内燃机离子电流燃烧检测技术

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对燃烧过程实现快速精准的闭环控制是实现高效清洁燃烧的有效方法，也是满足日益严格的OBD法规的重要技术手段。相比缸压传感器的闭环控制方法，基于缸内离子电流检测技术具有结构简单、成本低等优势，而且已经在发动机失火、爆震等燃烧诊断方面取得了显著的效果，受到了越来越广泛的关注。

内燃机燃烧离子电流产生的原理

内燃机在燃烧过程中产生的离子电流主要来自于化学电离和热电离。化学电离主要是指燃料在高温高压环境下裂解产生的各种含碳自由基与处于激发态的氧原子或氧分子发生反应形成CH3+、CH3O+、C3H3+、H3O+、NO+等各种带正电离子和电子，当混合气较稀或接近当量比时，主要反应如（1）—（3）所示；当混合气较浓时，主要发生反应（4）。热电离中离子的形成与NO有关，主要是因为NO发生电离所需要的活化能最小，NO在高温条件下主要发生的反应如（5）所示。

如果在燃烧区域两端加上电压，形成稳定的电场，则燃烧过程中形成的带电离子或电子会定向移动而形成离子电流，其原理示意图如下图所示。内燃机燃烧状态的变化会导致离子电流的强弱发生变化，因此，可以通过检测离子电流信号来判断内燃机缸内燃烧状况。目前，国内外通常采用电阻法来检测离子电流信号，该方法将电流探针与缸体视为一个燃气电阻，燃气电阻的大小随缸内燃烧变化，因此，可以通过测量分压电阻R上的电压信号即可检测发动机缸内的燃烧状况。

离子电流在内燃机燃烧诊断中的应用

基于离子电流的内燃机燃烧诊断中，通常采用离子电流随曲轴转角的变化规律来表征放热规律；采用离子电流积分曲线来表征累积放热量；采用离子电流信号特征值θ50来表征燃烧相位CA50。从下图可以看出，基于离子电流信号的曲线形状与基于缸压传感器采集的数据曲线形状十分相似。

CA50是评价燃烧状况的一个重要参数，因此，θ50与CA50的相关性是检验离子电流诊断是否有效的直接方法。内燃机学者研究了内燃机工况参数对θ50与CA50相关性的影响，如下图所示。可以看出，θ50和CA50在不同EGR率、不同喷射压力、不同循环喷油量、不同转速以及部分冷却水温度下均具有较好的相关性。在启动温度（35度）下，θ50和CA50的相关性相对较低，但仍高于0.75，具有一定的相关度。因此，采用离子电流来表征燃烧过程具有一定的潜力。

参考文献：

[1] Journal of Engineering for Gas Turbines & Power, 2010. 134 (4):647-657

[2] 内燃机学报,2014,(03):230-235

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