柴油機工況參數對離子電流影響的試驗研究

張志強，康哲，胡宗杰

(1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；3.重慶大學汽車工程學院，重慶 400044；4.同濟大學汽車學院，上海 200092)

伴隨著汽車保有量的日益增加，汽車造成的環境污染和能源危機問題日趨嚴重。內燃機是汽車主要動力源，為了改善其燃燒及排放性能，迫切需要對內燃機燃燒過程實現更為精細和實時的分析和控制。因此內燃機缸內檢測及閉環控制技術成為了新的研究重點。

早期有學者[1]通過對內燃機燃燒過程中化學電離和熱電離反應進行理論分析，得知內燃機燃燒過程中會形成離子電流，并且結合Warnatz自由離子形成骨架機理進行仿真分析，證實仿真結果和試驗結果較為吻合。陳保青和汪映等[2-3]設計了針對汽油機的離子電流檢測系統，研究結果表明該檢測系統能夠有效地探測出缸內燃燒情況，并且相比傳統基于缸壓傳感器的缸內燃燒診斷方法，具有成本低和裝置簡單等優勢。同濟大學李理光團隊[4-9]研究了缸內直噴和均質壓燃等汽油機燃燒和工作模式下的離子電流信號特征，對離子電流信號特征進行提取和分析，并提出了實現燃燒閉環控制的方法。

鄧俊和高忠權等[10-11]分別將離子電流檢測方法應用到氣體燃料和甲醇燃料發動機中，研究結果表明離子電流信號與基于缸壓計算的燃燒特征值具有很強的一致性，即離子電流檢測方案能夠在線測量氣體燃料和甲醇燃料的燃燒特性，并具備診斷燃燒失火的潛力。

筆者自主設計和開發了一種柴油機離子電流檢測系統[12]，初步探明了柴油機中離子電流信號和燃燒相位信號之間具有強相關性[13]，并且在不同供油參數下，離子電流相位和燃燒相位變化規律均一致[14]。本研究進一步結合不同的EGR率、轉速和冷卻水溫度等工況參數，研究離子電流特性，并分析離子電流相位和燃燒特性相位之間的變化規律。

1 試驗系統及工況參數定義

柴油機主要參數見表1，搭建的柴油機試驗系統見圖1。為了更好地控制EGR率等參數，并開展柴油機離子電流和燃燒信號檢測，本試驗系統重點針對該柴油機的第4缸(即圖1中最左側的氣缸)進行改裝，并且將該缸的進排氣系統與其他3個氣缸分離。

表1 試驗柴油機主要參數

1—進氣穩壓器；2—進氣流量計；3—EGR冷卻系統；4—缸壓傳感器；5—EGR閥；6—共軌噴油系統；7—離子電流探針；8—光電編碼系統；9—背壓閥。圖1 柴油機離子電流試驗系統框圖

本研究所用的柴油機離子電流檢測系統、關鍵模塊和電路見圖2，系統主要含升壓模塊、檢測模塊和信號調理模塊等三大子模塊。升壓模塊由車載蓄電池和升壓電路組成，其作用是通過車載蓄電池的電源升壓至所需的檢測電壓(最高可至500 V)。柴油在燃燒化學過程中會生成一些離子，這些離子受到檢測電壓電場的影響而發生定向移動，正離子朝活塞移動，負離子朝離子電流探針移動，如此便形成了離子電流。

圖2 柴油機離子電流檢測系統

檢測模塊由探針、可調電阻和檢測電阻構成，探針安裝在柴油機試驗所用第4缸蓋上方，具體位于雙進氣門之間，并靠近噴油器，安裝位置示意見圖3。信號調理模塊由信號跟隨電阻和信號反向放大器組成，基于該模塊可將流經檢測電阻的離子電流信號進行反向及放大處理。對離子電流信號進行采集和處理后，計算得到離子電流信號特征參數。

圖3 離子電流探針安裝位置示意

本研究選定了包括EGR率、轉速和冷卻水溫度在內的3種工況參數，具體見表2。試驗采用單一變量法來進行，循環噴油量固定為16.5 mm3，噴油壓力設定為120 MPa，噴油時刻保持在352°(即8°BTDC)。

表2 工況參數

為了更好地分析燃燒過程，將瞬時放熱率結合曲軸轉角進行積分運算。燃燒放熱過程的中點CA50以達到最大積分值50%所對應的曲軸轉角來表征。同理，將離子電流按照曲軸轉角進行積分，且離子電流生成過程的中點CAI50以達到最大離子電流積分值50%對應的曲軸轉角來表征。CA50和CAI50示意見圖4。

圖4 CA50和CAI50示意圖

2 工況參數對柴油機離子電流特性的影響

2.1 EGR率的影響

不同EGR率下缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的試驗結果見圖5。試驗結果表明，隨著EGR率的增大，缸內壓力和瞬時放熱率峰值均降低，其峰值相位均后移。這主要是由于隨著EGR率的增大，缸內氧濃度和缸內平均溫度均降低，燃燒不充分而導致缸內壓力和瞬時放熱率降低。離子電流同樣隨著EGR率的增大而降低，并且離子電流的峰值相位也隨之后移。從離子電流的生成機理分析可知，離子電流的生成過程由化學電離和熱電離構成，EGR率增大會導致燃料燃燒不充分，即化學電離過程會被削弱。同時EGR率增大會導致缸內平均溫度降低，NOx排放減少，這將大幅減少熱電離過程。故綜合這兩個方面的影響分析，可知離子電流會隨著EGR率的增大而降低。

圖5 EGR率對缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的影響

不同EGR率下離子電流峰值和積分值的對比見圖6。隨著EGR率從0%增大到44%，離子電流的峰值和積分值分別從17.1 μA和94.2 μA·(°)降低至13.7 μA和71.9 μA·(°)，降幅為19.8%和23.7%。

圖6 EGR率對離子電流峰值和積分值的影響

不同EGR率下CA50和CAI50的對比見圖7。圖7結果表明，CA50和CAI50均隨著EGR率的增大而增大，并遠離上止點。這主要是由于隨著EGR率的增大，燃燒放熱過程和離子電流生成過程均遠離上止點。同時在不同的EGR率下，CAI50呈現大于CA50的規律，即CAI50滯后于CA50。這主要是由于CA50是由缸壓傳感器檢測和計算得到，其能夠表征缸內全局燃燒狀態。而CAI50是通過離子電流探針檢測和計算得到，主要反映離子電流探針處的離子電流生成狀態，故相比之下會存在一定的滯后[15]。當EGR率增大時，CAI50和CA50之間的滯后會隨之增大。這主要是隨著EGR率的增大，EGR系統引回氣缸的廢氣帶來的化學效應和熱效應增強，進而導致生成離子電流的化學電離和熱電離反應減弱和滯后，使得CAI50相對于CA50的滯后隨著EGR率的增大而增大。

圖7 EGR率對CA50和CAI50的影響

2.2 轉速的影響

不同轉速下缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的試驗結果見圖8。試驗結果表明，隨著轉速的增大，缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流峰值相位均遠離上止點。這主要是由于本研究針對不同的轉速均采用了相同的噴油時刻，一般而言，隨著轉速的增大，以曲軸轉角計的滯燃期會相應增加[16]。因此，轉速越高，以曲軸轉角來分析，燃料的燃燒、放熱和離子電流生成過程均會滯后，從而使得缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流峰值相位遠離上止點。

圖8 轉速對缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的影響

1 000～1 800 r/min轉速范圍內離子電流的峰值和離子電流積分值的變化規律見圖9。圖9結果表明，隨著轉速從1 000 r/min增大至1 800 r/min，離子電流峰值和積分值從20.2 μA和101.6 μA·(°)降低至9.8 μA和67.3 μA·(°)，降幅分別達51.4%和33.8%。轉速增大會給缸內燃燒過程帶來兩個方面的影響：一方面是轉速增大，而噴油時刻保持不變，會導致燃燒放熱過程滯后；另一方面是轉速增大，而配氣相位及氣門升程保持不變，會導致以時間計的進氣行程縮短，吸入缸內的新鮮空氣量減少，燃燒不充分。轉速增大帶來的這兩個方面的影響，均會導致缸內溫度下降，弱化燃料的燃燒及分解反應，削弱離子電流的生成，從而導致離子電流峰值和積分值降低。

圖9 轉速對離子電流峰值和積分值的影響

不同轉速下CAI50和CA50的變化規律見圖10。圖10結果表明，隨著轉速的增大，CAI50和CA50均增大。這主要是由于以曲軸轉角計的滯燃期隨著轉速的增大而增加，進而導致燃燒放熱過程和離子電流生成過程后移。

圖10 轉速對CA50和CAI50的影響

2.3 冷卻水溫度的影響

圖11示出不同冷卻水溫度下缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的試驗結果。圖11結果表明，隨著冷卻水溫度的升高，缸體溫度也升高，改善了燃燒室內的熱氛圍，有效地促進燃料的蒸發和分解，從而導致缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流增大。同時缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流曲線前移，峰值相位更加靠近上止點。

圖11 冷卻水溫度對缸內壓力、瞬時放熱率和離子電流的影響

不同冷卻水溫度下離子電流峰值、離子電流積分值、CA50和CAI50的變化規律分別見圖12和圖13。隨著冷卻水溫度從35 ℃升高至85 ℃，離子電流峰值和積分值分別從11.3 μA和60.5μA·(°)上升至17.1 μA和94.2 μA·(°)，升幅分別達50.8%和55.7%。冷卻水溫度的升高能夠改善缸內燃燒熱氛圍，縮短燃燒滯燃期，使得燃燒放熱過程和離子電流生成過程前移，CA50和CAI50隨著冷卻水溫度的升高而減小。

圖12 冷卻水溫度對離子電流峰值和積分值的影響

圖13 冷卻水溫度對CA50和CAI50的影響

2.4 工況參數的影響

對EGR率、轉速和冷卻水溫度等工況參數下的離子電流特性進行匯總。如圖14所示，EGR率和轉速的增大會導致離子電流峰值和積分值降低；而冷卻水溫度升高會導致離子電流峰值和積分值上升。在本研究的工況參數中，轉速和冷卻水溫度對離子電流的峰值和積分值的影響程度強于EGR率對離子電流的峰值和積分值的影響程度。

圖14 工況參數對離子電流峰值和積分值的影響

工況參數對CA50和CAI50的影響見圖15。由圖15知，EGR率和轉速的增大均使得CA50和CAI50遠離上止點；冷卻水溫度的升高使得CA50和CAI50靠近上止點。

圖15 工況參數對CA50和CAI50的影響

綜合而言，不同工況參數下，CAI50均滯后于CA50。同時CA50和CAI50隨工況參數的變化規律一致，證明了離子電流能夠可靠地反映柴油機缸內的燃燒狀態。

3 結論

a) EGR率和轉速增大會使得離子電流峰值和積分值降低，同時離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50遠離上止點；冷卻水溫度升高會使離子電流峰值和積分值上升，同時離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50靠近上止點；

b) 在本試驗選取的工況參數中，轉速和冷卻水溫度對離子電流的影響程度大于EGR率對離子電流的影響程度；

c) 在各種工況，離子電流相位CAI50均滯后于燃燒相位CA50；同時離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50的變化規律一致，即離子電流信號能夠可靠地表征缸內燃燒過程。