zongjie，Li Liguang
（Tongji University，Shanghai 201804）

The ion current signal is collected and compared with the cylinder pressure signal and other combustion characteristics in different combustion conditions on a turbo charged PFI engine，integrated with a spark plug type ion current signal sensor.As the engine load increases with the same engine speed，both ion current signal integral value and IMEP increase.The ion current signal can detect the misfire cycles and distinguish from different misfire cycles caused by ignition-free of the spark plug and injection-free of the injector or over-lean air fuel mixture.Further test also identifies that ion current signal can detect the pre-ignition cycles in advance.

Engine,Ion current,Misfire diagnosis

U464.11+4

A

1000-3703（2016）09-0018-04