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火花塞作为传感器的应用 -BENZM275发动机上利用离子流监测失火和爆震的方法 一，常规发动机对缸内燃烧进行监测的方法 汽车保持良好的动力性能、燃料经济性，和较低的排放的关键是如何保证发动机有良好的燃烧状态。如果能有效的对缸内的燃烧过程及状态进行实时检测，那么就可以对发动机进行控制，使缸内燃烧保持或趋于最佳状态，从而能从根本上提高发动机的动力性、燃汕经济性污染物排放量。传统的检测发动机燃烧状态的方法主要有以下几种： 1气缸压力法 气缸压力法法是在缸盖上打孔将传感器深入到气缸内直接测量气缸内力的方法。通过测量缸内压力，计算半均指示压力(IMEP)，将此值与正常燃烧时的IMEP作比较，以确定燃烧状况。理论上，这种方法精度和灵敏度高，可靠性高。 但是，由于燃烧室内工况恶劣，要求测量，气缸压力的传感器耐高温、耐高压、抗震， 传感器的安装往往需改造发动机的缸盖，给检测带来不便，安装压力传感器会影响发动机的运行。影响气缸压力法的实际应用，也仅仅局限在实验室里。 2，缸体震动法 275发动机之前272监测失火和爆震的方法相对比较传统，使用了爆震传感器，通过检测缸体的震动，可以判断爆震状况，从而对点火进行闭环控制。 同样有其局限性，因为他没有办法对具体是哪一个汽缸发生了爆震进行正确的区别，所以他对点火时间的调整缺乏针对性。 3，曲轴转速检测法 通过曲轴位置传感器对发动机平稳运转信号进行和通过曲轴位置传感器来获得车子的加速度，如图一， A 发动机运转时未发生燃烧点火不良 → 加速度值在偏差值内 2 ( 最高可达 B 发动机运转时发生燃烧点火不良 → 加速度值过高 C 点火不良计数器 → 启动以检测点火不良
为进行平稳运转控制 ,也就是使用综合的方法对来自曲轴霍尔传感器的信号进行计算 ,从而检查各次点火是否精确一致 .每次燃烧都必须在信号齿 上产生一个特性加速度 .如果存在燃烧点火不良 , 则下次点火之前 , 由于扭矩波动信号齿转动会稍稍变慢，加速度就会有大的变动。如果 ME进行平稳运转控制时检测到燃烧点火不良 ,则经过一定次数的燃烧点火不良之后 , 相应的喷油嘴不再被促动 . 在经过不平路面时，由于道路的原因，在曲轴位置传感器上产生相似的虚假信号，没有失火却误报失，所以在车上加装了路面不平传感器。但是在该传感器起效果时，ME也需要对该信号进行鉴别什么程度的不平度，有个范围问题，所以该方法也不能很精确。 4，离子流方法。 研究机构利用给火花塞施加偏置电压，进而检查燃烧期间常识产生的离子流的大小，因为其和燃烧压力的一致性，间接的监测到燃烧压力，从而获知发动机燃烧状态。 二，M275上点火系统的组成及工作过程 图二为S600点火系统组成示意图 1 号至 12 号气缸 a 火花塞 , 点火电路 a b 火花塞 , 点火电路 b N91 ECI 点火系统电源装置 N92/1 ECI 点火模块 , 右侧气缸组 N92/2 ECI 点火模块 , 左侧气缸组 Z7/38 电路 ( 电源电压 ) CAN 数据总线
图三，单缸点火系统示意图 1 在点火模块中触发点火和切断离子电流 L1 初级线圈 L2 次级线圈 a ME 控制单元的驱动 b ME 控制单元的离子电流信号 C 电容器 D 二级管 R 电阻 T 晶体管 R U 直流电压约 180 V 180 点火系统 ECI 必须通过火花塞产生火花来引起燃烧。这需要足够高的高压在火花塞末端产生火花 , 且火花须具备足够的能量以确保点燃油气混合物。点火系统必须对火花塞积碳不敏感 , 并保证火花塞较长的使用寿命。 点火系统 ECI 包括 : l 右侧气缸组点火模块 ECI l 左侧气缸组点火模块 ECI l ECI 点火系统电源装置 ME 控制单元中离子电流的测量电路 l ME 控制单元对点火系统 ECI 的驱动 l ME 控制单元中的点火特性图。 点火系统 ECI 具有以下功能 : 1. 产生点火电压 ( 交流电压 ) 。 点火模块的每个火花塞都有一个输出级。点火线圈布置在火花塞接头中。带振荡电路的输出级由约 180 V的输入电压产生点火电压。 ME 控制单元产生以下驱动脉冲 :根据点火角度触发点火火花持续控制点火过程改变点火点火偏移量。 2. 测量离子电流。点火火花阶段结束时有一个到离子电流测量的切换 , 火花塞上的离子电流在约 23 V 的辅助电压的帮助下进行测量。离子电流在ME控制单元中进行评估。这些信号用于检测高转速情况下燃烧的点火不良。 3. 电源装置产生所需的两倍于 180 V 和两倍于 23 V 的电压。 点火电压分两个步骤产生 : 1. 晶体管 (T ) 闭合 - 电压 U 180 输送至次级线圈。 2. 晶体管 (T ) 断开 - 交流电压的负半波形产生 , 且也输送至次级线圈。 受电源装置 ECI 额定功率两个 55 瓦的限制 , 根据发动机转速 , 最大火花燃烧时间为 0.15 —— 1.5毫秒。火花燃烧时间 0.1 毫秒通常足以确保点燃油气混合物。点火电压的快速升高使点火系统 ECI 对频繁冷起动导致的火花塞积碳不敏感。 点火持续时间控制 将整个火花的持续时间火花能量调整至油气混合物实际所需的点火能量 , 由 ME 控制单元根据性能图来控制。火花持续时间控制可将火花塞的一般使用寿命延长 4倍。 点火提前角，在最大约 2000转每分的较低负荷范围内 , 气缸的两个火花塞同时触发。在中等和高发动机负荷下 , 点火火花触发偏移最大 10° 的曲轴转角。为使气缸上的两个火花塞磨损程度相同并防止燃烧室一侧积碳 , 火花塞的驱动次序每隔 720° 曲轴转角就改变一次。 三，具体的进行离子流产生机理和测量方法
前文我们提到了测量汽缸压力的方法来了解燃烧情况，在正常的理论教材中都提到了示功图以发动机曲轴转角为横坐标，气缸内气体压力为纵坐标。有了该示功图，我们能从中的到很多重要的信息：指示功Wi，平均指示压力IMEP，最高燃烧压力及其对应的曲轴转角，压力升高率Dp/Dt等等 这里介绍一下指示功Wi和平均指示压力IMEP。 指示功是指汽缸内完成个一作循环所得到的有用功。指示功的大小可由p- V示功图中闭合曲线所占的面积求得。指示功反映了发动机气缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和热功转换的有效程度有关外，还和汽缸缸容积的大小有关。为了'能更清楚的对不同工作作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出的平均指示压力IMEP的概念。所胃半均指示压力指单位气缸容一个循环所做的指示功。 半均指示脉力是从实际循环角度评价发动机气缸T作容积利用率高低的一个参数，IMEP越高，同样大小的气缸容移河以发出更大的指示功，汽缸T作容积的利用程度越佳。平均指示肚力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标。 图四为汽油机展开示功图。图中虚线表示只压缩不点火的压缩线，在燃烧压力线上，A点为火花塞跳火点。B点为燃烧压力线脱离压缩压力线点，C点为最高压力点。燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为三个阶段。 （一）着火落后期 图五 电离示意图 同样离子流波形成通常被也对应分为点火期、火焰前锋期、后火焰期，见图七 在火花塞放电期：变压器次级线圈产生的点火高压对电容充电，当电容电压上升达到火花塞击穿电压时，火花塞跳火电容快速放电, 火花塞间隙电压迅速下降到几百到几千伏，电容放电瞬间电流达10-50安培以上，放电时间约1微秒。点火电压越高(即点火能量越大)，放电电流越大。 正常状况下气缸的混合气就是这一时刻的火花点燃。电压从10000V-20000V左右在1微秒内突降至几百到几千伏，由此产生了一个很强的方波电压，并通过高压线幅射电磁波，对外界电器产生干扰波。方波由N个正弦波组成，所以形成了一 个1微秒时基为中心的干扰电磁频带，在普通的波形图六上表现为G到H部分的震荡。 图六 点火次级波形图 次级线圈放电，在中心点极和侧电极之问产生一个大电流，这与离子电流无关，， 一般忽略。所以观察此时的离子流图，红色椭圆部分不加以考虑。 图七 离子电流的3个阶段 （二）明显燃烧期 当火焰在火花塞中心电极附近形成，这区域发生剧烈的化学反应，
混合气发生大量的电离。这些离子的浓度随反应的进行达到峰值，然后随着火焰前锋的转移而减少，并保持在平衡态，表现在这一阶段的离子流的波形上有个峰值。由于气缸内气流运动的影响，火焰前锋有时会在火花塞附近摆动，使离子流大小有时会有波动。 （三）补燃期（后燃期） 火焰前锋己离开火花塞，这区域的化学反应基本结束，前面所提及的离子流达到了稳态浓度。但气缸内的温度和压力由于燃料的燃烧放热而迅速升高，在高温高压作用、，NO会发生热电离生成NO+和自由电子。NO+增加，在缸内压力达到最大时，NO+浓度达到最大，其热电离产生的自由电荷浓度达到最大。对应的离子流的波形上产生后火焰圳的峰值。然后随着做功冲程的进行，逐渐降剑最低。NO的生成可表示为：
将示功图和离子流图合并，我们得到一个标准的压力，离子流对应于曲轴转角的关系图八 图八 标准的压力和离子流时间关系图 1 电子流开始测试点 2 电子流信号 3 化学反应区 4 汽缸压力 5 物理热反应区 6 结束测试点 B 点火时间 C TDC D 爆振检测区 E 曲轴转角 我们发现电离子的多少和汽缸压力的关系大概是一致的，离子流最大时也相对与最大的汽缸压力，由此机理，工程师检测在发动机各工况下（爆震，失火）离子流的情况，
图九 爆震下的离子流 在图中你会看到对应的区域在爆震时，离子流的突变，压力的突变，正好提醒了爆震的产生。
图十，平均指示压力IMEP记录图 检测每次离子流的阀值，假定400KPA 15MA，认为MISSFIRE，根据一定时间内出现低于该阀值的次数，从而决定给该汽缸停止供油。 四，该项技术在国内外外的发展 在我国国内，早在上世纪90年代，西安交大就率先开展了该项研究，国际上已经在奔驰和宝马的实车上得到应用。国外学者约翰Auzins（德尔科电子公司）提出了利用火花塞作为传感器的应用，
我们看到即使在BENZ上其应用也不过仅限与KNOCK和MISSFIRE，至于其他应用让我们拭目以待吧 |
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