柴油机离子电流检测系统参数的研究

张志强，赵福全，李理光

(1. 东风柳州汽车有限公司，柳州 545005； 2. 清华大学汽车产业与技术战略研究院，北京 100084；3. 同济大学汽车学院，上海 201804)

2016198

柴油机离子电流检测系统参数的研究

张志强1，赵福全2，李理光3

(1. 东风柳州汽车有限公司，柳州 545005； 2. 清华大学汽车产业与技术战略研究院，北京 100084；3. 同济大学汽车学院，上海 201804)

针对柴油机开发了一套离子电流检测系统，以有效地检测出柴油机在燃烧过程中产生的离子电流。改变检测系统参数(如检测电压、离子电流探针在缸内突出长度和探针直径等)，通过试验对比研究它们对离子电流信号强度的影响。结果表明，提高检测电压和增加探针直径及其在缸内突出长度可增强离子电流信号。但检测电压对CAI50的影响较小，而离子电流探针直径及其在缸内突出长度对CAI50影响较大。

柴油机；离子电流检测；检测电压；探针突出长度；探针直径

前言

众所周知，准确地获悉内燃机在每个工作循环的燃烧和工作状态，对提高内燃机的动力性、燃油经济性和排放性能具有非常大的帮助。目前常见的内燃机燃烧工作状态检测方法有基于缸压传感器和光纤传感器等检测方法。缸压传感器的成本较高，尚未广泛地运用到内燃机中。光纤传感器检测燃烧状态的原理是通过分析燃烧过程发出的光谱，获得燃烧起始时刻和缸内空燃比等信息，相比缸压传感器其成本较低，但在使用过程中需要维护，在内燃机领域中难以广泛应用。

离子电流检测技术由于成本较低和使用安装方便，较早地被广泛运用到汽油机工作过程检测中[1-2]。文献[3]和文献[4]中基于离子电流检测技术，研究了不同汽油机燃烧和工作模式下(如进气道喷射、缸内直喷和HCCI等)离子电流信号特性。文献[5]和文献[6]中基于离子电流信号特征分析，提出了汽油机起动和HCCI燃烧模式的丢火、补火和补油策略。

柴油机离子电流研究起步较晚，早期大量的学者采用化学动力学模型进行柴油机离子电流特性模拟研究。后续一些学者采用光学测试方法对柴油机中离子电流的形成机理进行研究，发现柴油机形成的离子电流中，电子和带负电的离子均是离子电流中负电荷的载体。相比而言，汽油机形成的离子电流中，只有电子是离子电流中负电荷的主要载体，这主要是由于柴油和汽油在燃烧时产生自由离子的化学反应过程略有不同所导致。同时光学测试研究表明，柴油机中离子电流存在的区域较为广泛，可分布在预混合火焰区域、扩散火焰区域、碳烟生成区域和碳烟氧化区域中。

在柴油机中应用离子电流检测技术比汽油机复杂和困难，这主要是由于在汽油机中可直接采用火花塞作为检测电极进行离子电流信号检测，而柴油机中则需要额外在缸盖上加工安装孔，装上离子电流探针后方可进行离子电流信号检测。另外由于柴油机的过量空气系数比汽油机的高，同时柴油机缸内的平均温度比汽油机低，这些因素均会影响和抑制燃料的化学电离和热电离过程，进而导致柴油机中离子电流信号较弱。

截止目前，关于柴油机离子电流形成机理和仿真研究较多，而在柴油机工程实际中开展离子电流研究和应用还较少。因此，本文中首先基于一款乘用车用轻型四缸柴油机，根据其结构特点，设计和加工出一套柴油机离子电流检测系统，结合多种不同的离子电流检测系统参数(包括检测电压、离子电流探针在缸内突出长度和直径等)，开展了离子电流特性研究，以期探明检测系统参数对离子电流的影响规律。

1 柴油机离子电流产生机理

燃料在内燃机的燃烧过程中会产生大量的活性离子。通过在火花塞的两极或以离子电流探针为其中一极，缸体为另一极施加一个合适的检测电压，则活性离子会在检测电压的作用下运动并形成离子电流。根据大量的理论分析和试验研究可知，离子电流的生成主要来源于化学电离和热电离。化学电离是指在燃烧的初期，燃料逐渐发生分解，产生一些离子，但这些离子处于相对不稳定状态，会随着燃烧反应的继续而形成新的离子，这一阶段离子电流的生成受燃料的挥发性和分解性影响较大[7]，其离子电流形成涉及的化学反应[8]为

CH+O→CHO++e-

(1)

CHO++H2O→H3O++CO

(2)

热电离一般发生在燃烧的后期阶段，在该阶段燃烧放热量大，离子的形成受热运动影响较大，且形成的离子中大多与NO有关。这主要是由于NO发生电离所需要的活化能量最小所致。热电离涉及的主要化学反应[9-10]为

M+Eion↔M++e-

(3)

式中：M主要是指NO；Eion为热基团。

2 柴油机离子电流检测系统与试验方法和参数定义

2.1 柴油机离子电流检测系统和试验系统

为了开展柴油机离子电流检测试验，基于一台四缸轻型柴油机，搭建出的试验系统如图1所示。该四缸轻型柴油机及其燃烧室和喷油器参数、试验测试装置分别如表1～表3所示。本试验研究中只针对柴油机的第4缸(即图1所示最左侧的气缸)开展柴油机离子电流检测研究，该缸的进气系统和排气系统与其他3个气缸相分离开，以便更好地研究其工作过程。并且在第4缸的缸盖顶加工了两个孔(如图2所示)，用于安装缸压传感器和离子电流探针，以便测试缸内压力和离子电流信号。

1—进气稳压罐；2—V锥流量计；3—EGR冷却器； 4—缸压传感器；5—EGR阀；6—喷油器； 7—离子电流探针；8—光电编码器；9—背压阀 图1 柴油机离子电流测试系统示意图

本文中设计和开发的柴油机离子电流检测系统如图3所示，该系统由升压模块、检测模块和信号调理模块等3大子模块组成。

升压模块包含车载蓄电池(12V)和升压电路，其作用是将车载蓄电池的电压升至所需的检测电压(最高可达500V)，以便于检测到离子电流。升压电路的原理如图4所示，通过调整可调电位器R3以达到所需的检测电压。

表1 四缸轻型柴油机主要性能参数

注：进气门和排气门的开启及关闭时刻均指气门开启高度为1mm所对应的时刻。

表2 燃烧室和喷油器参数

表3 试验测试装置

图2 探针安装位置示意图

图3 柴油机离子电流检测系统示意图

图4 升压模块中升压电路原理图

检测模块包括离子电流探针、可调电阻和检测电阻等，其中离子电流探针安装在柴油机缸盖中，位于两个进气门之间，并靠近喷油器，具体安装位置示意如图2所示。

在柴油机燃烧过程中，升压模块得到的检测电压施加到检测模块中。燃料在燃烧放热过程生成的离子受到检测模块中高压直流电场的影响而发生定向移动，正离子会向活塞移动，负离子则向离子电流探针移动，如此形成离子电流。

信号调理模块包括信号跟随电阻和信号反向放大器，该模块的作用是将流经检测电阻的离子电流信号进行反向和放大处理。经反向放大处理后的离子电流信号进行采集和实时计算，以便得到离子电流信号特征参数。

2.2 试验方法与参数定义

首先起动和预热柴油机，然后待冷却水温度和机油温度均达到85℃、转速等达到要求，在稳定工况下进行离子电流检测试验研究。

试验过程中保持柴油机转速为1 400r/min，每循环喷油量为16.5mm3，喷油压力为120MPa，喷油时刻为352°CA(即上止点前8°CA)，EGR率为0。

图5示出该试验条件下，柴油机的缸内压力、瞬时放热率、离子电流和离子电流积分值等结果对比。将瞬时放热率按曲轴转角进行积分，将达到最大积分值的50%时对应的曲轴转角定义为CA50，以此表征燃烧放热过程的中点。同理，将离子电流按曲轴转角进行积分，将达到最大离子电流积分值的50%对应的曲轴转角定义为CAI50，以此作为离子电流的特征参数，表征离子电流生成过程的中点，它反映离子电流生成过程靠近上止点(360°CA)的程度。CA50和CAI50的示意如图5所示。

图5 离子电流特征参数定义

3 检测系统参数对柴油机离子电流影响研究与分析

3.1 检测电压对柴油机离子电流的影响研究与分析

为探明检测电压对离子电流的影响，通过调整升压电路中的可调电位器(如图4所示)，将检测电压分别设定为200，300，400和500V进行缸内离子电流检测试验。试验过程中柴油机的转速为1 400r/min，每循环喷油量为16.5mm3，喷油压力为120MPa，喷油时刻为352°CA，EGR率为0。

图6给出了不同检测电压下离子电流和离子电流积分值的对比。由图可见，随着检测电压的增大，施加在缸体和离子电流探针之间的电场强度增强，检测到的离子电流信号显著增强，离子电流峰值和离子电流积分值随着检测电压的升高而增大。

图6 不同检测电压下离子电流和离子电流积分值的对比

不同检测电压下离子电流特征参数CAI50的对比如图7所示。由图可见，以检测电压为500V时的CAI50作为基准，检测电压从200V变化到500V，CAI50的变化范围仅限于0.12～0.22°CA之内，这表明离子电流的生成过程和离子电流特征参数CAI50受检测电压的影响较小。

图7 不同检测电压下CAI50的对比

3.2 离子电流探针结构参数对离子电流影响的研究

离子电流探针一般只能检测到探针周围的自由离子，因此不同离子电流探针结构参数会对离子电流信号造成一定的影响。离子电流探针结构参数主要包括离子电流探针在缸内突出长度和直径。

为探明离子电流探针结构参数对离子电流特性的影响规律，设计了3种结构参数，如图8所示。结构参数1为突出长度6mm，直径2mm；结构参数2为突出长度6mm，直径3mm；结构参数3为突出长度12mm，直径2mm。试验过程中柴油机的转速为1 400r/min，每循环喷油量为16.5mm3，喷油压力为120MPa，喷油时刻为352°CA，EGR率为0。

图8 不同的探针结构参数示意

图9给出了不同离子电流结构参数下离子电流和离子电流积分值的对比。由图可见，离子电流探针在缸内的突出长度或直径的变化均会对离子电流的峰值和离子电流积分值造成较大的影响，并且离子电流及其积分值随着探针在缸内突出长度和直径的增大而增大。这主要是由于随着探针在缸内突出长度或直径的增大，离子电流探针表面积即检测区域得到扩大，离子电流探针能够检测到的自由离子增多所致。

图9 不同离子电流探针结构参数下离子电流和离子电流积分值的对比

不同离子电流探针结构参数下得到的CAI50对比如图10所示，以结构参数1 的CAI50作为基准，当增大探针直径(即结构参数2)和增大探针在缸内突出长度(即结构参数3)，CAI50的变化范围为0.25～0.55°CA，这表明离子电流探针结构参数对CAI50有一定的影响。这主要是由于探针在缸内突出长度或直径的增大，会导致离子电流探针检测区域扩大，相应检测到的离子电流形态也发生一定的变化，进而对CAI50造成一定影响。

图10 不同离子电流探针结构参数下CAI50的对比

综上所述，检测电压和离子电流探针结构参数对离子电流信号强弱有显著的影响，增大检测电压和离子电流探针在缸内的突出长度或直径均可增强离子电流信号强度；随着检测电压的升高，需要相应加强整个检测系统的绝缘能力，并避免对其他系统(如喷油系统)造成干扰；离子电流探针在缸内突出的长度需和燃烧室形状相匹配，要避免探针过长而碰到燃烧室壁面，同时离子电流探针的直径大小受原机缸盖上进气道布置的限制；检测电压高低对CAI50的影响较小，而离子电流探针结构参数(即探针在缸内突出长度或直径)对CAI50的影响较大。

4 结论

(1)本文中设计的柴油机离子电流检测系统可有效地检测到柴油机燃烧过程产生的离子电流，并提炼出CAI50，以此作为表征离子电流生成过程的中点，能反映出离子电流生成过程靠近上止点(360°CA)的程度。

(2)离子电流检测系统的检测电压对离子电流信号强弱有着显著的影响，提高检测电压可增强离子电流信号，但检测电压对CAI50的影响较小。

(3)离子电流探针结构参数(离子电流探针在缸内突出长度和直径)对离子电流信号强弱有着显著的影响，增大离子电流探针在缸内突出长度或直径均可增强离子电流信号，且离子电流探针结构参数对CAI50影响较大。

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A Study on Parameters of Ion Current Detection System for Diesel Engine

Zhang Zhiqiang1, Zhao Fuquan2& Li Liguang3

1.DongfengLiuzhouMotorCo.,Ltd.,Liuzhou545005；2.TsinghuaAutomotiveStrategyResearchInstitute,TsinghuaUniversity,Beijing100084;3.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804

An ion current detection system for diesel engine is developed to detect the ion current in diesel combustion process. A test is conducted and by changing the parameters of detection system, such as detection voltage and the diameter and protrusion of ion current probe, their effects on the intensity of ion current signals are comparatively studied. The results show that increasing detection voltage and the diameter and protrusion of ion current probe can intensify the ion current signals, and the diameter and protrusion of ion current probe have greater effects on CA I50 than detection voltage.

diesel engine; ion current detection system; detection voltage; probe protrusion; probe diameter

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7日。