離子電流檢測(cè)電路與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究0引言?xún)?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(duì)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(duì)于壓縮自燃式發(fā)動(dòng)機(jī)例如柴油機(jī)，也可以通過(guò)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(guò)信號(hào)檢測(cè)和處理可以對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行表征和反饋控制。同時(shí)離子電流檢測(cè)無(wú)需對(duì)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(lèi)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(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已做了大量的研究。NICKCOLLINGS3基于一臺(tái)PFI汽油機(jī)研究了空燃比、燃燒時(shí)刻和燃油成分對(duì)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(cè)中的應(yīng)用及其可行性。STEFANBYTTNER等4利用離子電流信號(hào)評(píng)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(hào)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57對(duì)離子電流在失火檢測(cè)、爆震控制以及空燃比檢測(cè)等方面做了大量研究。李理光等811基于離子電流制定了GDIHCCI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(duì)一臺(tái)兩階段噴射GDI發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的離子電流特性進(jìn)行了細(xì)致研究，并在此基礎(chǔ)上基于燃燒循環(huán)的控制思想進(jìn)行了失火檢測(cè)和補(bǔ)火控制，有效減少了冷起動(dòng)過(guò)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(cè)電路是基礎(chǔ)。對(duì)檢測(cè)電路的要求主要有以下三點(diǎn)1、檢測(cè)到的信號(hào)真實(shí)準(zhǔn)確，2、信號(hào)數(shù)值范圍適當(dāng)，3、具備一定抗干擾能力。針對(duì)上述要求，本文先是比較了目前所采用的離子電流檢測(cè)電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其中一種電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在一臺(tái)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(cè)電路能夠更好滿(mǎn)足要求。1離子電流檢測(cè)電路對(duì)比分析目前所采用的離子電流檢測(cè)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(duì)這兩種電路進(jìn)行分析。外接電源式離子電流檢測(cè)電路外接電源式離子電流檢測(cè)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(duì)檢測(cè)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(cè)回路的電源部分，一般可通過(guò)DC/DC升壓模塊將車(chē)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(cè)電路的信號(hào)輸出部分，由于回路中離子電流值較小，直接測(cè)量電流值相對(duì)困難且難以保證測(cè)量精度，通過(guò)串聯(lián)分壓電阻的作用，使得回路中的電流即待測(cè)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IR1，由于R1為定值，則用U1的值就可以表征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(xiàn)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(cè)電路示意圖電容式離子電流檢測(cè)電路電容式離子電流檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)如所示12。該檢測(cè)電路主要包括電容、瞬態(tài)抑制二極管、普通二極管和檢測(cè)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(guò)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(xiàn)圈次級(jí)、火花塞和被測(cè)電阻形成回路，離子電流信號(hào)由被測(cè)電阻的分壓獲得，電流方向如所示。由于放電瞬間點(diǎn)火線(xiàn)圈次級(jí)電勢(shì)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(cè)電阻并聯(lián)的二極管則只是在給電容充電時(shí)單向?qū)ǎ员苊怆妷盒盘?hào)幅值過(guò)大導(dǎo)致后續(xù)電路損壞。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(cè)電路兩種檢測(cè)電路對(duì)比分析從檢測(cè)原理方面來(lái)看，兩者都是通過(guò)偏置電壓的方式使回路中形成離子電流，然后再通過(guò)檢測(cè)電阻將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，作為輸出信號(hào)。不同的是外接電源式檢測(cè)電路采用的是事先設(shè)計(jì)好的電源作為偏置電壓，而電容式檢測(cè)電路的偏置電壓來(lái)源于點(diǎn)火線(xiàn)圈次級(jí)電壓。從電路的成本方面來(lái)看，外接電源式檢測(cè)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(cè)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(lái)看，外接電源式檢測(cè)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(cè)電路基本不受點(diǎn)火線(xiàn)圈的影響，抗外部干擾的能力也較強(qiáng)；而電容式瞬態(tài)抑制二極管點(diǎn)火線(xiàn)圈火花塞電容檢測(cè)電阻普通二極管檢測(cè)電路中電容的充放電特性受控于點(diǎn)火線(xiàn)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(lái)看，外接電源式檢測(cè)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(cè)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(cè)電路在抗干擾能力適用范圍等方面要強(qiáng)于電容式檢測(cè)電路，但電容式檢測(cè)電路具有成本低易于布置等優(yōu)點(diǎn)。本文接下來(lái)將對(duì)目前電容式檢測(cè)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(cè)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)11測(cè)試臺(tái)架對(duì)離子電流檢測(cè)電路的檢測(cè)效果的評(píng)價(jià)要以實(shí)際臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。基于此，本文在一臺(tái)兩階段噴射直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。臺(tái)架的整體布局如所示，用一臺(tái)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(guò)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(kāi)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(tái)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/L1792壓縮比101缸徑行程/MM790914進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟/CA17BTDC進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉/CA70ABDC排氣門(mén)開(kāi)啟/CA55BBDC排氣門(mén)關(guān)閉/CA185ATDC為了便于比較，均選同一測(cè)試工況拖動(dòng)轉(zhuǎn)速400R/MIN，首次噴油時(shí)刻120CAATDC（進(jìn)氣上止點(diǎn)），第2次噴油時(shí)刻280CAATDC（進(jìn)氣上止點(diǎn)），兩階段噴油比例31，點(diǎn)火提前角為20CABTDC（壓縮上止點(diǎn)），噴油壓力10MPA，全局空燃比147，環(huán)境溫度30。后處理電路對(duì)離子電流信號(hào)的影響檢測(cè)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(xiàn)圈。同時(shí)點(diǎn)火的特點(diǎn)是一個(gè)點(diǎn)火線(xiàn)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(wú)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(xiàn)圈的一端用于正常點(diǎn)火另一端用于離子電流檢測(cè)，改動(dòng)成本很小。如圖所示是由上述電路所測(cè)得的離子電流信號(hào)。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45MPA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(hào)還會(huì)出現(xiàn)08V。顯然將此離子電流信號(hào)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05V，信號(hào)過(guò)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。303036039042045010123456789缸內(nèi)壓力個(gè)MPA缸內(nèi)壓力離子電流點(diǎn)火信號(hào)曲軸轉(zhuǎn)角個(gè)CA10123456789離子電流個(gè)V10123456789點(diǎn)火信號(hào)個(gè)個(gè)個(gè)2個(gè)1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(cè)結(jié)果當(dāng)供電電壓為65V時(shí)輸出范圍剛好是05V。65V供電電壓由LM2596降壓模塊提供，本文由于時(shí)間關(guān)系購(gòu)買(mǎi)工業(yè)成品。加上跟隨器后測(cè)得的離子電流信號(hào)如所示，可見(jiàn)信號(hào)范圍被限制在了05V。后處理電路303036039042045010123456789缸內(nèi)壓力個(gè)MPA缸內(nèi)壓力離子電流點(diǎn)火信號(hào)曲軸轉(zhuǎn)角個(gè)CA10123456789個(gè)V個(gè)10123456789點(diǎn)火信號(hào)增加后處理電路后離子電流與缸壓波形檢測(cè)電阻對(duì)離子電流的影響由前文的分析可知，離子電流的測(cè)量值最終由檢測(cè)電阻R兩端的電壓來(lái)表征，可見(jiàn)檢測(cè)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(cè)阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線(xiàn)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(cè)阻值過(guò)小的緣故；圖C、圖D和圖E離子電流波形合適，但圖E開(kāi)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(cè)阻值過(guò)大同時(shí)放大了正常信號(hào)和噪聲信號(hào)所致。綜合來(lái)看，R為200K400K是較為合適的檢測(cè)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(jí)為5/200K25A左右。060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345AR30KBR130K060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345CR200KDR400K060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345060120180240303604204805406060720012345個(gè)MPA個(gè)個(gè)個(gè)CA個(gè)個(gè)012345個(gè)V個(gè)012345ER1MFR5M不同檢測(cè)阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線(xiàn)實(shí)際電路中，檢測(cè)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(guò)滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)整個(gè)檢測(cè)電阻以滿(mǎn)足不同工況的測(cè)量要求。整個(gè)離子電流檢測(cè)電路的最終實(shí)物圖如所示。（還沒(méi)焊好）3結(jié)論（1）外接電源式離子電流檢測(cè)電路和電容式離子電流檢測(cè)電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。外接電源式檢測(cè)電路可以適用于各種內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)具有信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但成本偏高；而電容式檢測(cè)電路信號(hào)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(duì)于電容式檢測(cè)電路，可以通過(guò)后處理電路將其輸出信號(hào)限制在05V，這樣該信號(hào)才可以供給ECU以便進(jìn)一步的反饋控制；（3）電容式檢測(cè)電路中的檢測(cè)電阻對(duì)離子電流信號(hào)輸出有較大影響，由于離子電流的數(shù)量級(jí)為幾十微安，可以由此來(lái)估算檢測(cè)電阻的大小。實(shí)際電路中檢測(cè)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(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)電阻值，以使輸出信號(hào)合適。參考文獻(xiàn)12000010553V001J22004012922V001J3,912318M4,2001013485M5汪映,吳筱敏,關(guān)勇一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)方法的探討J內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2002（01）46486吳筱敏,杜衛(wèi)寧,廖世勇等離子信號(hào)與空燃比關(guān)系的探討J燃燒科學(xué)與技術(shù),2006（01）25297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(hào)的正確檢測(cè)J內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1998（04）78848范錢(qián)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