1、 離子電流檢測電路與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 0 引言內(nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的自由電子、正負(fù)離子和自由基等帶電粒子，使混合氣具有一定的導(dǎo)電性。對于火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，如果在火花塞兩極之間加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷壕蜁?huì)形成離子電流1；對于壓縮自燃式發(fā)動(dòng)機(jī)例如柴油機(jī)，也可以通過自加電極的方式形成離子電流2。離子電流包含大量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和運(yùn)轉(zhuǎn)信息，通過信號檢測和處理可以對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行表征和反饋控制。同時(shí)離子電流檢測無需對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的改動(dòng)也不受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局和燃料類型限制，能夠應(yīng)用于幾乎所有燃料的內(nèi)燃機(jī)。目前關(guān)于離子電流的應(yīng)用，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已做了大量的研究。Nick Collings3基于一臺PFI 汽油機(jī)研

2、究了空燃比、燃燒時(shí)刻和燃油成分對離子電流的影響，提出和證明了離子電流法在火花塞積碳檢測中的應(yīng)用及其可行性。Stefan Byttner等4利用離子電流信號評估了缸內(nèi)循環(huán)變動(dòng)（COV）。研究結(jié)果表明，在小負(fù)荷工況下，火花塞離子電流信號循環(huán)變動(dòng)與平均有效壓力循環(huán)變動(dòng)之間存在正相關(guān)性。吳筱敏等5-7對離子電流在失火檢測、爆震控制以及空燃比檢測等方面做了大量研究。李理光等8-11基于離子電流制定了GDI-HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)間燃燒相位的反饋控制策略，結(jié)果顯示，控制后缸壓及平均指示壓力等參數(shù)的循環(huán)波動(dòng)明顯減少，HC排放得到改善。又對一臺兩階段噴射GDI發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的離子電流特性進(jìn)行了細(xì)致研究，并在此基礎(chǔ)

3、上基于燃燒循環(huán)的控制思想進(jìn)行了失火檢測和補(bǔ)火控制，有效減少了冷起動(dòng)過程中的HC排放。要想實(shí)現(xiàn)離子電流在發(fā)動(dòng)機(jī)上的相關(guān)應(yīng)用，穩(wěn)定可靠的檢測電路是基礎(chǔ)。對檢測電路的要求主要有以下三點(diǎn)：1、檢測到的信號真實(shí)準(zhǔn)確，2、信號數(shù)值范圍適當(dāng)，3、具備一定抗干擾能力。針對上述要求，本文先是比較了目前所采用的離子電流檢測電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并對其中一種電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在一臺兩階段噴射直噴汽油機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)后的檢測電路能夠更好滿足要求。1 離子電流檢測電路對比分析目前所采用的離子電流檢測電路按電源的形式可以分為外接電源式和電容式兩種。兩種電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，下面將分別對這兩種電路進(jìn)行分析。外接電源式

4、離子電流檢測電路外接電源式離子電流檢測電路的基本結(jié)構(gòu)如所示9。從圖中可以看出，該電路主要由高壓隔離模塊、分壓電路和偏置電源等三部分組成。高壓隔離模塊是為了防止點(diǎn)火高壓對檢測回路造成干擾和沖擊，由高壓硅堆和電阻R3并聯(lián)而成；偏置電源是整個(gè)檢測回路的電源部分，一般可通過DC/DC升壓模塊將車用蓄電池的12V電壓轉(zhuǎn)換為所需要的適合電壓值；分壓電路部分是整個(gè)檢測電路的信號輸出部分，由于回路中離子電流值較小，直接測量電流值相對困難且難以保證測量精度，通過串聯(lián)分壓電阻的作用，使得回路中的電流即待測離子電流轉(zhuǎn)換為電壓的表現(xiàn)形式，若離子電流為I則R1兩端的電壓U1為I*R1，由于R1為定值，則用U1的值就可以

5、表征I的大小，電路中R2的作用是為了限流。另外為了提高抗干擾的能力，有些電路還在點(diǎn)火線圈與火花塞之間增加了一個(gè)陶瓷電容。外接電源式離子電流檢測電路示意圖電容式離子電流檢測電路電容式離子電流檢測電路的結(jié)構(gòu)如所示12。該檢測電路主要包括電容、瞬態(tài)抑制二極管、普通二極管和檢測電阻。其工作原理分為兩個(gè)階段，充分利用了電容的充放電特性。在火花塞點(diǎn)火放電階段，放電電流給電容充電，充電電壓通過瞬態(tài)抑制二極管限制，電流方向如所示；點(diǎn)火放電結(jié)束后階段，電容成為偏置電源，若燃燒正常，離子電流將流經(jīng)點(diǎn)火線圈次級、火花塞和被測電阻形成回路，離子電流信號由被測電阻的分壓獲得，電流方向如所示。由于放電瞬間點(diǎn)火線圈次級電勢

6、差較高，導(dǎo)致電容的充電電壓和電流均較大，電容一般選用額定電壓和電容量均較大的聚丙烯（CBB）電容。與電容并聯(lián)的瞬態(tài)二極管的作用是限制電容最大充電電壓，使得最大充電電壓為瞬態(tài)抑制二極管的鉗位電壓值，避免電容損壞。與被測電阻并聯(lián)的二極管則只是在給電容充電時(shí)單向?qū)?，以避免電壓信號幅值過大導(dǎo)致后續(xù)電路損壞。電容檢測電阻點(diǎn)火線圈普通二極管火花塞瞬態(tài)抑制二極管點(diǎn)火放電階段點(diǎn)火放電結(jié)束后階段電容式離子電流檢測電路兩種檢測電路對比分析從檢測原理方面來看，兩者都是通過偏置電壓的方式使回路中形成離子電流，然后再通過檢測電阻將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，作為輸出信號。不同的是外接電源式檢測電路采用的是事先設(shè)計(jì)好的電源作為

7、偏置電壓，而電容式檢測電路的偏置電壓來源于點(diǎn)火線圈次級電壓。從電路的成本方面來看，外接電源式檢測電路由于存在DC/DC升壓電路和高壓硅堆，其成本要大大高于電容式檢測電路中的電容和瞬態(tài)抑制二極管。從電路的抗干擾能力方面來看，外接電源式檢測電路由于外接獨(dú)立式電源加上高壓硅堆的作用，使得檢測電路基本不受點(diǎn)火線圈的影響，抗外部干擾的能力也較強(qiáng)；而電容式檢測電路中電容的充放電特性受控于點(diǎn)火線圈，加之電容本身易受到各種電磁波的影響，搞干擾能力不如外接電源式。從電路的適用范圍來看，外接電源式檢測電路可以適用于各種燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)，而電容式檢測電路只適用于火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。綜上所述，外接電源式檢測電路在抗干擾

8、能力適用范圍等方面要強(qiáng)于電容式檢測電路，但電容式檢測電路具有成本低易于布置等優(yōu)點(diǎn)。本文接下來將對目前電容式檢測電路做一些優(yōu)化，使其能夠達(dá)到工業(yè)用途要求。2 電容式離子電流檢測電路優(yōu)化設(shè)計(jì)011.1 測試臺架對離子電流檢測電路的檢測效果的評價(jià)要以實(shí)際臺架測試數(shù)據(jù)為準(zhǔn)?；诖?，本文在一臺兩階段噴射直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)測試。臺架的整體布局如所示，用一臺伺服電機(jī)取代了原機(jī)的起動(dòng)機(jī)從而能夠?qū)崿F(xiàn)各種拖動(dòng)轉(zhuǎn)速下的起動(dòng)，運(yùn)行時(shí)只有第4缸進(jìn)行噴油點(diǎn)火，通過NI公司的PCI6250高速數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行相關(guān)參量數(shù)據(jù)采集，ECU控制系統(tǒng)基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)自主開發(fā)。發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如所示。發(fā)動(dòng)機(jī)臺

9、架布局示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)主要參數(shù)參數(shù)值排量/(L)1.792壓縮比10:1缸徑×行程/mm79.0×91.4進(jìn)氣門開啟/°CA17 BTDC進(jìn)氣門關(guān)閉/°CA70 ABDC排氣門開啟/°CA55 BBDC排氣門關(guān)閉/°CA18.5 ATDC為了便于比較，均選同一測試工況：拖動(dòng)轉(zhuǎn)速400r/min，首次噴油時(shí)刻120°CA ATDC（進(jìn)氣上止點(diǎn)），第2次噴油時(shí)刻280°CA ATDC（進(jìn)氣上止點(diǎn)），兩階段噴油比例3：1，點(diǎn)火提前角為20°CA BTDC（壓縮上止點(diǎn)），噴油壓力10MPa，全局空燃比14.7，環(huán)

10、境溫度30。后處理電路對離子電流信號的影響檢測電路的實(shí)際接法利用了現(xiàn)有的同時(shí)點(diǎn)火方式點(diǎn)火線圈。同時(shí)點(diǎn)火的特點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)火線圈點(diǎn)燃兩個(gè)火花塞，其中一缸的點(diǎn)火為有效點(diǎn)火，在壓縮行程終了時(shí)產(chǎn)生，而另一缸的點(diǎn)火則為無效點(diǎn)火，在排氣行程中發(fā)生。這樣就可以將這種點(diǎn)火線圈的一端用于正常點(diǎn)火另一端用于離子電流檢測，改動(dòng)成本很小。如圖所示是由上述電路所測得的離子電流信號。由圖可知，在燃燒充分的情形下缸內(nèi)爆發(fā)壓力可以達(dá)到4.5MPa左右，而離子電流的第2個(gè)峰值可以達(dá)到8V左右，同時(shí)在點(diǎn)火放電瞬間離子電流信號還會(huì)出現(xiàn)-0.8V。顯然將此離子電流信號直接供給單片機(jī)I/O口并不合適，因?yàn)橐话銌纹瑱C(jī)的I/O口輸入范圍是05

11、V，信號過高或者出現(xiàn)負(fù)值都有可能將其燒壞。這就需要在現(xiàn)有的電路基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)，目前通行的做法是增加后處理電路。 未加后處理電路時(shí)離子電流與缸壓波形本文采用的后處理電路如圖所示。由于LM324的跟隨作用，一方面限制了輸出電壓的大小，另一方面達(dá)到了阻抗匹配的功效。LM324的供電電壓最高可達(dá)32V，根據(jù)實(shí)測結(jié)果當(dāng)供電電壓為6.5V時(shí)輸出范圍剛好是05V。6.5V供電電壓由LM2596降壓模塊提供，本文由于時(shí)間關(guān)系購買工業(yè)成品。加上跟隨器后測得的離子電流信號如所示，可見信號范圍被限制在了05V。后處理電路增加后處理電路后離子電流與缸壓波形檢測電阻對離子電流的影響由前文的分析可知，離子電流的測量值最

12、終由檢測電阻R兩端的電壓來表征，可見檢測電阻值是該電路的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。前述工況下不同檢測阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線如圖所示。由圖可知，圖(a)和圖(b)離子電流波形整體偏小，不能較好地反映缸壓，這是由于檢測阻值過小的緣故；圖(c)、圖(d)和圖(e)離子電流波形合適，但圖(e)開始出現(xiàn)輕微的波形噪聲；而圖(f)離子電流波形則偏大且波形噪聲較嚴(yán)重，這是由于檢測阻值過大同時(shí)放大了正常信號和噪聲信號所致。綜合來看，R為200K400K是較為合適的檢測阻值。由歐姆定律可以進(jìn)一步計(jì)算出該工況下離子電流的數(shù)量級為5/200K=25A左右。(a) R=30K(b) R=130K(c) R=200K(

13、d) R=400k(e) R=1M(f) R=5M不同檢測阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線實(shí)際電路中，檢測電阻一般由一個(gè)固定電阻和一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)而成，通過滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)整個(gè)檢測電阻以滿足不同工況的測量要求。整個(gè)離子電流檢測電路的最終實(shí)物圖如所示。（還沒焊好）3 結(jié)論（1） 外接電源式離子電流檢測電路和電容式離子電流檢測電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。外接電源式檢測電路可以適用于各種內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)具有信號穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但成本偏高；而電容式檢測電路信號可以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，成本低廉易于安裝，是火花點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的首選；（2） 對于電容式檢測電路，可以通過后處理電路將其輸出信號限制在05V，這樣該信號才可以供給

14、ECU以便進(jìn)一步的反饋控制；（3） 電容式檢測電路中的檢測電阻對離子電流信號輸出有較大影響，由于離子電流的數(shù)量級為幾十微安，可以由此來估算檢測電阻的大小。實(shí)際電路中檢測電阻由滑動(dòng)變阻器和固定電阻組成，這樣便可以根據(jù)實(shí)際工況來調(diào)節(jié)檢測電阻值，以使輸出信號合適。參考文獻(xiàn) 1 . 2000-01-0553V001J 2 . 2004-01-2922v001J 3 , 912318M 4 , 2001-01-3485M 5 汪映, 吳筱敏, 關(guān)勇. 一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測方法的探討J. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2002（01）: 46-48. 6 吳筱敏, 杜衛(wèi)寧, 廖世勇等. 離子信號與空燃比關(guān)系的探討J. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2006（01）: 25-29. 7 吳筱敏. 采用離子電流分析法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號的正確檢測J. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 1998（04）: 78-84. 8 范錢旺, 李理光, 卞江等. 基于兩階段燃油噴射的直噴汽油機(jī)離子電流特性的試驗(yàn)J. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2012（02）: 141-148. 9 張志永, 李從躍, 曹銀波等. 基于離子電流反饋的失火循環(huán)內(nèi)補(bǔ)火控制試驗(yàn)J. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2012（01