改进型离子电流检测系统在汽油机爆震检测中的应用研究*

李 超，陆海峰，张光攀，胡宗杰，李理光,2

(1. 同济大学汽车学院，上海 201804； 2. 同济大学中德学院，上海 200092)

2016197

改进型离子电流检测系统在汽油机爆震检测中的应用研究*

李 超1，陆海峰1，张光攀1，胡宗杰1，李理光1,2

(1. 同济大学汽车学院，上海 201804； 2. 同济大学中德学院，上海 200092)

采用一种改进型的串联式离子电流检测系统，在一台1.3L四缸增压汽油机上开展了离子电流信号的典型特性，尤其是爆震工况下特性的试验研究。结果表明：该检测系统离子电流的频率特性可较好地判定中强爆震工况，但在轻微爆震工况有一定的局限；离子电流积分值能进一步提高爆震工况判定的准确率，达到87.2%。针对爆震强度的识别，离子电流峰值和平均幅值与爆震强度有很强的正相关性，采用加权平均的数学方法能优化离子电流爆震关键值与爆震强度的相关系数，使其由0.811提高到0.843。

离子电流；爆震；频率特性；相关性

前言

汽油机小型化是当前用来改善燃油经济性、满足排放法规并具有可接受的成本与效益比的方法之一[1]，但往往需要通过增压和提高压缩比等途径来保证小型化汽油机的输出功率和转矩，而增压或提高压缩比会大大增加汽油机发生爆震的倾向，这也是限制汽油机性能提高的主要障碍[2]。火花塞式离子电流检测法将发动机自有的火花塞作为传感器进行实时在线检测，测量方法简单，成本低，响应性能较好[3]，得到的离子电流特征值可表征缸内压力[4]、空燃比[5]和非正常燃烧信息[6]等。

离子电流法近来在发动机HCCI燃烧相位的闭环控制和发动机的爆震检测等方面得到了应用[7-8]。爆震时产生的压力振荡波在缸内反复传播，火焰附近离子浓度发生相应变化，离子电流亦产生相应的剧烈波动，爆震信号就隐藏在离子电流信号中。当前离子电流的研究中，多采用隔离硅堆式检测系统，但这种检测电路体积过大，不利于集成化，同时因硅堆的存在导致数据变动率偏大，需要进一步的优化。

本次试验中采用一种改进型串联式的离子电流检测系统，在一台四缸小型汽油机上，实时采集燃烧过程中的离子电流信号，分析了这种检测系统在失火工况和正常燃烧工况下的典型特性，并研究了爆震工况下的离子电流频率及幅值特性，进一步探究了这种改进型的离子电流检测系统在爆震检测及判定中的应用。

1 试验台架及离子电流检测系统

1.1 试验台架介绍

表1列出试验汽油机的技术参数，图1示出试验台架系统示意。试验中主要对第3缸进行数据采集。采用凯迈交流电力测功机对发动机进行测试。通过Kistler6125型缸压传感器，并配合Kistler5007型电荷放大器对缸内压力进行测量。发动机缸压、曲轴转角、离子电流和光电编码器与爆震传感器等信号均通过NIPCI-6250高速数据采集卡同步采集。

表1 发动机技术参数

图1 发动机试验台架示意

1.2 离子电流检测系统和信号特征

图2为试验中采用的离子电流检测电路示意。以发动机火花塞作为传感器对离子电流信号进行检测，检测电路主要由电容、二极管和滑动变阻器等元件组成。数据采集过程中充分利用电容的特性：在火花塞点火放电阶段，放电产生的电流给电容充电；点火放电结束后，电容成为电源，混合气中的带电离子和电子定向移动形成离子电流。经过计算验证得知，电路中的电容充电能量仅为0.5mJ，相对于火花塞的点火能量，不足以影响发动机的正常点火；此外，每循环电容的放电过程也未全部释放其所含的能量，仅消耗10%的能量即已完成该循环的数据采集。因而，这种离子电流检测电路每循环实际所消耗的能量仅为0.05mJ，约为原始点火能量的1.5‰。

图2 离子电流检测电路示意

试验中的数据采集频率为200kHz，包括缸内压力、离子电流、点火电流、爆震传感器信号等。同时采集丢火和正常燃烧两种工况下的试验数据，其中缸内压力、离子电流和点火电流均是以电压信号形式采集，如图3所示。由于无法隔离点火带来的信号干扰，丢火工况的离子电流信号中会出现两个峰值，第一峰值为点火蓄能干扰，第二峰值为点火放电干扰，这种电路特性可用来进行发动机点火系统的OBD检测，实时监控发动机的点火时刻；由图3对比分析可知，采集的正常燃烧信号中包含了与燃烧相关的离子电流。

为定量分析离子电流特征值与爆震强度在爆震工况下的变化情况，采用线性相关分析方法对二者之间的关系进行分析。一般认为：当线性相关系数大于0.8时，可判定为高度相关[9]。

2 爆震模型与强度指标

爆震试验中采集的信号均包含高频爆震振荡成分，因此对爆震工况采集的信号进行快速Fourier变换得到缸内压力和爆震传感器信号的频率特性，分析结果如图4所示。在6～8kHz频带范围，缸压和爆震传感器信号均出现高频振荡峰值，说明爆震的高频振荡信号主要集中在这一频带范围内。

图4 缸内压力、爆震传感器信号及频率特性

因此，采用带通频率为5～9kHz的带通滤波器，对爆震传感器信号进行滤波处理。如图4(b)所示，取滤波后的爆震信号最大幅值KS为爆震的判定和强度划分标准[10]。单循环中的KS值小于0.05时，视为正常燃烧；KS值介于0.05和0.2之间时为轻微强度爆震；KS值介于0.2和0.5之间时为中等强度爆震；KS值大于0.5时为高强度爆震。

3 试验结果与分析

发动机的试验工况：转速为1 500r/min，BMEP为1.2MPa，缸内混合气为理论空燃比。通过调整发动机点火提前角，来控制发动机的燃烧过程和爆震强度。

3.1 爆震工况判定

考虑到这种离子电流检测系统受点火电流的干扰，原始离子电流信号中除了包含与燃烧相关的离子电流信号外，还存在两个峰值，因而有必要对丢火工况的离子电流信号进行频谱分析。经快速Fourier变换后得到离子电流检测电路的振荡幅频特性，分析结果如图5所示。5～8kHz和18～22kHz频带范围内均出现振荡强度峰值。可以认为电路振荡出现两个强度不同的频率带，是因为在点火蓄能阶段，离子电流电路受到火花塞初级线圈蓄能干扰；点火结束时，离子电流电路则受到火花塞次级线圈放电干扰，此外两次干扰过程中，火花塞电极附近的离子特性和浓度有着极大的差别。

图5 丢火工况的离子电流及频谱特性

因此，以带通频率为5～9kHz的带通滤波器，对丢火工况、轻微爆震和中度爆震3种工况的离子电流信号进行带通滤波处理，滤波结果如图6所示。本文中尝试提取离子电流振荡的最大幅值[8]，提取窗口为爆震传感器信号的振荡区间。由图6(b)可知，轻微爆震工况下发动机燃烧已出现明显的爆震倾向，而离子电流信号因受到电路振荡的干扰，无法提取出明显的振荡信号；但在中等强度爆震工况，离子电流带通滤波结果中则有明显的振荡。

图6 离子电流及爆震传感器信号的滤波结果

取0.2V为爆震指标KS判定中等强度爆震的阈值，图7为利用离子电流高频振荡幅值判定中等强度爆震工况的结果，取0.18V为离子电流振荡幅值的阈值。判定结果显示，滤波后得到的离子电流振荡信号能较好的识别出发动机的爆震工况，但这种识别手段在轻微爆震工况中的应用有一定的局限性。

试验发现，在高强度的爆震循环，离子电流信号会出现超量程的现象，图8为高强度爆震工况采集的信号示意。利用离子电流的这种特性有助于判断发动机高强度爆震的发生。同时需要注意到，高强度爆震工况下的缸内压力振荡却不甚明显，压力波动导致的“锯齿”较小，可认为这是中置的火花塞集成式缸压传感器固有的属性所致。

图8 高强度爆震工况的信号示意

试验结果表明，离子电流积分值与发动机缸内是否发生爆震有着明显的相关性。取0.05V为爆震指标KS判定爆震工况的阈值，图9为利用离子电流积分值判定爆震工况的结果。在转速为1 500r/min，BMEP为1.2MPa的工况，取68V·°CA为离子电流积分值的爆震阈值时，109个循环是否发生爆震的判定准确率能达到87.2%(95/109)。这说明离子电流积分值与缸内燃烧产生的离子数量密切相关。发动机发生爆震时，缸内燃烧急剧发展，单位时间内产生的离子数量和浓度远高于同负荷下的正常燃烧工况。

图9 基于离子电流积分值的爆震判定结果

3.2 爆震强度识别分析

上述分析表明离子电流有助于发动机爆震工况的判定，本文中亦尝试利用离子电流帮助识别发动机的爆震强度，尤其是发动机的中小强度爆震工况。图10为分析中涉及的爆震相关特征值的示意图，选取离子电流峰值Imax和离子电流积分值Iint作为离子电流的爆震特征值；取缸内压力振荡的最大幅值KP[11]作为爆震强度识别分析的参考。

图10 爆震工况的相关特征值示意

定义单循环内离子电流的平均幅值由离子电流积分值Iint，Ion10和Ion90(10%和90%离子电流累积生成量对应的相位)通过式(1)计算得到。可以认为离子电流峰值能反映单个循环缸内燃烧的最快速率，平均幅值则能在一定程度上反应单个循环缸内燃烧的平均速率。

(1)

图11 离子电流峰值Imax、平均幅值与爆震指标KS的相关性

(2)

图12为离子电流KI值与爆震指标KS的相关系数随a值的变化曲线，基于Matlab的程序计算结果得知，a取值0.620时，离子电流KI值与爆震指标KS的相关系数最大。图13为离子电流KI值、缸压KP与爆震指标KS的相关性分析结果，权重处理得到的离子电流KI值与爆震指标KS的相关系数能达到0.843，而相同循环得到的缸压振幅KP与爆震指标KS的相关系数为0.838。

图12 离子电流KI值的优化计算

图13 离子电流KI值、缸压振幅KP与爆震指标KS的相关性

因此加权平均的数学方法适用于离子电流的信号处理，优化后的离子电流KI值能进一步提高与发动机爆震强度的相关系数，计算中无需频谱特性分析和滤波处理，有利于工业化的嵌入式系统集成。

4 结论

在发动机的台架试验中采用这种改进型的串联式离子电流检测系统，由频率特性分析、幅值特性分析和数学方法优化的结果可得如下结论。

(1)检测系统采集的离子电流信号能有效反应出缸内燃烧状态；离子电流高频振荡信号能较好地识别出中高强度爆震，但在轻微爆震工况中有一定的局限性。

(2)离子电流积分值Iint有助于区分发动机的爆震与非爆震工况，实现发动机爆震的实时诊断，试验中的判定准确率能达到87.2%。

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The Applications of a Modified Ion Current Detecting System to the Detection of Gasoline Engine Detonation

Li Chao1, Lu Haifeng1, Zhang Guangpan1, Hu Zongjie1& Li Liguang1,2

1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 2.CDHK,TongjiUniversity,Shanghai200092

A modified serial-type of ion current detecting system is adopted to conduct an experimental study on the typical characteristics, in particular, the characteristics in detonation condition of ion current signals in a 1.3L four-cylinder supercharged gasoline engine. The results show that with the detecting system, the frequency characteristics of ion current can better judge the detonation of medium intensity but has certain limitation for light detonation. Using the integral value of ion current can further enhance the judgment accuracy of detonation condition up to 87.2%. In terms of the identification of detonation intensity, the peak value and the average amplitude of ion current have very strong positive correlation with detonation intensity, and by optimization using weighted average method, the correlation coefficient between ion current key value and detonation intensity can be raised from 0.811 to 0.843.

ion current; detonation; frequency characteristics; correlation

*国家自然科学基金(51376139)和KSPG教席基金资助。

原稿收到日期为2016年7月4日，修改稿收到日期为2016年8月9日。