火花塞作为传感器的应用.doc

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1、火花塞作为传感器的应用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

2、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

3、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，图一：发动机平稳运转信号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 3 米 / 秒 ）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

4、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

5、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 87 M1i 连接器套筒（ 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 RU 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

6、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 ECIl左侧气缸组点火模块 ECIlECI 点火系统电源装置 ME 控制单元中离子电流的测量电路lME 控制单元对点火系统 ECI的驱动lME 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

7、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.

8、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

9、。三，具体的进行离子流产生机理和测量方法图四示功图 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，

10、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

11、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 从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间， 称为着火落后期。如图中阶段 1 所示。从火花塞跳火开始到 上止点的曲轴转角称为点火提前角，用e ig表示。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合气氧化 反应需要一定时间，当火花能 量使局部混合气温度迅速升 高，以及火花放电时两极电压在 15000 伏以上时， 混合气局 部温度可达 2000c ，加快了混合气的氧化反映速度。这种反 应达到一定的程度（所需要时间约占整个 燃烧时间的 15% 左右时）出现发光区，形成火焰中心。此阶段压力无明显升 高

12、。 着火落后期的长短与燃料本身的分子结构和物理化 学性质、过量空气系数（$ at =0.8生9时最短）、开始点火 时气缸内温度和压力（取决于压缩比） 、残余废气量、气缸 内混合气的运动、火花能量大小等因素有关。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

13、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 从火焰中心形成到气缸内出现最高压力为止这段 时间称为明显燃烧期。 图四中第

14、 2 阶段。当火焰中心形成后， 火馅前锋以 20 一 30m 的速度从火焰中心开始逐层向四周的 未燃混合气传播，直到连续不断扫过整个燃烧室。混合气的 绝大部分（约 80% 以上）在此期间内燃烧完毕、压力、温度 迅速升高，出现最高压力点 C 。最高压力点 C 出现的时刻对 发动机功率、燃油消耗有很大影响。过早，混合气点火早， 使压缩功增加， 热效率下降； 过迟，燃烧产物的膨胀比减小， 燃烧在较大容积下进行，散热损失增加，热效率也下降。实 践证明，最高压力出现在上止点后 12 一15 曲轴转角时， 示功图面积最大，循环功最多。此时对应的点火提取前角为 最佳点火捉前角。因而，可以通过调整点火提前角，

15、使最高 燃饶压力出现在适宜的位置。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） 从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是；明显燃烧期火焰前锋扫过的区域， 部分未燃饶的燃料继续燃烧 ;吸附气缸在缸壁上的混合气层 继续燃烧 ;部分高温分解产物（ H2 、O2、CO 等），因在膨胀 过程中温度下降又重新

16、燃烧，放热。由于活塞下行，压力降 低，散热面积增大，使补燃期内燃烧放出的热量不能有效地 转变为功。同时排气温度增加，热效率下降，影响发动机动 力性和经济性。 。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

17、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 TDCD 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，KNOCK我们看到即使在 BENZ 上其应用也不过仅限与 和 MISSFIRE ，至于其他应用让我们拭目以待吧