基于火花塞离子电流信号点燃式发动机早燃状态的检测

钟新宝，成志明，刘 琼，王本亮

(1.邵阳学院机械与能源工程系，湖南邵阳422004;2.湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙410082)

0 引言

为获得更好的经济性、动力性和排放性，现代发动机都在不同程度上对其燃烧过程采用了电子控制，这就需要对发动机的工作状态特别是气缸内燃烧过程的状态参数能予以实时跟踪和相关信号的实时反馈.从国内外研究现状来看，对燃烧信号的采集、处理及非正常燃烧状态诊断等方面作了大量研究.近年来随着人们对火花塞离子电流的深入认识，将之尝试性地应用于发动机缸内燃烧状态的检测与诊断等已引起了国内外学者的高度重视，并成为发动机测控领域的研究热点［1-8］.资料表明，发动机气缸内混合气燃烧时会产生大量的游离子和自由电子，而对于点燃式发动机，如果在火花塞两极之间加上适当的直流偏置电压，极间的带电粒子在该电场作用下发生定向迁移，从而形成离子电流，其电流大小与瞬时离子浓度有关，其浓度取决于燃烧过程.因此，基于火花塞极间离子电流信号变化来分析缸内混合气燃烧状态并获取整个燃烧信息是可取的［5-11］，为此，本文基于火花塞离子电流法原理，以NF157FMI汽油机为例，设计一套火花塞离子电流检测系统，针对采集的离子电流信号，应用小波阈值收缩去噪方法予以滤波去噪处理，根据其波形图特点分析整个燃烧信息，定性定量地揭示气缸内燃烧过程性质，以实现发动机早燃的可靠检测.

1 火花塞离子电流检测系统设计

1.1 离子电流法基本原理

点燃式发动机工作时，火花塞跳火点燃气缸内混合工质，燃料成分燃烧发生剧烈复杂的多步化学反应，缸内高温高压条件使碳氢燃料在火焰传播过程中裂解成和等游离基，与激化态氧发生反应分别在火花点火、火核形成、火焰传播等燃烧过程中产生大量的e-、、CHO+、等带电粒子，使燃气具有一定的电导性，并放出热量［1-9］.如图1所示，如果在火花塞两极间施加一个稳定直流电压，则其形成的电场将使极间产生的带电粒子发生定向迁移，产生持续的离子电流.受发动机排量、运转工况及点火参数(点火提前角、点火能量、跳火时间等)等影响，所产生的火花塞离子电流大小不同，其信号经放大、滤波等环节调理后，对其进行相应的时域、频域分析所获得的信息可反映燃烧过程，为发动机提供相应控制依据.

图1 火花塞离子电流产生的原理Fig.1 Principle of spark plug ion current generation

1.2 检测系统设计

火花塞离子电流检测电路如图2所示.分析其电路功能，点火模块为火花塞提供跳火高压，为避免该高压对火花塞极间离子电流的影响，引入高压隔离电路模块，消除该检测电路中非离子电流信号的影响.偏置电压源电路在火花塞极间提供所需的可调直流电压(0～800V)，其回路设置分压电阻R1、R2，调节合适的偏置电压(但为保证该电压被隔离，避免其对离子电流信号的影响，应使其小于陶瓷气体放电管的击穿电压)，火花塞极间带电粒子定向运动形成离子电流，该电流经电阻R2上所分配的电压大小即可反映火花塞离子电流信号的强弱.

图2 火花塞点火系统及离子电流检测电路图Fig.2 Spark plug ignition system and ion current detecting circuit

在离子电流信号预处理模块，为消除各种干扰和噪声及抑制较高的共模电压，采用隔离放大器，且其信号放大电路采用耐高温材料制成，同时为减小较长导线对信号的耗散及屏蔽难度，直接将该电路集成套在火花塞上.所测信号传至离子电流检测仪，经滤波、放大等环节后，传入高灵敏度示波器，通过观察该示波器输出的波形图谱变化情况便可得知发动机气缸内的燃烧信息.

2 信号去噪处理

在采集火花塞离子电流过程中，示波器能否通过其内嵌的滤波电路或去噪环节提取其有效信号以获得真实的燃烧信息是离子电流法在点燃式发动机上应用的关键问题之一.据此可以考虑采用小波变化，而且因其多分辨性能以及低熵性和选基灵活性、能去相关性等诸多优点，使得小波变换在时域和频域同时具有良好的局部变化性质，其时频分辨率随分解尺度的变化而变化.研究表明，低频率的小波变换在实现较高的频率分辨率的同时，具有较低的时间分辨率，高频率的小波变换特征与此相反.这些优良的性质使得小波变换在处理突变以及非平稳信号等去噪方面有着巨大的优势［7］.

当前，可供选择应用的基于小波去噪的方法很多，而且不同于贝叶斯方法，采用小波变换分析理论的阈值去噪方法具有实现简单、计算量最小等优势，在达到很高的信噪比来抑制噪声的同时，又能够较好地保留和反映原始信号重要信息，如峰值点等，故而应用最为广泛.

假设一实测离子电流信号模型s(i)可以表示为真实离子电流信号f(i)和点火火花尾信号e(i)(即噪声信号)两部分:

式中，σ为噪声强度.

对式(1)非平稳、含噪声、一维的离子电流信号模型s(i)进行分解时，考虑到离子电流信号较弱，因此选取时域与频域局部化都较强的sym8函数作为小波基函数，对实测信号s(i)进行N层小波分解，此处取4层.

其次，在高频系数阈值的选取和量化过程中，考虑到噪声强度σ未知，其阈值选取应遵循以下关系:

在上述原理的基础上，可以对小波变换的全部近似信号予以保留处理，与此同时，针对第N=1直至第N=4层的高频系数以处理公式(2)进行对应阈值的选择，同时为了便于研究，将选择的阈值函数量化处理，以此得到所要研究的结果.

经过以上操作处理，小波分解问题基本得到解决，此时可将分解得到的有关第4层信号的低频系数，以及经过上述阈值函数量化处理的各层高频系数，用小波重构法予以离子电流信号处理，至此便可得到真实离子电流信号f(i).

3 早燃检测试验

3.1 试验台架及操作步骤

试验台架如图3所示.所用发动机型号为NF157FMI，发动机形式为单缸、两冲程、风冷，其最大功率/转速为7.5/8500(kW/r/min)、最大转矩/转速为 8.5/7000(kN·m/r/min).采用长沙湘仪动测有限公司生产的FC2000发动机自动测控系统.

图3 试验台架Fig.3 Testing table

为避免对该检测系统电气、机械等部件损害，试验方法严格按如下操作步骤进行:

(1)开启总电源，打开水源，打开测功机冷却水控制阀;

(2)打开测功机各电源开关，开启电脑;

(3)将火花塞离子电流检测早燃仪打开，连接好示波器，将示波器打开，如图4所示;

(4)打开冷却风扇，起动发动机并通过测控仪调节至相应的负荷状态;

(5)通过示波器观察经离子电流检测仪滤波后的离子电流情况，记录试验数据;

(6)试验结束后，将各仪表初始化，待下次试验.

图4 火花塞早燃仪及示波器Fig.4 Spark plug pre-ignition analyzer and oscillometer

3.2 结果分析

分析该汽油机一定工况(负载25%、转速4600r/min)下正常燃烧时离子电流波形图(如图5所示).离子电流信号的质量直接影响分析的结果，而且能够导致波形其质量下降甚至失真的重要因素很多，包括发动机缸内燃烧情况的不确定性所造成的压力波动等以及曲轴转角随时间、震动等的影响而发生的变化.整体上讲，火花塞工作过程一般分为三个时期，即:火花塞负极放电跳火产生电弧引燃可燃混合气;接着被首先点燃的混合气迅速在电极间燃烧;随后，整个发动机气缸内的可燃混合气被引燃.这样的三个过程就导致测得的离子电流信号波形出现时间上对应的一个脉冲和两个峰值.同时可以看出，在发动机燃烧过程中出现的震动等信号造成的波形改变发生在第二个波峰之后.经研究，火花塞产生的离子电流信号波形总体上都具有两个波峰，但受发动机工作状况以及设计参数、进排气歧管以及活塞形状等结构参数不同所造成的气流运动状况和燃烧情况等的不同而有很大差异.一般地，发动机工作过程中各种因素造成的燃烧状态有所差异，而此时，火花塞产生的离子电流信号的两个波峰位置也会相应有所不同，其相对位置距离可能减小，也可能会增大，这些都包含了发动机缸内燃烧状况的重要信息.从图中可以看出，在火花塞点火成功后，火花塞极间工质燃烧，发生复杂且剧烈的化学反应，该阶段以化学离子化过程为主，对应的离子电流急剧上升，并形成第一个波峰.当火焰离开火花塞后，产生的离子重新复合，对应的离子电流逐渐减小，但随燃烧化学反应的进行，工质温度急剧上升，缸内压力升高，此时高温高压环境促使热离子化过程占绝对优势，并形成第二个波峰，因此，从上述各正常燃烧工况对应的离子电流信号波形图来看，其离子电流均有2个峰值.

图5 离子电流波形图Fig.5 Ion current waveform

改变点火提前角，直至出现早燃状态，此时，发动机功率下降，对应早燃火焰的离子电流早于电点火而出现，其检测到的离子电流波形图较正常燃烧情况下有一定的波动，用示波器对该早燃离子电流信号进行观察，如图6所示，不难判断，A点为点火信号(受高压隔离电路限制，此时离子电流最小)，B点和C点为离子电流信号，而在电点火信号A之前出现了离子电流信号B，意味着此时出现了早燃.

图6 早燃信号检测Fig.6 Preignition signal detection

4 结论

利用火花塞电极作为检测传感器，阐述离子电流法的基本原理，以NF157FMI汽油发动机为例设计了一套火花塞离子电流检测系统，通过直接测量点燃式发动机缸内燃烧时离子电流密度的变化，采集信号，可以正确地检测出早燃信号.基于气缸内燃烧时产生的离子电流信号，采用小波变换理论的阈值去噪方法实现离子电流与非离子电流信号的分离，获得其炽热点火早燃信息，通过检测出早燃信号，可有利于对发动机燃烧状态的实时调控，同时也实现了无需使用传感器对爆震信号进行测量的目的，简化了测试机构的复杂性，有助于降低成本，并可便捷地实现多参数测量，为发动机测控技术提供了一定的理论依据.

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