基于离子电流的缸内异常燃烧诊断

童孙禹　李海邈　杨昭辉　胡宗杰　李理光

（同济大学，上海　201804）

基于离子电流的缸内异常燃烧诊断

童孙禹李海邈杨昭辉胡宗杰李理光

（同济大学，上海201804）

在一台涡轮增压PFI发动机上安装火花塞式离子电流传感器，在不同燃烧状况下对比离子电流信号与缸压信号及燃烧特征值的关系。当发动机转速不变，随着负荷的增加，离子电流信号积分值和平均指示有效压力均呈现增加的趋势；通过分析离子电流波形，能分别识别由火花塞未发生点火或喷油器未喷油或混合气过稀造成的失火循环。进一步试验还发现离子电流信号能够提前识别早燃循环。

主题词：发动机离子电流失火诊断

1　前言

小排量增压汽油机由于热负荷的大幅提升会受到一种非正常的燃烧现象——早燃的困扰［1～3］。因此，需要对缸内燃烧状况进行精确的检测和识别，以保证发动机可靠运转。

离子电流作为一种有效的缸内燃烧状况检测方法很早就被提出并对其进行了大量研究，Lars Eriksson等［4～5］利用离子电流法在点火闭环控制上的实现，建立了参数化模型来描述离子电流。Shimasaki Y等人［6］研究发现，离子电流信号极值和到达时间取决于空燃比，当空燃比为12、13时，离子电流信号达到最大值。Tetsuo Kuma等人［7］得出离子电流可以用于火花塞附近混合气空燃比测量的结论，并且通过采用离子电流能够使空燃比控制在稀薄燃烧极限。Andre Saitzkoff［8］通过试验得到可以通过离子电流来推算发动机的缸内压力，表明利用离子电流可以替代传统缸压传感器。Stefan Byttner等人［9～10］得出了离子电流积分值的波动与平均有效压力的波动有很大关系。Giglio V等人［11］和Alexander Hettinger［12］用试验验证了用离子电流能检测爆震；吴筱敏等［13］采用离子电流法和机体振动法同时检测发动机的爆震，结果表明离子电流法具有安装方便、信噪比高、信号处理简单、测量准确、成本低廉等优点。

本文对正常燃烧循环及失火燃烧循环中离子电流与缸压信号的相关性进行研究，并分析离子电流信号与早燃循环的关系。

2　试验及分析

2.1正常燃烧循环离子电流特征值分析

本试验台架中发动机原机是某国产的1.8 T涡轮增压PFI发动机，测功机为南丰提供的电力测功机，通过AVL油耗仪来供油，油压为0.4 MPa，通过改造冷却水路和进气中冷使得发动机能正常运行。通过Kistler火花塞式缸压传感器测量缸压，集成在点火线圈中的离子电流采集电路采集离子电流信号，光电编码器用来同步信号并确定曲轴上止点位置。台架系统示意图如图1所示。

图1　台架系统示意

发动机的具体参数如表1所列。

表1　发动机参数

由于缸内混合气在火花点火、火核形成及火焰传播等燃烧过程中会产生大量的自由电子、正负离子和自由基等带电粒子（如CH3+、CH2O+、C3H3+、H2O+和NO+等离子及自由电子），且其存在于火焰前锋区和已燃区，因此燃气具有一定的导电性［8］。当火花塞两极上加上直流偏置电压，则火花塞间隙内就会形成一个电场，正离子向阴极方向运动，电子和负离子向阳极方向运动，形成火花塞离子电流。

图2为离子电流检测系统，其包括电容、二极管、分压电阻以及信号处理电路等。其工作原理为火花塞点火时，电容进行充电；当缸内发生燃烧出现自由离子，电容放电与分压电阻形成回路，此时测试分压电阻的电压值并经过运放电路放大即可获得离子电流信号。

图2　离子电流检测系统电路图

本文在调整离子电流检测电路参数并确保集成离子电流信号采集电路的点火线圈的可靠性及准确性后，进行离子电流信号采集试验。图3是转速为1 250 r/min、20%负荷下缸压与离子电流信号典型波形图。可以看出，缸压峰值为1.5 MPa，峰值相位为375°；离子电流峰值为0.6 V，离子电流峰值相位为375°，缸压和离子电流峰值相位十分吻合。同时，离子电流的曲线由3个峰值组成：第1个峰值出现在320°附近，此峰值是由于点火线圈的蓄能造成的；第2个峰值最大，出现在360°附近，此峰值是点火线圈放电后由于多余的能量在点火线圈中产生振荡产生；第3个峰值才是真正的离子电流峰值，由图3可知离子电流信号与缸压信号在相位上有很好的对应关系。

图3 1250 r/min，20%负荷缸压与离子电流信号典型波形

图4是离子电流信号积分值和平均指示有效压力（IMEP）在不同转速及负荷下的MAP图。可以看出，在同一转速下，随着负荷增加，离子电流信号积分值和IMEP均增加。同时，在低速低负荷区域，离子电流积分值与IMEP都比较小，显示该工况由于进气量、喷油量都较少，缸内工质较少，燃烧温度较低，所以IMEP较低。随着负荷及转速的上升，缸内工质增加，燃烧充分，缸内燃烧温度也更高，更利于离子电流产生，离子电流信号明显增强，故离子电流积分值与IMEP呈现一同增大的趋势。由此可见，缸压和离子电流均能反映缸内燃烧的情况。

图4　离子电流信号积分值与IMEP的MAP图

2.2失火工况离子电流特征值分析

2.2.1火花塞未点火时离子电流信号特征

试验时通过ECU控制正在稳定运转的发动机，保持喷油信号不变，突然切断火花塞点火信号，造成缸内失火，当火花塞无法正常放电，即缸内失火时，离子电流信号将无法产生。图5所示为1 500 r/min下各特征值的变化趋势。可知，当切断发动机点火信号后，发动机转速迅速下降，IMEP也迅速下降，离子电流积分值也迅速下降，当点火恢复后，离子电流积分值信号恢复，转速上升，IMEP增加。由图5b可以明显发现，当失火发生时，由于缸内未发生燃烧，离子电流积分信号非常小，且保持不变，这是由于本文算法导致的系统误差。

图5 1500r/min失火工况下IMEP与离子电流积分值变化关系

通过缸压燃烧分析仪计算IMEP可以有效检测缸内是否发生失火，从图5可以发现，当缸内发生失火时，IMEP数值明显小于正常燃烧时数值，同时通过检查离子电流信号发现，在正常燃烧循环离子电流信号与缸压信号相位和幅值对应都较好，当切断点火信号发生失火时（图6），由于缸内没有燃烧现象，缸内没有大量离子电流信号产生，同时由点火蓄能及放电造成的两个干扰信号并没有在离子电流信号中显示，进一步证明缸内没有发生有效点火，所以离子电流检测电路能够有效检测缸内点火行为，避免发生失火。

图6　切断点火信号失火循环离子电流信号

通过应用该型离子电流检测电路检测缸内燃烧状况时，判断当离子电流信号中缺失两个点火干扰信号可以证明火花塞并未有效点火，所以通过离子电流信号还可以检测火花塞是否可靠工作，并能够判断是否因为火花塞未有效点火造成缸内失火（这与下文断油失火离子电流信号特征有很大不同）。

2.2.2喷油器未喷油时离子电流信号特征

当发动机正常运转时，IMEP值稳定，缸内燃烧正常。从切断喷油信号开始，发动机转速明显下降（图7），对应IMEP值骤降，同时失火工况下的离子电流积分值缺失，可认为此时缸内没有离子电流产生。当缸内恢复喷油时，发动机恢复到原来工况，转速迅速上升，IMEP值回归正常范围，离子电流积分值也随之上升。

图7 1500r/min下失火工况下IMEP与离子电流积分值变化关系

由于切断喷油信号缸内无新鲜燃烧工质，致使自由离子数量无法大量产生，离子电流无法形成。由前文可知，离子电流积分值与IMEP值有较好的对应关系，因此当失火发生时，IMEP值减小，离子电流积分值随之减小。

图8所示为断油情况下普通循环和失火循环对比，前两个循环为普通循环，后两个循环为失火循环。从图8可以看出，当断油之后，由于缸内没有喷油，燃烧停止，导致只发生纯压缩。因为火花塞正常点火工作，所以由火花塞产生的两个点火干扰仍然存在，但是点火干扰之后并没有凸起的第3峰，即离子电流波峰并不存在。故由此可推断缸内未发生可靠燃烧，无离子电流产生。所以通过检测离子电流信号中2个点火干扰信号后有无正常离子电流信号，可以有效判断喷油器是否正常工作，缸内是否发生断油失火。

图8　断油失火循环示意

2.3早燃工况离子电流特征值分析

在正常燃烧循环发生时，离子电流信号依次产生顺序为第1峰值-充电干扰、第2峰值-放电干扰、第3峰值-离子电流信号，但在如图9所示的早燃循环中，离子电流信号产生顺序产生了显著变化，当火花塞发生点火蓄能后（产生第1峰值-充电干扰信号），由于在缸内发生早燃现象，混合气发生自燃，自燃初期就产生了离子电流信号，并且随着缸内压力不断上升，缸内温度不断上升，离子电流信号强度也不断上升（第3峰值-早燃离子电流信号），同时早燃离子电流信号持续期td也显著大于第1峰值及第2峰值信号，本试验检测到的早燃离子电流信号td值为25°。故对于该发动机，当采用离子电流检测早燃时，当td值大于20°即可认为发生早燃。

图9　离子电流信号检测早燃示意

3　结束语

离子电流信号与缸压信号有很好的对应关系，离子电流积分值与IMEP也呈现一致变化规律，说明离子电流信号能够很好的表征缸内燃烧状况。

当缸内发生失火时，无论是火花塞未点火还是由喷油器未喷油造成的失火循环中，离子电流信号与正常燃烧循环信号显著不同，说明离子电流信号能够有效检测缸内失火，并且通过分析离子电流信号能够识别失火原因。

在早燃循环发生时，离子电流能够检测到自燃产生的燃烧离子电流信号，并有效区别早燃循环及非早燃循环。而缸压阈值判断早燃法有一定局限性。由于早燃离子电流信号出现时刻先于点火信号约25°，这就使ECU有较宽裕的时间采取措施，如打开排气门、向缸内喷射过量燃油等，以实现抑制早燃的目的。

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吴筱敏，汪映，李福明.采用离子电流法与机体爆震法检测爆震的比较.西安大学学报，2001（10）：1059～1066.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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