火花塞离子电流研究进展

刘纯志，简晓春，郑佰平，房 科

（1. 重庆交通大学 交通运输学院，重庆，400074）

0 引 言

随着对汽车动力性和尾气排放标准的要求越来越高，发动机在不同程度上对缸内燃烧过程进行着电子控制。现在的发动机电控技术是建立在大量使用传感器的基础上，不仅使发动机结构设计更为复杂，成本升高，而且部分传感器的使用还会影响缸内燃烧从而导致参数测量不准确。因此，火花塞离子电流是目前反映发动机燃烧状态的关键技术之一，开展这方面的研究对于精确、实时地进行发动机控制有着重要意义。

1 离子电流产生机理及检测方法

发动机缸内的混合气在燃烧时，会发生剧烈的化学反应，生成大量的离子和自由电子，使缸内的可燃气体具有一定的导电性。如果在火花塞两极间添加一个偏置电压，带电粒子就会在电场的作用下发生定向移动，从而在两极之间产生离子电流。离子电流根据火焰的传播过程主要分为火焰前锋区和焰后区。其中火焰前锋区的主要化学反应如下[1]：

其中Ki(i=1, 2, 3)表示反应常数，大小分别为：

由式（1）～式（4）可以看出，K2大于K1，也就是说火焰前锋中的离子大部分转化为H3O+，K3虽然也较大，但是由于反应不剧烈，因此在后火焰区H3O+还会存在。而在焰后区的主要化学反应为：

由于在高温高压的环境下NO+浓度增加；当压力最大时，NP+浓度达到最大，而对应的离子电流也达到峰值。

对于离子电流的检测方法，国内外学者提出了多种测量方案。日本 Honda公司的 Masaki Kanehiro等人在点火次级线圈后串联了1个高压二极管，同时使用2个电容组成分压电路，但是这种电路选择的电容必须耐高压[2]。日本大发发动机公司的Morito Asano等人则在次级线圈后和离子电流测量回路内分别串联高压二极管，并为了维持火花塞间隙间的电场在离子电流测量回路内设置了直流电源[3]。德国博士公司的 Jurgen Forster等人进一步将电流检测系统的偏置电源电压设置为200V，使火花塞两极之间的电压能够维持在150V[4]。卡尔斯鲁厄大学Herko Kubach等人则添加了额外的火花塞，并运用外部直流电源维持火花塞间隙间的电场，由于不与点火系统相连，所以系统结构也较为简单[5]。

在国内，西安交通大学的吴筱敏等设计了较为经典的电路来检测离子电流，电路用高压硅堆隔离了点火时产生的高压，并且并联了电阻进行保护，而直流电源则维持火花塞两极之间的电场，通过检测测量电阻 R2两端的电压变化来反应离子电流的变化[6]，如图 1。天津大学的李建文则做了进一步的改进，在此基础上使用了2个高压硅堆离子，电流信号输出部分加入了放大电路，并使用了可调的偏置电压源[7]。

总体来说，离子电流测量方案可以分为与点火系统无关和与点火系统相关两大类。其具体分类及优缺点如表1。

表1 火花塞离子电流检测方案

2 火花塞离子电流研究现状

国内外学者研究发现火花塞离子电流包含丰富的发动机燃烧和运转的信息，可以通过信号采集和处理，提取我们所关心的发动机运行参数。因此对离子电流开展了一系列的研究。

2.1 检测与测量

Nick Collings提出了一个检测爆燃的电路，并在测爆燃过程中把离子电流法和压力传感器法进行了对比，结果证实了离子电流法在爆燃检测中是一种可行的方法[8]。随后又运用火花塞作为传感器检测多个参数，从理论上研究了空燃比、燃烧时刻、燃油成分对离子电流的影响[9]。研究结果表明离子电流法可以作为一种有效的检测方法。John Auzins则利用爆燃时离子电流波形与正常燃烧时的电流波形有明显的区别，将离子电流信号上的高频信号进行频域分析确定爆燃时离子电流信号的频率范围，并对失火时和正常燃烧时的离子电流波形进行比较，比较结果发现两个波形的区别很大[10]。通过研究表明离子电流可以有效地检测发动机的失火和爆燃。

Ford公司的Robert L.Anderson利用离子电流研究发动机缸内的燃烧特性，得到了离子电流信号与曲轴转角、缸内压力、燃烧时间之间的关系[11]。Eric N.Balles等用离子电流计算了缸内空燃比近似值，试验测得的数据表明周期平均离子曲线与空燃比之间的相关性很强[12]。Andre Saitzkoff等利用离子电流和缸内压力之间的关系来推算出缸内压力，并指出在高负荷运转时缸内压力预测值的绝对值和缸内压力实际测量值的绝对值之间相差10%～15%[13]。Raymond Reinmann等通过离子电流测量了局部空燃比，指出火花塞附近的混合气空燃比可以用离子电流进行测量，而且误差仅有3%[14]。

国内学者也对离子电流检测和测量方面的运用进行了深入的研究。西安交通大学的吴筱敏提出用火花塞电极作为传感器直接测量燃烧时离子电流的变化，可以用于检测发动机爆燃[15]。随后在试验时对有爆燃和无爆燃工况的离子电流信号进行快速傅里叶变换，结果比较发现，在10～11 Hz是该试验发动机的爆燃离子电流信号的频率范围；进一步通过调整火花塞间隙和添加积碳的方法产生失火，并分析对比失火和正常燃烧的离子信号波形，发现离子电流信号可以进行缸内失火检测[16]。湖南大学的成志明则将火花塞作为检测传感器来测量摩托车发动机燃烧时离子电流密度的变化，结果表明可以正确地检测出爆燃信号[17]。吴筱敏等研究发现火焰前锋和后区的信号峰值随过量空气系数的变化趋势相同，当过量空气系数为1时均达最大值，可以用该信号实现空燃比的探测[18]。吴怡等通过控制预混压力和空燃比2个参数的变化，来研究空燃比和离子电流信号的关系，试验表明离子电流信号的第1峰值与空燃比有一定的相关性，可以用来检测空燃比[19]。李建文等利用离子电流特征参数作为辅助变量，创建了面向Matlab的空燃比软测量神经网络模型，对模型的训练与仿真得到了较满意的效果[20]。

2.2 发动机控制

由于不能测量发动机运行过程中的一些实时参数，许多控制量是通过大量不同工况下的发动机试验得出。但是对于不同型号的发动机，需要重新标定控制量，使整个工作量加大。如果能够通过对离子电流的检测来获得发动机运行过程中的有关参数，然后据此对发动机进行实时控制，构成一个闭环系统，就可以使发动机更好地满足排放、经济和动力等指标。国内外的学者就这方面进行了深入的研究，并取得了一定的成果。

2.2.1 点火提前角的控制

Lars Eriksson等在离子电流控制点火提前角这一领域中做了大量的研究。他们利用发动机工作时的缸内最高燃烧压力和后火焰区离子电流波形的一致性，如图 2，建立了经典离子电流的计算公式（8）。在此基础上利用离子电流信号来实时估算压力峰值，再加一个简单的 PI调节器对点火提前角进行闭环控制，并在试验中证实了水雾对结果影响不是很大[21-22]。Naeim A.Henein等通过一个单缸发动机上的试验表明，负极性时测得的离子电流同样能用于点火系统的反馈控制[23]。Guoming G .Zhu等利用离子电流信号，将闭环MBT（最佳转矩对应的最小点火提前）时间控制、极限爆燃限制控制和点火延迟限制控制一起控制点火，以获得最佳的燃油经济性[24]。

其中：I为离子电流；Im为离子电流最大值；p为缸内压力；pm为缸内压力最大值；γ为放热率；Tm为最高温度；Ei为离子能量；k为伯尔兹曼常数。

2.2.2 空燃比控制

UpadhyayD.等在一台单缸发动机上利用空燃比与后火焰期的离子电流在同一时间窗口下的积分值的非线性关系来估算空燃比，然后用估计值进行空燃比的控制，并取得了良好的效果[25]。Dirk Schneider等通过离子电流信号的实时测量，实现空燃比的估计[26]。结果表明，当空燃比大于0.88时，计算10个周期的平均预测值，空燃比估计值的变动系数可以小于2.5%。Morito Asano等指出让火花塞连接正极，可以使离子电流信号的强度加强；通过测量离子电流，可以控制空燃比并使其接近稀燃极限，通过进一步独立控制每缸的空燃比，能大幅度改善内燃机排放与燃料消耗率[8]。Yutaka Ohashi则将离子电流应用于爆燃检测和爆燃控制上，并进一步用于空燃比的稀燃极限控制和EGR率的控制[27]。

在国内，西安交通大学的吴筱敏等通过对油量变化前后离子电流信号达到峰值时间大小的计算，提出了判断混合气是浓是稀的识别方法，并采用分段法和定值法计算所需要的燃料来满足空燃比控制效率和精度的要求[28]。

3 结 论

火花塞离子电流在检测发动机运行中的基本参数以其特有的优势逐渐在汽车电控技术领域占有一席之地。目前，根据离子电流信号所携带的信息来检测发动机的爆燃、失火、空燃比、压力等成为了简单并准确的检测方法。而且对于离子电流信号对发动机的点火提前角和空燃比进行闭环控制的研究和应用也比较成熟。但是离子电流对大部分发动机运行参数的检测还只是定性的，没有把离子电流的大小与运行参数定量的联系起来。在未来的汽车电控系统中，如何利用离子电流所提供的丰富的燃烧信息对发动机进行精确、综合的控制，是今后需要进一步深入研究的。

[1]邢建国，许沧粟，孙优贤.火花塞离子电流信号及其在发动机检测和控制中的应用[J].内燃机工程，2001，22（3）:70-73.

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[3] Morito Asano，Tetsuo Kuma，et al. Development of New Ion Current Combustion Control System[C].SAE Paper，980162.

[4] Jurgen Forster，Achim Gunther，et al.Ion Current Sensing for Spark Ignition Engines[C].SAE Paper，1999-01-0204.

[5] Heiko Kubach，Amin Velji，et al.Ion Current Measurement in Diesel Engines[C].SAE Paper，2004-01-2922.

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[12]Eric N.Balles，et al. In-Cylinder Air/Fuel Ratio Approximation Using Spark Gap Ionization Sensing[C].SAE Paper，980166.

[13]Andre Saitzkoff，et al. In-Cylinder Pressure Measurements Using the Spark Plug as an Ionization Sensor[C].SAE Paper，970857.

[14]Raymond Reinmann，et al. Local Air-Fuel Ratio Measurements Using the Spark Plug as an Ionization Sensor[C].SAE Paper，970856.

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