柴油机工况参数对离子电流影响的试验研究

2021-02-26张志强康哲胡宗杰

车用发动机 2021年1期

张志强，康哲，胡宗杰

(1.东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；3.重庆大学汽车工程学院，重庆 400044；4.同济大学汽车学院，上海 200092)

伴随着汽车保有量的日益增加，汽车造成的环境污染和能源危机问题日趋严重。内燃机是汽车主要动力源，为了改善其燃烧及排放性能，迫切需要对内燃机燃烧过程实现更为精细和实时的分析和控制。因此内燃机缸内检测及闭环控制技术成为了新的研究重点。

早期有学者[1]通过对内燃机燃烧过程中化学电离和热电离反应进行理论分析，得知内燃机燃烧过程中会形成离子电流，并且结合Warnatz自由离子形成骨架机理进行仿真分析，证实仿真结果和试验结果较为吻合。陈保青和汪映等[2-3]设计了针对汽油机的离子电流检测系统，研究结果表明该检测系统能够有效地探测出缸内燃烧情况，并且相比传统基于缸压传感器的缸内燃烧诊断方法，具有成本低和装置简单等优势。同济大学李理光团队[4-9]研究了缸内直喷和均质压燃等汽油机燃烧和工作模式下的离子电流信号特征，对离子电流信号特征进行提取和分析，并提出了实现燃烧闭环控制的方法。

邓俊和高忠权等[10-11]分别将离子电流检测方法应用到气体燃料和甲醇燃料发动机中，研究结果表明离子电流信号与基于缸压计算的燃烧特征值具有很强的一致性，即离子电流检测方案能够在线测量气体燃料和甲醇燃料的燃烧特性，并具备诊断燃烧失火的潜力。

笔者自主设计和开发了一种柴油机离子电流检测系统[12]，初步探明了柴油机中离子电流信号和燃烧相位信号之间具有强相关性[13]，并且在不同供油参数下，离子电流相位和燃烧相位变化规律均一致[14]。本研究进一步结合不同的EGR率、转速和冷却水温度等工况参数，研究离子电流特性，并分析离子电流相位和燃烧特性相位之间的变化规律。

1 试验系统及工况参数定义

柴油机主要参数见表1，搭建的柴油机试验系统见图1。为了更好地控制EGR率等参数，并开展柴油机离子电流和燃烧信号检测，本试验系统重点针对该柴油机的第4缸(即图1中最左侧的气缸)进行改装，并且将该缸的进排气系统与其他3个气缸分离。

表1 试验柴油机主要参数

1—进气稳压器；2—进气流量计；3—EGR冷却系统；4—缸压传感器；5—EGR阀；6—共轨喷油系统；7—离子电流探针；8—光电编码系统；9—背压阀。图1 柴油机离子电流试验系统框图

本研究所用的柴油机离子电流检测系统、关键模块和电路见图2，系统主要含升压模块、检测模块和信号调理模块等三大子模块。升压模块由车载蓄电池和升压电路组成，其作用是通过车载蓄电池的电源升压至所需的检测电压(最高可至500 V)。柴油在燃烧化学过程中会生成一些离子，这些离子受到检测电压电场的影响而发生定向移动，正离子朝活塞移动，负离子朝离子电流探针移动，如此便形成了离子电流。

图2 柴油机离子电流检测系统

检测模块由探针、可调电阻和检测电阻构成，探针安装在柴油机试验所用第4缸盖上方，具体位于双进气门之间，并靠近喷油器，安装位置示意见图3。信号调理模块由信号跟随电阻和信号反向放大器组成，基于该模块可将流经检测电阻的离子电流信号进行反向及放大处理。对离子电流信号进行采集和处理后，计算得到离子电流信号特征参数。

图3 离子电流探针安装位置示意

本研究选定了包括EGR率、转速和冷却水温度在内的3种工况参数，具体见表2。试验采用单一变量法来进行，循环喷油量固定为16.5 mm3，喷油压力设定为120 MPa，喷油时刻保持在352°(即8°BTDC)。

表2 工况参数

为了更好地分析燃烧过程，将瞬时放热率结合曲轴转角进行积分运算。燃烧放热过程的中点CA50以达到最大积分值50%所对应的曲轴转角来表征。同理，将离子电流按照曲轴转角进行积分，且离子电流生成过程的中点CAI50以达到最大离子电流积分值50%对应的曲轴转角来表征。CA50和CAI50示意见图4。

图4 CA50和CAI50示意图

2 工况参数对柴油机离子电流特性的影响

2.1 EGR率的影响

不同EGR率下缸内压力、瞬时放热率和离子电流的试验结果见图5。试验结果表明，随着EGR率的增大，缸内压力和瞬时放热率峰值均降低，其峰值相位均后移。这主要是由于随着EGR率的增大，缸内氧浓度和缸内平均温度均降低，燃烧不充分而导致缸内压力和瞬时放热率降低。离子电流同样随着EGR率的增大而降低，并且离子电流的峰值相位也随之后移。从离子电流的生成机理分析可知，离子电流的生成过程由化学电离和热电离构成，EGR率增大会导致燃料燃烧不充分，即化学电离过程会被削弱。同时EGR率增大会导致缸内平均温度降低，NOx排放减少，这将大幅减少热电离过程。故综合这两个方面的影响分析，可知离子电流会随着EGR率的增大而降低。

图5 EGR率对缸内压力、瞬时放热率和离子电流的影响

不同EGR率下离子电流峰值和积分值的对比见图6。随着EGR率从0%增大到44%，离子电流的峰值和积分值分别从17.1 μA和94.2 μA·(°)降低至13.7 μA和71.9 μA·(°)，降幅为19.8%和23.7%。

图6 EGR率对离子电流峰值和积分值的影响

不同EGR率下CA50和CAI50的对比见图7。图7结果表明，CA50和CAI50均随着EGR率的增大而增大，并远离上止点。这主要是由于随着EGR率的增大，燃烧放热过程和离子电流生成过程均远离上止点。同时在不同的EGR率下，CAI50呈现大于CA50的规律，即CAI50滞后于CA50。这主要是由于CA50是由缸压传感器检测和计算得到，其能够表征缸内全局燃烧状态。而CAI50是通过离子电流探针检测和计算得到，主要反映离子电流探针处的离子电流生成状态，故相比之下会存在一定的滞后[15]。当EGR率增大时，CAI50和CA50之间的滞后会随之增大。这主要是随着EGR率的增大，EGR系统引回气缸的废气带来的化学效应和热效应增强，进而导致生成离子电流的化学电离和热电离反应减弱和滞后，使得CAI50相对于CA50的滞后随着EGR率的增大而增大。

图7 EGR率对CA50和CAI50的影响

2.2 转速的影响

不同转速下缸内压力、瞬时放热率和离子电流的试验结果见图8。试验结果表明，随着转速的增大，缸内压力、瞬时放热率和离子电流峰值相位均远离上止点。这主要是由于本研究针对不同的转速均采用了相同的喷油时刻，一般而言，随着转速的增大，以曲轴转角计的滞燃期会相应增加[16]。因此，转速越高，以曲轴转角来分析，燃料的燃烧、放热和离子电流生成过程均会滞后，从而使得缸内压力、瞬时放热率和离子电流峰值相位远离上止点。

图8 转速对缸内压力、瞬时放热率和离子电流的影响

1 000～1 800 r/min转速范围内离子电流的峰值和离子电流积分值的变化规律见图9。图9结果表明，随着转速从1 000 r/min增大至1 800 r/min，离子电流峰值和积分值从20.2 μA和101.6 μA·(°)降低至9.8 μA和67.3 μA·(°)，降幅分别达51.4%和33.8%。转速增大会给缸内燃烧过程带来两个方面的影响：一方面是转速增大，而喷油时刻保持不变，会导致燃烧放热过程滞后；另一方面是转速增大，而配气相位及气门升程保持不变，会导致以时间计的进气行程缩短，吸入缸内的新鲜空气量减少，燃烧不充分。转速增大带来的这两个方面的影响，均会导致缸内温度下降，弱化燃料的燃烧及分解反应，削弱离子电流的生成，从而导致离子电流峰值和积分值降低。

图9 转速对离子电流峰值和积分值的影响

不同转速下CAI50和CA50的变化规律见图10。图10结果表明，随着转速的增大，CAI50和CA50均增大。这主要是由于以曲轴转角计的滞燃期随着转速的增大而增加，进而导致燃烧放热过程和离子电流生成过程后移。

图10 转速对CA50和CAI50的影响

2.3 冷却水温度的影响

图11示出不同冷却水温度下缸内压力、瞬时放热率和离子电流的试验结果。图11结果表明，随着冷却水温度的升高，缸体温度也升高，改善了燃烧室内的热氛围，有效地促进燃料的蒸发和分解，从而导致缸内压力、瞬时放热率和离子电流增大。同时缸内压力、瞬时放热率和离子电流曲线前移，峰值相位更加靠近上止点。

图11 冷却水温度对缸内压力、瞬时放热率和离子电流的影响

不同冷却水温度下离子电流峰值、离子电流积分值、CA50和CAI50的变化规律分别见图12和图13。随着冷却水温度从35 ℃升高至85 ℃，离子电流峰值和积分值分别从11.3 μA和60.5μA·(°)上升至17.1 μA和94.2 μA·(°)，升幅分别达50.8%和55.7%。冷却水温度的升高能够改善缸内燃烧热氛围，缩短燃烧滞燃期，使得燃烧放热过程和离子电流生成过程前移，CA50和CAI50随着冷却水温度的升高而减小。