張志強(qiáng)，康哲，胡宗杰

(1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院，重慶 400044；4.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200092)

伴隨著汽車保有量的日益增加，汽車造成的環(huán)境污染和能源危機(jī)問題日趨嚴(yán)重。內(nèi)燃機(jī)是汽車主要?jiǎng)恿υ?，為了改善其燃燒及排放性能，迫切需要?duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)和實(shí)時(shí)的分析和控制。因此內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)檢測(cè)及閉環(huán)控制技術(shù)成為了新的研究重點(diǎn)。

早期有學(xué)者[1]通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中化學(xué)電離和熱電離反應(yīng)進(jìn)行理論分析，得知內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中會(huì)形成離子電流，并且結(jié)合Warnatz自由離子形成骨架機(jī)理進(jìn)行仿真分析，證實(shí)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。陳保青和汪映等[2-3]設(shè)計(jì)了針對(duì)汽油機(jī)的離子電流檢測(cè)系統(tǒng)，研究結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效地探測(cè)出缸內(nèi)燃燒情況，并且相比傳統(tǒng)基于缸壓傳感器的缸內(nèi)燃燒診斷方法，具有成本低和裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。同濟(jì)大學(xué)李理光團(tuán)隊(duì)[4-9]研究了缸內(nèi)直噴和均質(zhì)壓燃等汽油機(jī)燃燒和工作模式下的離子電流信號(hào)特征，對(duì)離子電流信號(hào)特征進(jìn)行提取和分析，并提出了實(shí)現(xiàn)燃燒閉環(huán)控制的方法。

鄧俊和高忠權(quán)等[10-11]分別將離子電流檢測(cè)方法應(yīng)用到氣體燃料和甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，研究結(jié)果表明離子電流信號(hào)與基于缸壓計(jì)算的燃燒特征值具有很強(qiáng)的一致性，即離子電流檢測(cè)方案能夠在線測(cè)量氣體燃料和甲醇燃料的燃燒特性，并具備診斷燃燒失火的潛力。

筆者自主設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種柴油機(jī)離子電流檢測(cè)系統(tǒng)[12]，初步探明了柴油機(jī)中離子電流信號(hào)和燃燒相位信號(hào)之間具有強(qiáng)相關(guān)性[13]，并且在不同供油參數(shù)下，離子電流相位和燃燒相位變化規(guī)律均一致[14]。本研究進(jìn)一步結(jié)合不同的EGR率、轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度等工況參數(shù)，研究離子電流特性，并分析離子電流相位和燃燒特性相位之間的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及工況參數(shù)定義

柴油機(jī)主要參數(shù)見表1，搭建的柴油機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。為了更好地控制EGR率等參數(shù)，并開展柴油機(jī)離子電流和燃燒信號(hào)檢測(cè)，本試驗(yàn)系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)該柴油機(jī)的第4缸(即圖1中最左側(cè)的氣缸)進(jìn)行改裝，并且將該缸的進(jìn)排氣系統(tǒng)與其他3個(gè)氣缸分離。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)主要參數(shù)

1—進(jìn)氣穩(wěn)壓器；2—進(jìn)氣流量計(jì)；3—EGR冷卻系統(tǒng)；4—缸壓傳感器；5—EGR閥；6—共軌噴油系統(tǒng)；7—離子電流探針；8—光電編碼系統(tǒng)；9—背壓閥。圖1 柴油機(jī)離子電流試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

本研究所用的柴油機(jī)離子電流檢測(cè)系統(tǒng)、關(guān)鍵模塊和電路見圖2，系統(tǒng)主要含升壓模塊、檢測(cè)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊等三大子模塊。升壓模塊由車載蓄電池和升壓電路組成，其作用是通過車載蓄電池的電源升壓至所需的檢測(cè)電壓(最高可至500 V)。柴油在燃燒化學(xué)過程中會(huì)生成一些離子，這些離子受到檢測(cè)電壓電場(chǎng)的影響而發(fā)生定向移動(dòng)，正離子朝活塞移動(dòng)，負(fù)離子朝離子電流探針移動(dòng)，如此便形成了離子電流。

圖2 柴油機(jī)離子電流檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)模塊由探針、可調(diào)電阻和檢測(cè)電阻構(gòu)成，探針安裝在柴油機(jī)試驗(yàn)所用第4缸蓋上方，具體位于雙進(jìn)氣門之間，并靠近噴油器，安裝位置示意見圖3。信號(hào)調(diào)理模塊由信號(hào)跟隨電阻和信號(hào)反向放大器組成，基于該模塊可將流經(jīng)檢測(cè)電阻的離子電流信號(hào)進(jìn)行反向及放大處理。對(duì)離子電流信號(hào)進(jìn)行采集和處理后，計(jì)算得到離子電流信號(hào)特征參數(shù)。

圖3 離子電流探針安裝位置示意

本研究選定了包括EGR率、轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度在內(nèi)的3種工況參數(shù)，具體見表2。試驗(yàn)采用單一變量法來進(jìn)行，循環(huán)噴油量固定為16.5 mm3，噴油壓力設(shè)定為120 MPa，噴油時(shí)刻保持在352°(即8°BTDC)。

表2 工況參數(shù)

為了更好地分析燃燒過程，將瞬時(shí)放熱率結(jié)合曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行積分運(yùn)算。燃燒放熱過程的中點(diǎn)CA50以達(dá)到最大積分值50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角來表征。同理，將離子電流按照曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行積分，且離子電流生成過程的中點(diǎn)CAI50以達(dá)到最大離子電流積分值50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角來表征。CA50和CAI50示意見圖4。

圖4 CA50和CAI50示意圖

2 工況參數(shù)對(duì)柴油機(jī)離子電流特性的影響

2.1 EGR率的影響

不同EGR率下缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的試驗(yàn)結(jié)果見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著EGR率的增大，缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率峰值均降低，其峰值相位均后移。這主要是由于隨著EGR率的增大，缸內(nèi)氧濃度和缸內(nèi)平均溫度均降低，燃燒不充分而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率降低。離子電流同樣隨著EGR率的增大而降低，并且離子電流的峰值相位也隨之后移。從離子電流的生成機(jī)理分析可知，離子電流的生成過程由化學(xué)電離和熱電離構(gòu)成，EGR率增大會(huì)導(dǎo)致燃料燃燒不充分，即化學(xué)電離過程會(huì)被削弱。同時(shí)EGR率增大會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度降低，NOx排放減少，這將大幅減少熱電離過程。故綜合這兩個(gè)方面的影響分析，可知離子電流會(huì)隨著EGR率的增大而降低。

圖5 EGR率對(duì)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的影響

不同EGR率下離子電流峰值和積分值的對(duì)比見圖6。隨著EGR率從0%增大到44%，離子電流的峰值和積分值分別從17.1 μA和94.2 μA·(°)降低至13.7 μA和71.9 μA·(°)，降幅為19.8%和23.7%。

圖6 EGR率對(duì)離子電流峰值和積分值的影響

不同EGR率下CA50和CAI50的對(duì)比見圖7。圖7結(jié)果表明，CA50和CAI50均隨著EGR率的增大而增大，并遠(yuǎn)離上止點(diǎn)。這主要是由于隨著EGR率的增大，燃燒放熱過程和離子電流生成過程均遠(yuǎn)離上止點(diǎn)。同時(shí)在不同的EGR率下，CAI50呈現(xiàn)大于CA50的規(guī)律，即CAI50滯后于CA50。這主要是由于CA50是由缸壓傳感器檢測(cè)和計(jì)算得到，其能夠表征缸內(nèi)全局燃燒狀態(tài)。而CAI50是通過離子電流探針檢測(cè)和計(jì)算得到，主要反映離子電流探針處的離子電流生成狀態(tài)，故相比之下會(huì)存在一定的滯后[15]。當(dāng)EGR率增大時(shí)，CAI50和CA50之間的滯后會(huì)隨之增大。這主要是隨著EGR率的增大，EGR系統(tǒng)引回氣缸的廢氣帶來的化學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致生成離子電流的化學(xué)電離和熱電離反應(yīng)減弱和滯后，使得CAI50相對(duì)于CA50的滯后隨著EGR率的增大而增大。

圖7 EGR率對(duì)CA50和CAI50的影響

2.2 轉(zhuǎn)速的影響

不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的試驗(yàn)結(jié)果見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流峰值相位均遠(yuǎn)離上止點(diǎn)。這主要是由于本研究針對(duì)不同的轉(zhuǎn)速均采用了相同的噴油時(shí)刻，一般而言，隨著轉(zhuǎn)速的增大，以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期會(huì)相應(yīng)增加[16]。因此，轉(zhuǎn)速越高，以曲軸轉(zhuǎn)角來分析，燃料的燃燒、放熱和離子電流生成過程均會(huì)滯后，從而使得缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流峰值相位遠(yuǎn)離上止點(diǎn)。

圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的影響

1 000～1 800 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)離子電流的峰值和離子電流積分值的變化規(guī)律見圖9。圖9結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增大至1 800 r/min，離子電流峰值和積分值從20.2 μA和101.6 μA·(°)降低至9.8 μA和67.3 μA·(°)，降幅分別達(dá)51.4%和33.8%。轉(zhuǎn)速增大會(huì)給缸內(nèi)燃燒過程帶來兩個(gè)方面的影響：一方面是轉(zhuǎn)速增大，而噴油時(shí)刻保持不變，會(huì)導(dǎo)致燃燒放熱過程滯后；另一方面是轉(zhuǎn)速增大，而配氣相位及氣門升程保持不變，會(huì)導(dǎo)致以時(shí)間計(jì)的進(jìn)氣行程縮短，吸入缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，燃燒不充分。轉(zhuǎn)速增大帶來的這兩個(gè)方面的影響，均會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)溫度下降，弱化燃料的燃燒及分解反應(yīng)，削弱離子電流的生成，從而導(dǎo)致離子電流峰值和積分值降低。

圖9 轉(zhuǎn)速對(duì)離子電流峰值和積分值的影響

不同轉(zhuǎn)速下CAI50和CA50的變化規(guī)律見圖10。圖10結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，CAI50和CA50均增大。這主要是由于以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒放熱過程和離子電流生成過程后移。

圖10 轉(zhuǎn)速對(duì)CA50和CAI50的影響

2.3 冷卻水溫度的影響

圖11示出不同冷卻水溫度下缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的試驗(yàn)結(jié)果。圖11結(jié)果表明，隨著冷卻水溫度的升高，缸體溫度也升高，改善了燃燒室內(nèi)的熱氛圍，有效地促進(jìn)燃料的蒸發(fā)和分解，從而導(dǎo)致缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流增大。同時(shí)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流曲線前移，峰值相位更加靠近上止點(diǎn)。

圖11 冷卻水溫度對(duì)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率和離子電流的影響

不同冷卻水溫度下離子電流峰值、離子電流積分值、CA50和CAI50的變化規(guī)律分別見圖12和圖13。隨著冷卻水溫度從35 ℃升高至85 ℃，離子電流峰值和積分值分別從11.3 μA和60.5μA·(°)上升至17.1 μA和94.2 μA·(°)，升幅分別達(dá)50.8%和55.7%。冷卻水溫度的升高能夠改善缸內(nèi)燃燒熱氛圍，縮短燃燒滯燃期，使得燃燒放熱過程和離子電流生成過程前移，CA50和CAI50隨著冷卻水溫度的升高而減小。

圖12 冷卻水溫度對(duì)離子電流峰值和積分值的影響

圖13 冷卻水溫度對(duì)CA50和CAI50的影響

2.4 工況參數(shù)的影響

對(duì)EGR率、轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度等工況參數(shù)下的離子電流特性進(jìn)行匯總。如圖14所示，EGR率和轉(zhuǎn)速的增大會(huì)導(dǎo)致離子電流峰值和積分值降低；而冷卻水溫度升高會(huì)導(dǎo)致離子電流峰值和積分值上升。在本研究的工況參數(shù)中，轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度對(duì)離子電流的峰值和積分值的影響程度強(qiáng)于EGR率對(duì)離子電流的峰值和積分值的影響程度。

圖14 工況參數(shù)對(duì)離子電流峰值和積分值的影響

工況參數(shù)對(duì)CA50和CAI50的影響見圖15。由圖15知，EGR率和轉(zhuǎn)速的增大均使得CA50和CAI50遠(yuǎn)離上止點(diǎn)；冷卻水溫度的升高使得CA50和CAI50靠近上止點(diǎn)。

圖15 工況參數(shù)對(duì)CA50和CAI50的影響

綜合而言，不同工況參數(shù)下，CAI50均滯后于CA50。同時(shí)CA50和CAI50隨工況參數(shù)的變化規(guī)律一致，證明了離子電流能夠可靠地反映柴油機(jī)缸內(nèi)的燃燒狀態(tài)。

3 結(jié)論

a) EGR率和轉(zhuǎn)速增大會(huì)使得離子電流峰值和積分值降低，同時(shí)離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50遠(yuǎn)離上止點(diǎn)；冷卻水溫度升高會(huì)使離子電流峰值和積分值上升，同時(shí)離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50靠近上止點(diǎn)；

b) 在本試驗(yàn)選取的工況參數(shù)中，轉(zhuǎn)速和冷卻水溫度對(duì)離子電流的影響程度大于EGR率對(duì)離子電流的影響程度；

c) 在各種工況，離子電流相位CAI50均滯后于燃燒相位CA50；同時(shí)離子電流相位CAI50和燃燒相位CA50的變化規(guī)律一致，即離子電流信號(hào)能夠可靠地表征缸內(nèi)燃燒過程。