離子電流檢測電路與優化設計研究0引言內燃機燃燒時會產生大量的自由電子、正負離子和自由基等帶電粒子，使混合氣具有一定的導電性。對于火花點火式發動機，如果在火花塞兩極之間加上適當的直流偏置電壓就會形成離子電流1；對于壓縮自燃式發動機例如柴油機，也可以通過自加電極的方式形成離子電流2。離子電流包含大量發動機燃燒和運轉信息，通過信號檢測和處理可以對缸內燃燒過程進行表征和反饋控制。同時離子電流檢測無需對發動機進行大規模的改動也不受發動機結構布局和燃料類型限制，能夠應用于幾乎所有燃料的內燃機。目前關于離子電流的應用，國內外相關機構已做了大量的研究。NICKCOLLINGS3基于一臺PFI汽油機研究了空燃比、燃燒時刻和燃油成分對離子電流的影響，提出和證明了離子電流法在火花塞積碳檢測中的應用及其可行性。STEFANBYTTNER等4利用離子電流信號評估了缸內循環變動（COV）。研究結果表明，在小負荷工況下，火花塞離子電流信號循環變動與平均有效壓力循環變動之間存在正相關性。吳筱敏等57對離子電流在失火檢測、爆震控制以及空燃比檢測等方面做了大量研究。李理光等811基于離子電流制定了GDIHCCI發動機循環間燃燒相位的反饋控制策略，結果顯示，控制后缸壓及平均指示壓力等參數的循環波動明顯減少，HC排放得到改善。又對一臺兩階段噴射GDI發動機起動過程的離子電流特性進行了細致研究，并在此基礎上基于燃燒循環的控制思想進行了失火檢測和補火控制，有效減少了冷起動過程中的HC排放。要想實現離子電流在發動機上的相關應用，穩定可靠的檢測電路是基礎。對檢測電路的要求主要有以下三點1、檢測到的信號真實準確，2、信號數值范圍適當，3、具備一定抗干擾能力。針對上述要求，本文先是比較了目前所采用的離子電流檢測電路的優缺點，并對其中一種電路進行了優化設計。在一臺兩階段噴射直噴汽油機上進行了試驗驗證，結果表明改進后的檢測電路能夠更好滿足要求。1離子電流檢測電路對比分析目前所采用的離子電流檢測電路按電源的形式可以分為外接電源式和電容式兩種。兩種電路各有其優缺點，下面將分別對這兩種電路進行分析。外接電源式離子電流檢測電路外接電源式離子電流檢測電路的基本結構如所示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火高壓對檢測回路造成干擾和沖擊，由高壓硅堆和電阻R3并聯而成；偏置電源是整個檢測回路的電源部分，一般可通過DC/DC升壓模塊將車用蓄電池的12V電壓轉換為所需要的適合電壓值；分壓電路部分是整個檢測電路的信號輸出部分，由于回路中離子電流值較小，直接測量電流值相對困難且難以保證測量精度，通過串聯分壓電阻的作用，使得回路中的電流即待測離子電流轉換為電壓的表現形式，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，有些電路還在點火線圈與火花塞之間增加了一個陶瓷電容。外接電源式離子電流檢測電路示意圖電容式離子電流檢測電路電容式離子電流檢測電路的結構如所示12。該檢測電路主要包括電容、瞬態抑制二極管、普通二極管和檢測電阻。其工作原理分為兩個階段，充分利用了電容的充放電特性。在火花塞點火放電階段，放電電流給電容充電，充電電壓通過瞬態抑制二極管限制，電流方向如所示；點火放電結束后階段，電容成為偏置電源，若燃燒正常，離子電流將流經點火線圈次級、火花塞和被測電阻形成回路，離子電流信號由被測電阻的分壓獲得，電流方向如所示。由于放電瞬間點火線圈次級電勢差較高，導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。與電容并聯的瞬態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抑制二極管的鉗位電壓值，避免電容損壞。與被測電阻并聯的二極管則只是在給電容充電時單向導通，以避免電壓信號幅值過大導致后續電路損壞。點火放電階段點火放電結束后階段電容式離子電流檢測電路兩種檢測電路對比分析從檢測原理方面來看，兩者都是通過偏置電壓的方式使回路中形成離子電流，然后再通過檢測電阻將電流量轉化為電壓量，作為輸出信號。不同的是外接電源式檢測電路采用的是事先設計好的電源作為偏置電壓，而電容式檢測電路的偏置電壓來源于點火線圈次級電壓。從電路的成本方面來看，外接電源式檢測電路由于存在DC/DC升壓電路和高壓硅堆，其成本要大大高于電容式檢測電路中的電容和瞬態抑制二極管。從電路的抗干擾能力方面來看，外接電源式檢測電路由于外接獨立式電源加上高壓硅堆的作用，使得檢測電路基本不受點火線圈的影響，抗外部干擾的能力也較強；而電容式瞬態抑制二極管點火線圈火花塞電容檢測電阻普通二極管檢測電路中電容的充放電特性受控于點火線圈，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看，外接電源式檢測電路可以適用于各種燃燒模式的發動機，而電容式檢測電路只適用于火花點火式發動機。綜上所述，外接電源式檢測電路在抗干擾能力適用范圍等方面要強于電容式檢測電路，但電容式檢測電路具有成本低易于布置等優點。本文接下來將對目前電容式檢測電路做一些優化，使其能夠達到工業用途要求。2電容式離子電流檢測電路優化設計11測試臺架對離子電流檢測電路的檢測效果的評價要以實際臺架測試數據為準。基于此，本文在一臺兩階段噴射直噴發動機上進行了相關測試。臺架的整體布局如所示，用一臺伺服電機取代了原機的起動機從而能夠實現各種拖動轉速下的起動，運行時只有第4缸進行噴油點火，通過NI公司的PCI6250高速數據采集卡進行相關參量數據采集，ECU控制系統基于飛思卡爾MC9S12XS128單片機自主開發。發動機的相關參數如所示。發動機臺架布局示意圖發動機參數主要參數參數值排量/L1792壓縮比101缸徑行程/MM790914進氣門開啟/CA17BTDC進氣門關閉/CA70ABDC排氣門開啟/CA55BBDC排氣門關閉/CA185ATDC為了便于比較，均選同一測試工況拖動轉速400R/MIN，首次噴油時刻120CAATDC（進氣上止點），第2次噴油時刻280CAATDC（進氣上止點），兩階段噴油比例31，點火提前角為20CABTDC（壓縮上止點），噴油壓力10MPA，全局空燃比147，環境溫度30。后處理電路對離子電流信號的影響檢測電路的實際接法利用了現有的同時點火方式點火線圈。同時點火的特點是一個點火線圈點燃兩個火花塞，其中一缸的點火為有效點火，在壓縮行程終了時產生，而另一缸的點火則為無效點火，在排氣行程中發生。這樣就可以將這種點火線圈的一端用于正常點火另一端用于離子電流檢測，改動成本很小。如圖所示是由上述電路所測得的離子電流信號。由圖可知，在燃燒充分的情形下缸內爆發壓力可以達到45MPA左右，而離子電流的第2個峰值可以達到8V左右，同時在點火放電瞬間離子電流信號還會出現08V。顯然將此離子電流信號直接供給單片機I/O口并不合適，因為一般單片機的I/O口輸入范圍是05V，信號過高或者出現負值都有可能將其燒壞。這就需要在現有的電路基礎上做一些改進，目前通行的做法是增加后處理電路。303036039042045010123456789缸內壓力個MPA缸內壓力離子電流點火信號曲軸轉角個CA10123456789離子電流個V10123456789點火信號個個個2個1未加后處理電路時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，另一方面達到了阻抗匹配的功效。LM324的供電電壓最高可達32V，根據實測結果當供電電壓為65V時輸出范圍剛好是05V。65V供電電壓由LM2596降壓模塊提供，本文由于時間關系購買工業成品。加上跟隨器后測得的離子電流信號如所示，可見信號范圍被限制在了05V。后處理電路303036039042045010123456789缸內壓力個MPA缸內壓力離子電流點火信號曲軸轉角個CA10123456789個V個10123456789點火信號增加后處理電路后離子電流與缸壓波形檢測電阻對離子電流的影響由前文的分析可知，離子電流的測量值最終由檢測電阻R兩端的電壓來表征，可見檢測電阻值是該電路的一個關鍵參數。前述工況下不同檢測阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線如圖所示。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，這是由于檢測阻值過小的緣故；圖C、圖D和圖E離子電流波形合適，但圖E開始出現輕微的波形噪聲；而圖F離子電流波形則偏大且波形噪聲較嚴重，這是由于檢測阻值過大同時放大了正常信號和噪聲信號所致。綜合來看，R為200K400K是較為合適的檢測阻值。由歐姆定律可以進一步計算出該工況下離子電流的數量級為5/200K25A左右。060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個012345個V個012345060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個012345個V個012345AR30KBR130K060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個012345個V個012345060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個012345個V個012345CR200KDR400K060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個個012345個V個012345060120180240303604204805406060720012345個MPA個個個CA個個012345個V個012345ER1MFR5M不同檢測阻值下的離子電流與缸壓波形特性曲線實際電路中，檢測電阻一般由一個固定電阻和一個滑動變阻器串聯而成，通過滑動變阻器可以調節整個檢測電阻以滿足不同工況的測量要求。整個離子電流檢測電路的最終實物圖如所示。（還沒焊好）3結論（1）外接電源式離子電流檢測電路和電容式離子電流檢測電路各有優缺點。外接電源式檢測電路可以適用于各種內燃機，同時具有信號穩定的優點，但成本偏高；而電容式檢測電路信號可以達到工業應用要求，成本低廉易于安裝，是火花點火式內燃機的首選；（2）對于電容式檢測電路，可以通過后處理電路將其輸出信號限制在05V，這樣該信號才可以供給ECU以便進一步的反饋控制；（3）電容式檢測電路中的檢測電阻對離子電流信號輸出有較大影響，由于離子電流的數量級為幾十微安，可以由此來估算檢測電阻的大小。實際電路中檢測電阻由滑動變阻器和固定電阻組成，這樣便可以根據實際工況來調節檢測電阻值，以使輸出信號合適。參考文獻12000010553V001J22004012922V001J3,912318M4,2001013485M5汪映,吳筱敏,關勇一種新型發動機失火檢測方法的探討J內燃機學報,2002（01）46486吳筱敏,杜衛寧,廖世勇等離子信號與空燃比關系的探討J燃燒科學與技術,2006（01）25297吳筱敏采用離子電流分析法實現發動機爆震信號的正確檢測J內燃機學報,1998（04）78848范錢旺,李理光,卞江等基于兩階段燃油噴射的直噴汽油機離子電流特性的試驗J內燃機學報,2012