柴油機離子電流檢測技術綜述

張志強趙福全李理光

（1.東風柳州汽車有限公司，柳州 545005；2.清華大學 汽車產業(yè)與技術戰(zhàn)略研究院，北京 100084；3.同濟大學，上海 201804）

柴油機離子電流檢測技術綜述

張志強1趙福全2李理光3

（1.東風柳州汽車有限公司，柳州 545005；2.清華大學 汽車產業(yè)與技術戰(zhàn)略研究院，北京 100084；3.同濟大學，上海 201804）

基于內燃機離子電流形成機理，闡述了燃料在化學電離和熱電離過程中的簡化化學反應；結合離子電流檢測技術在汽油機和柴油機上應用的異同點，分別簡述汽油機和柴油機離子電流檢測系統(tǒng)原理；根據柴油機離子電流檢測技術的發(fā)展階段，依次歸納了各研究階段的成果；最后綜合相關研究人員的最新研究工作，綜述了該技術在柴油機瞬態(tài)燃燒過程排放物預測、燃燒特性預測和閉環(huán)反饋控制的研究成果。

1 前言

常見的內燃機工作過程檢測方法主要有3種，第1種是通過缸壓傳感器檢測氣缸壓力，并結合閉環(huán)反饋控制策略，可實現燃燒過程閉環(huán)控制。第2種是通過光纖傳感器檢測燃燒產物發(fā)出的光譜，并分析出燃燒特性等信息[1]。第3種是通過離子電流傳感器檢測燃燒產生的自由離子基團，并使其形成離子電流。通過對該信號進行分析可獲得內燃機工作過程信息。該檢測方法具有裝置簡單、成本低和安裝便利等優(yōu)點。

離子電流概念的提出已有百年的歷史[2]，但在內燃機上的研究僅數十年。盡管如此，離子電流檢測技術一直得到重視，其在汽油機領域獲得的研究和應用成果頗豐，在柴油機方面的研究和應用也正在進行。

本文介紹離子電流檢測原理，并簡述其在汽油機和柴油機應用的異同點，最后著重綜述柴油機離子電流檢測技術研究歷程及進展、技術突破和應用前景。

2 離子電流檢測原理

內燃機燃燒過程中會產生大量的自由離子。在火花塞的兩級或以離子電流探針為一級，缸體為另一級，施加合適的檢測電壓，自由離子會形成離子電流。離子電流的形成主要源于化學電離和熱電離。

化學電離是指在燃燒初期，燃料逐漸產生一些離子。該階段離子電流的形成受燃料的揮發(fā)性和分解性影響較大，其離子電流形成涉及的化學反應為[3]：

熱電離一般發(fā)生在燃燒后期，受熱運動影響形成離子，并且大多與NO有關。這主要是由于NO發(fā)生電離所需要的活化能量最小。熱電離涉及的主要化學反應為[4]：

式中，M主要是指NO；Eion為熱基團。

汽油機和柴油機離子電流檢測系統(tǒng)原理分別如圖1和圖2所示。在汽油機中，一般可利用火花塞和一些外部電路構成離子電流檢測回路，并測試離子電流信號。而在柴油機中，離子電流檢測系統(tǒng)的安置比汽油機困難，這主要是由于在柴油機中需要在缸蓋上打孔和額外安裝一個離子電流探針，或是在柴油機的預熱塞孔中安裝離子電流探針。

圖1 汽油機離子電流檢測系統(tǒng)示意[5]

圖2 柴油機離子電流檢測系統(tǒng)示意[6]

由于柴油機過量空氣系數比汽油機高，同時缸內平均溫度比汽油機低，這些因素均影響和抑制燃料的化學電離和熱電離過程，進而導致柴油機離子電流信號較弱。因此，柴油機離子電流信號檢測電壓比汽油機高。

另外，在結合離子電流信號進行閉環(huán)反饋控制時，汽油機可以根據當前循環(huán)內的離子電流信號，采取補火及補油反饋手段，以實現循環(huán)內的閉環(huán)反饋控制；而柴油機燃燒持續(xù)期較短，同時較難實現補油和補燃，因此反饋控制難以在同一循環(huán)來實現。

3 柴油機離子電流檢測技術研究歷程及進展

柴油機離子電流檢測技術的研究和發(fā)展歷程可以歸納成3個主要階段：初期階段為柴油機離子電流的形成機理研究，中期階段為燃料特性和檢測結構對離子電流影響研究，近期階段為柴油機工況參數下離子電流信號研究。

3.1 初期階段

早期大量的學者一方面通過試驗手段對離子電流的形成過程和形成區(qū)域等進行試驗研究，另一方面通過結合化學動力學模型進行模擬研究。2002年，Kessler等人[7]采用光學測試方法對柴油機中離子電流的形成機理進行研究，發(fā)現電子和帶負電的離子均是離子電流中負電荷的載體；而汽油機中只有電子是離子電流中負電荷的主要載體。這主要是由于柴油和汽油在燃燒時產生自由離子的化學反應過程略有不同。

2004年，Kubach等人[8]對柴油機中離子電流存在的區(qū)域進行試驗研究。結果表明，柴油機中離子電流存在的區(qū)域較為廣泛，可以分布在預混合火焰區(qū)域、擴散火焰區(qū)域、碳煙生成區(qū)域和碳煙氧化區(qū)域中。Mehresh和Dibble等人[9～10]結合Warnatz自由離子形成骨架機理，首次搭建出以丙烷為燃料的HCCI燃燒方式下的離子電流仿真研究模型，該仿真模型的計算結果與試驗結果對比如圖3所示。在不同的當量比范圍下，仿真計算得到的離子電流峰值和試驗值具有較好的一致性。

圖3 離子電流仿真和試驗結果對比[10]

3.2 中期階段

為了進一步探明離子電流生成特性的規(guī)律，大量學者結合不同的燃料特性開展離子電流特性研究；同時，基于定容燃燒彈和實際柴油機結構，相關學者開展了檢測結構對離子電流的影響研究。

Reinman等人[11]分別利用發(fā)動機和置于大氣環(huán)境中的燃燒器對含有堿金屬添加劑的燃料進行離子電流檢測，發(fā)現離子電流隨著堿金屬含量增大而增強。這主要是由于堿金屬的電離所需能量較低，在燃燒過程中，堿金屬含量越高，越易形成離子電流。

Franke等人[12]基于定容燃燒彈進行離子電流試驗研究，發(fā)現空氣中的微量堿金屬在低溫環(huán)境下能夠有效促進NO生成NO+離子，從而促進離子電流的形成。

George等人[13]基于一臺輕型柴油機，結合3種不同物理和化學特性的燃料（低硫柴油ULSD、航空柴油JP-8和合成柴油Sasol-IPK）開展離子電流特性試驗研究。結果表明，對比不同燃料及不同負荷工況，在預混和擴散燃燒階段離子電流與缸內燃燒信號（缸壓、放熱率曲線等）均具備較好的關聯(lián)性。即離子電流技術可以應用于不同的燃料和工況燃燒分析研究工作中。

Vressner等人[14]對不同的離子電流檢測電極安裝位置進行試驗研究，結果表明不同安裝位置測得的離子電流信號有所不同。這主要是由于離子電流反映的是檢測電極的局部燃燒信息，故在不同的安裝位置所測信號會有一定差異。Henein等人[15]針對如圖4所示的3種不同檢測電極突出高度和兩種電測電壓進行離子電流檢測研究，試驗結果如圖5所示。檢測電極突出高度對離子電流信號特征有一定的影響，在較短突出高度下離子電流信號會出現較多的凸峰，而在較長突出高度下離子電流信號基本只有一個峰值。這可能是由于較長突出高度時電極所檢測到的不同火焰區(qū)域信號相互疊加而導致峰值數量減少。分析耦合檢測電壓和突出高度的試驗結果可知，在高檢測電壓（600 V）下離子電流信號較強，但是高檢測電壓在較短突出高度下對離子電流信號的增強效果并不明顯。

圖4 電極突出高度示意[15]

圖5 不同電極突出高度下離子電流對比[15]

為突破實際柴油機結構和布局的限制，李春艷等人[16]基于定容燃燒彈，結合多種不同的電極檢測位置、正負極檢測面積，開展檢測結構對離子電流的影響研究。結果表明，電極位置決定著離子電流的出現時刻并影響著離子電流的大小、峰值及峰值時刻等特征參數；測量電極（正極和負極）接觸面積越大，電極吸收的電荷量就越多，離子電流幅值也就越高，且負電極面積對離子電流的影響大于正電極。

3.3 近期階段

為加快離子電流技術在柴油機上的工程應用實踐，近期大量的學者結合實際柴油機工況參數，開展了離子電流特性分析、離子電流與燃燒等特征參數的對比研究，并獲得了成功的工程應用實例。

Henein等人[17]結合一臺1.9L輕型高速柴油機，對比分析不同噴油壓力和負荷狀態(tài)下的離子電流特性。結果表明，離子電流信號隨著噴油壓力和負荷的增大而增強。Huang和Mehta[18]針對柴油機HCCI燃燒模式，開展了不同轉速、進氣壓力和進氣溫度下的離子電流試驗研究，結果如圖6～圖8所示。結果表明，離子電流受轉速、進氣壓力和進氣溫度的影響較大，離子電流隨著轉速的升高而減弱，隨著進氣增壓壓力的升高而減弱，隨著進氣溫度的升高而加強。

圖6 離子電流隨轉速的變化關系[18]

圖7 離子電流隨進氣壓力的變化關系[18]

圖8 離子電流隨進氣溫度的變化關系[18]

Strandh等人[19]在一臺重型柴油機上進行離子電流檢測，結果表明離子電流信號達到峰值的50%所對應的時刻滯后于基于缸內壓力信號推算得到的CA50時刻。這主要是由于離子電流檢測到的是檢測電極附近的離子電流特性，是一個局部信號，而缸內壓力信號是全局信號。另外，這兩個時刻之間的相關度較高，因此可以用于內燃機工作過程的燃燒相位的判定。Yoshiyama等人[20]以正庚烷進行HCCI離子電流檢測試驗，結果表明離子電流的峰值相位（θP）比放熱率的第2個峰值（高溫反應階段）相位（θH）滯后5°，兩者之間的相關性如圖9所示。結果表明，兩者具有較高的相關性。

圖9θP和θH的相關性[20]

Badawy等人[21～22]通過在一臺高壓共軌柴油機上同時采集缸壓信號、離子電流信號和振動信號，并對其進行FFT頻域分析，研究結果如圖10所示。可知，離子電流信號與缸壓信號及振動信號具有非常好的一致性。結合進一步的分析和研究發(fā)現，離子電流信號可以作為一個反饋信號提供給ECU，并可以基于該信號來反饋控制柴油機的振動和噪聲。

康哲等人[23]研究了不同EGR率、噴油壓力、噴油量、轉速和冷卻水溫度等工況參數對離子電流信號和燃燒相位相關性的影響。結果表明，柴油機燃燒產生的離子電流信號與燃燒相位之間的相關系數在不同工況下均接近或達到0.8，該相關性為高度相關，即利用離子電流信號進行燃燒相位的預測具備較好的準確性。

圖10 缸壓信號、離子電流信號和振動信號的FFT分析對比[21～22]

Glavmo等人[24]基于一臺高壓共軌柴油機進行了大量離子電流檢測試驗研究，并提出了基于離子電流信號的燃燒始點相位判斷方法，其判斷流程如圖11所示。首先對離子電流信號進行濾波和差分，當差分值首次超過所設定的強度閾值時，即判斷該時刻為燃燒始點?；谠撻]環(huán)反饋方法可以使ECU相應調整進氣量、燃油噴射時刻和水溫等來調整燃燒始點。

圖11 基于離子電流檢測的燃燒始點相位判斷[24]

4 柴油機離子電流檢測技術突破和應用前景

縱觀柴油機離子電流檢測技術的研究歷程及進展、技術突破和應用前景，該技術從早期的定性研究逐步發(fā)展到定量或模型化研究；從穩(wěn)態(tài)工況研究逐步發(fā)展到循環(huán)瞬態(tài)工況研究，并對柴油機燃燒過程相關特性及參數實現模型預測和閉環(huán)反饋控制。

Estefanous[25]和Badawy等人[26]基于試驗研究結果發(fā)現，每個柴油機工作循環(huán)下離子電流信號與NOx和碳煙排放生成具有較強的相關性。為此，他們提出了針對循環(huán)工況下的基于離子電流的NOx和碳煙排放預測模型。該研究為后續(xù)實現瞬態(tài)工況下柴油機的NOx和碳煙排放物生成預測、排放閉環(huán)控制提供了新的思路和應用前景。

Rao和Honnery[27]結合神經網絡建模方法，建立了基于離子電流信號的柴油機工作膨脹功、平均指示有效壓力和扭矩的神經網絡預測模型。結果表明，為提高循環(huán)工況下的預測精度，仍需提供更多試驗數據樣本，并結合空燃比、噴油壓力、缸壓和排放等數據進一步完善該預測模型。

本文通過自主搭建柴油機離子電流檢測系統(tǒng)，開展柴油機離子電流特性研究，并提出基于離子電流信號特征參數（CAI50）的燃燒放熱過程特征參數（CA50）估計方法。同時針對柴油機低溫燃燒穩(wěn)態(tài)工作過程，建立基于離子電流的柴油機低溫燃燒閉環(huán)反饋控制策略，如圖12所示。并通過試驗對比研究采用閉環(huán)反饋控制前后的柴油機動力性、排放性和燃燒穩(wěn)定性。

圖12 低溫燃燒閉環(huán)反饋控制策略[6]

該閉環(huán)反饋控制策略中，噴油時刻修正算法采用的是PID控制算法，該算法通過輸入CA50與目標CA50aim的偏差，并將該偏差的比例、積分和差分部分通過線性組合方式構成反饋控制量，即噴油時刻修正量。具體控制算法的計算公式為：

式中，E(i+1)為下一循環(huán)的噴油時刻修正量，即E（i+1）=SOI（i+1）-SOI（i）；e（i）為CA5（0i）與CA50aim的偏差；kp為比例調節(jié)系數；ki為積分調節(jié)系數；kd為差分調節(jié)系數；i代表當前循環(huán)。

閉環(huán)反饋控制前后的缸內壓力、HC排放和離子電流的對比如圖13所示。由圖13a可知，在閉環(huán)反饋控制前，由于采用較大的EGR率來實現低溫燃燒，EGR廢氣與進氣系統(tǒng)中新鮮充量的相互混合過程存在一定的變動，致使每個工作循環(huán)的燃燒邊界條件和燃燒狀態(tài)不一致，進而導致低溫燃燒下缸內壓力、HC排放和離子電流均出現較大的波動。

圖13 閉環(huán)反饋控制前后的缸內壓力、HC排放和離子電流對比[6]

采用基于離子電流閉環(huán)反饋控制后的試驗結果如圖13b所示。通過實時檢測各個工作循環(huán)的離子電流信號，來估計出CA50，并根據CA50與CA50aim的差異，不斷調整下一循環(huán)的噴油時刻，使得各個工作循環(huán)的低溫燃燒過程較為穩(wěn)定，缸內壓力和離子電流信號較一致，HC排放總體得到降低。

5 結束語

國內外關于在柴油機上進行離子電流檢測技術的研究尚處于初步階段，該檢測技術在實際柴油機上進行產業(yè)化的應用和推廣還需要更進一步的研究和發(fā)展。

結合目前的研究現狀和成果可知，離子電流檢測技術是實現柴油機實時工作過程檢測的一種非常有效和低成本的技術，并且該技術具有建立柴油機工作過程排放物及相關燃燒特性預測模型、實現閉環(huán)反饋控制的潛力。

從開展的基于離子電流檢測技術的柴油機低溫燃燒閉環(huán)反饋控制研究成果來看，離子電流檢測技術能夠檢測出柴油機的燃燒狀態(tài)?；陔x子電流信號并結合相應閉環(huán)反饋控制策略后，燃燒穩(wěn)定性得到提高，柴油機的工作特性和排放性能均得到改善。

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（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2016年6月1日。

An Overview on Ion Current Detecting Technology of Diesel Engine

Zhang Zhiqiang1,Zhao Fuquan2,Li Liguang3
（1.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou 545005;2.Automotive Strategy Research Institute, Tsinghua University,Beijing 100084;3.Tongji University,Shanghai 201804）

The simplified chemical reaction of fuels during chemical ionization and thermal ionization was elaborated in this paper based on the formation mechanism of ionic current of internal combustion engine;in combination of similarities and differences of ionic current detecting technology in gasoline and diesel engine,the systematic principle of ionic current detection of gasoline and diesel engine was briefly described;then achievement from different research stages was summarized according to the development phase of ionic current detecting technology of diesel engine;finally research achievement of this technology in emission forecast,combustion characteristic forecast and closed loop feedback control of diesel engine in instantaneous combustion was summarized.

Diesel engine,Ion current,Closed-loop control

柴油機 離子電流 閉環(huán)控制

464.11+.4

A

1000-3703（2016）12-0001-06