柴油机离子电流检测技术综述

张志强赵福全李理光

（1.东风柳州汽车有限公司，柳州 545005；2.清华大学 汽车产业与技术战略研究院，北京 100084；3.同济大学，上海 201804）

柴油机离子电流检测技术综述

张志强1赵福全2李理光3

（1.东风柳州汽车有限公司，柳州 545005；2.清华大学 汽车产业与技术战略研究院，北京 100084；3.同济大学，上海 201804）

基于内燃机离子电流形成机理，阐述了燃料在化学电离和热电离过程中的简化化学反应；结合离子电流检测技术在汽油机和柴油机上应用的异同点，分别简述汽油机和柴油机离子电流检测系统原理；根据柴油机离子电流检测技术的发展阶段，依次归纳了各研究阶段的成果；最后综合相关研究人员的最新研究工作，综述了该技术在柴油机瞬态燃烧过程排放物预测、燃烧特性预测和闭环反馈控制的研究成果。

1 前言

常见的内燃机工作过程检测方法主要有3种，第1种是通过缸压传感器检测气缸压力，并结合闭环反馈控制策略，可实现燃烧过程闭环控制。第2种是通过光纤传感器检测燃烧产物发出的光谱，并分析出燃烧特性等信息[1]。第3种是通过离子电流传感器检测燃烧产生的自由离子基团，并使其形成离子电流。通过对该信号进行分析可获得内燃机工作过程信息。该检测方法具有装置简单、成本低和安装便利等优点。

离子电流概念的提出已有百年的历史[2]，但在内燃机上的研究仅数十年。尽管如此，离子电流检测技术一直得到重视，其在汽油机领域获得的研究和应用成果颇丰，在柴油机方面的研究和应用也正在进行。

本文介绍离子电流检测原理，并简述其在汽油机和柴油机应用的异同点，最后着重综述柴油机离子电流检测技术研究历程及进展、技术突破和应用前景。

2 离子电流检测原理

内燃机燃烧过程中会产生大量的自由离子。在火花塞的两级或以离子电流探针为一级，缸体为另一级，施加合适的检测电压，自由离子会形成离子电流。离子电流的形成主要源于化学电离和热电离。

化学电离是指在燃烧初期，燃料逐渐产生一些离子。该阶段离子电流的形成受燃料的挥发性和分解性影响较大，其离子电流形成涉及的化学反应为[3]：

热电离一般发生在燃烧后期，受热运动影响形成离子，并且大多与NO有关。这主要是由于NO发生电离所需要的活化能量最小。热电离涉及的主要化学反应为[4]：

式中，M主要是指NO；Eion为热基团。

汽油机和柴油机离子电流检测系统原理分别如图1和图2所示。在汽油机中，一般可利用火花塞和一些外部电路构成离子电流检测回路，并测试离子电流信号。而在柴油机中，离子电流检测系统的安置比汽油机困难，这主要是由于在柴油机中需要在缸盖上打孔和额外安装一个离子电流探针，或是在柴油机的预热塞孔中安装离子电流探针。

图1 汽油机离子电流检测系统示意[5]

图2 柴油机离子电流检测系统示意[6]

由于柴油机过量空气系数比汽油机高，同时缸内平均温度比汽油机低，这些因素均影响和抑制燃料的化学电离和热电离过程，进而导致柴油机离子电流信号较弱。因此，柴油机离子电流信号检测电压比汽油机高。

另外，在结合离子电流信号进行闭环反馈控制时，汽油机可以根据当前循环内的离子电流信号，采取补火及补油反馈手段，以实现循环内的闭环反馈控制；而柴油机燃烧持续期较短，同时较难实现补油和补燃，因此反馈控制难以在同一循环来实现。

3 柴油机离子电流检测技术研究历程及进展

柴油机离子电流检测技术的研究和发展历程可以归纳成3个主要阶段：初期阶段为柴油机离子电流的形成机理研究，中期阶段为燃料特性和检测结构对离子电流影响研究，近期阶段为柴油机工况参数下离子电流信号研究。

3.1 初期阶段

早期大量的学者一方面通过试验手段对离子电流的形成过程和形成区域等进行试验研究，另一方面通过结合化学动力学模型进行模拟研究。2002年，Kessler等人[7]采用光学测试方法对柴油机中离子电流的形成机理进行研究，发现电子和带负电的离子均是离子电流中负电荷的载体；而汽油机中只有电子是离子电流中负电荷的主要载体。这主要是由于柴油和汽油在燃烧时产生自由离子的化学反应过程略有不同。

2004年，Kubach等人[8]对柴油机中离子电流存在的区域进行试验研究。结果表明，柴油机中离子电流存在的区域较为广泛，可以分布在预混合火焰区域、扩散火焰区域、碳烟生成区域和碳烟氧化区域中。Mehresh和Dibble等人[9～10]结合Warnatz自由离子形成骨架机理，首次搭建出以丙烷为燃料的HCCI燃烧方式下的离子电流仿真研究模型，该仿真模型的计算结果与试验结果对比如图3所示。在不同的当量比范围下，仿真计算得到的离子电流峰值和试验值具有较好的一致性。

图3 离子电流仿真和试验结果对比[10]

3.2 中期阶段

为了进一步探明离子电流生成特性的规律，大量学者结合不同的燃料特性开展离子电流特性研究；同时，基于定容燃烧弹和实际柴油机结构，相关学者开展了检测结构对离子电流的影响研究。

Reinman等人[11]分别利用发动机和置于大气环境中的燃烧器对含有碱金属添加剂的燃料进行离子电流检测，发现离子电流随着碱金属含量增大而增强。这主要是由于碱金属的电离所需能量较低，在燃烧过程中，碱金属含量越高，越易形成离子电流。

Franke等人[12]基于定容燃烧弹进行离子电流试验研究，发现空气中的微量碱金属在低温环境下能够有效促进NO生成NO+离子，从而促进离子电流的形成。

George等人[13]基于一台轻型柴油机，结合3种不同物理和化学特性的燃料（低硫柴油ULSD、航空柴油JP-8和合成柴油Sasol-IPK）开展离子电流特性试验研究。结果表明，对比不同燃料及不同负荷工况，在预混和扩散燃烧阶段离子电流与缸内燃烧信号（缸压、放热率曲线等）均具备较好的关联性。即离子电流技术可以应用于不同的燃料和工况燃烧分析研究工作中。

Vressner等人[14]对不同的离子电流检测电极安装位置进行试验研究，结果表明不同安装位置测得的离子电流信号有所不同。这主要是由于离子电流反映的是检测电极的局部燃烧信息，故在不同的安装位置所测信号会有一定差异。Henein等人[15]针对如图4所示的3种不同检测电极突出高度和两种电测电压进行离子电流检测研究，试验结果如图5所示。检测电极突出高度对离子电流信号特征有一定的影响，在较短突出高度下离子电流信号会出现较多的凸峰，而在较长突出高度下离子电流信号基本只有一个峰值。这可能是由于较长突出高度时电极所检测到的不同火焰区域信号相互叠加而导致峰值数量减少。分析耦合检测电压和突出高度的试验结果可知，在高检测电压（600 V）下离子电流信号较强，但是高检测电压在较短突出高度下对离子电流信号的增强效果并不明显。

图4 电极突出高度示意[15]

图5 不同电极突出高度下离子电流对比[15]

为突破实际柴油机结构和布局的限制，李春艳等人[16]基于定容燃烧弹，结合多种不同的电极检测位置、正负极检测面积，开展检测结构对离子电流的影响研究。结果表明，电极位置决定着离子电流的出现时刻并影响着离子电流的大小、峰值及峰值时刻等特征参数；测量电极（正极和负极）接触面积越大，电极吸收的电荷量就越多，离子电流幅值也就越高，且负电极面积对离子电流的影响大于正电极。

3.3 近期阶段

为加快离子电流技术在柴油机上的工程应用实践，近期大量的学者结合实际柴油机工况参数，开展了离子电流特性分析、离子电流与燃烧等特征参数的对比研究，并获得了成功的工程应用实例。

Henein等人[17]结合一台1.9L轻型高速柴油机，对比分析不同喷油压力和负荷状态下的离子电流特性。结果表明，离子电流信号随着喷油压力和负荷的增大而增强。Huang和Mehta[18]针对柴油机HCCI燃烧模式，开展了不同转速、进气压力和进气温度下的离子电流试验研究，结果如图6～图8所示。结果表明，离子电流受转速、进气压力和进气温度的影响较大，离子电流随着转速的升高而减弱，随着进气增压压力的升高而减弱，随着进气温度的升高而加强。

图6 离子电流随转速的变化关系[18]

图7 离子电流随进气压力的变化关系[18]

图8 离子电流随进气温度的变化关系[18]

Strandh等人[19]在一台重型柴油机上进行离子电流检测，结果表明离子电流信号达到峰值的50%所对应的时刻滞后于基于缸内压力信号推算得到的CA50时刻。这主要是由于离子电流检测到的是检测电极附近的离子电流特性，是一个局部信号，而缸内压力信号是全局信号。另外，这两个时刻之间的相关度较高，因此可以用于内燃机工作过程的燃烧相位的判定。Yoshiyama等人[20]以正庚烷进行HCCI离子电流检测试验，结果表明离子电流的峰值相位（θP）比放热率的第2个峰值（高温反应阶段）相位（θH）滞后5°，两者之间的相关性如图9所示。结果表明，两者具有较高的相关性。

图9θP和θH的相关性[20]

Badawy等人[21～22]通过在一台高压共轨柴油机上同时采集缸压信号、离子电流信号和振动信号，并对其进行FFT频域分析，研究结果如图10所示。可知，离子电流信号与缸压信号及振动信号具有非常好的一致性。结合进一步的分析和研究发现，离子电流信号可以作为一个反馈信号提供给ECU，并可以基于该信号来反馈控制柴油机的振动和噪声。

康哲等人[23]研究了不同EGR率、喷油压力、喷油量、转速和冷却水温度等工况参数对离子电流信号和燃烧相位相关性的影响。结果表明，柴油机燃烧产生的离子电流信号与燃烧相位之间的相关系数在不同工况下均接近或达到0.8，该相关性为高度相关，即利用离子电流信号进行燃烧相位的预测具备较好的准确性。

图10 缸压信号、离子电流信号和振动信号的FFT分析对比[21～22]

Glavmo等人[24]基于一台高压共轨柴油机进行了大量离子电流检测试验研究，并提出了基于离子电流信号的燃烧始点相位判断方法，其判断流程如图11所示。首先对离子电流信号进行滤波和差分，当差分值首次超过所设定的强度阈值时，即判断该时刻为燃烧始点。基于该闭环反馈方法可以使ECU相应调整进气量、燃油喷射时刻和水温等来调整燃烧始点。

图11 基于离子电流检测的燃烧始点相位判断[24]

4 柴油机离子电流检测技术突破和应用前景

纵观柴油机离子电流检测技术的研究历程及进展、技术突破和应用前景，该技术从早期的定性研究逐步发展到定量或模型化研究；从稳态工况研究逐步发展到循环瞬态工况研究，并对柴油机燃烧过程相关特性及参数实现模型预测和闭环反馈控制。

Estefanous[25]和Badawy等人[26]基于试验研究结果发现，每个柴油机工作循环下离子电流信号与NOx和碳烟排放生成具有较强的相关性。为此，他们提出了针对循环工况下的基于离子电流的NOx和碳烟排放预测模型。该研究为后续实现瞬态工况下柴油机的NOx和碳烟排放物生成预测、排放闭环控制提供了新的思路和应用前景。

Rao和Honnery[27]结合神经网络建模方法，建立了基于离子电流信号的柴油机工作膨胀功、平均指示有效压力和扭矩的神经网络预测模型。结果表明，为提高循环工况下的预测精度，仍需提供更多试验数据样本，并结合空燃比、喷油压力、缸压和排放等数据进一步完善该预测模型。

本文通过自主搭建柴油机离子电流检测系统，开展柴油机离子电流特性研究，并提出基于离子电流信号特征参数（CAI50）的燃烧放热过程特征参数（CA50）估计方法。同时针对柴油机低温燃烧稳态工作过程，建立基于离子电流的柴油机低温燃烧闭环反馈控制策略，如图12所示。并通过试验对比研究采用闭环反馈控制前后的柴油机动力性、排放性和燃烧稳定性。

图12 低温燃烧闭环反馈控制策略[6]

该闭环反馈控制策略中，喷油时刻修正算法采用的是PID控制算法，该算法通过输入CA50与目标CA50aim的偏差，并将该偏差的比例、积分和差分部分通过线性组合方式构成反馈控制量，即喷油时刻修正量。具体控制算法的计算公式为：

式中，E(i+1)为下一循环的喷油时刻修正量，即E（i+1）=SOI（i+1）-SOI（i）；e（i）为CA5（0i）与CA50aim的偏差；kp为比例调节系数；ki为积分调节系数；kd为差分调节系数；i代表当前循环。

闭环反馈控制前后的缸内压力、HC排放和离子电流的对比如图13所示。由图13a可知，在闭环反馈控制前，由于采用较大的EGR率来实现低温燃烧，EGR废气与进气系统中新鲜充量的相互混合过程存在一定的变动，致使每个工作循环的燃烧边界条件和燃烧状态不一致，进而导致低温燃烧下缸内压力、HC排放和离子电流均出现较大的波动。

图13 闭环反馈控制前后的缸内压力、HC排放和离子电流对比[6]

采用基于离子电流闭环反馈控制后的试验结果如图13b所示。通过实时检测各个工作循环的离子电流信号，来估计出CA50，并根据CA50与CA50aim的差异，不断调整下一循环的喷油时刻，使得各个工作循环的低温燃烧过程较为稳定，缸内压力和离子电流信号较一致，HC排放总体得到降低。

5 结束语

国内外关于在柴油机上进行离子电流检测技术的研究尚处于初步阶段，该检测技术在实际柴油机上进行产业化的应用和推广还需要更进一步的研究和发展。

结合目前的研究现状和成果可知，离子电流检测技术是实现柴油机实时工作过程检测的一种非常有效和低成本的技术，并且该技术具有建立柴油机工作过程排放物及相关燃烧特性预测模型、实现闭环反馈控制的潜力。

从开展的基于离子电流检测技术的柴油机低温燃烧闭环反馈控制研究成果来看，离子电流检测技术能够检测出柴油机的燃烧状态。基于离子电流信号并结合相应闭环反馈控制策略后，燃烧稳定性得到提高，柴油机的工作特性和排放性能均得到改善。

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（责任编辑晨 曦）

修改稿收到日期为2016年6月1日。

An Overview on Ion Current Detecting Technology of Diesel Engine

Zhang Zhiqiang1,Zhao Fuquan2,Li Liguang3
（1.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou 545005;2.Automotive Strategy Research Institute, Tsinghua University,Beijing 100084;3.Tongji University,Shanghai 201804）

The simplified chemical reaction of fuels during chemical ionization and thermal ionization was elaborated in this paper based on the formation mechanism of ionic current of internal combustion engine;in combination of similarities and differences of ionic current detecting technology in gasoline and diesel engine,the systematic principle of ionic current detection of gasoline and diesel engine was briefly described;then achievement from different research stages was summarized according to the development phase of ionic current detecting technology of diesel engine;finally research achievement of this technology in emission forecast,combustion characteristic forecast and closed loop feedback control of diesel engine in instantaneous combustion was summarized.

Diesel engine,Ion current,Closed-loop control

柴油机 离子电流 闭环控制

464.11+.4

A

1000-3703（2016）12-0001-06