CN103899428B - 一种基于离子电流的柴油机燃烧控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于内燃机技术领域。一种基于离子电流的柴油机燃烧控制装置，包括升压模块、检测模块、信号调理模块和控制模块，升压模块的输入端连接有蓄电池，其输出端与检测模块输入端连接；检测模块输出端与信号调理模块输入端连接；信号调理模块输出端与控制模块输入端连接，而控制模块处理分析后将控制信号连接至柴油机的喷油器。柴油机在燃烧过程中燃料会产生大量的活性离子，以离子电流探针为一级，缸体为另一级施加一个合适的直流电压，则活性离子会在直流电压的作用下运动并形成离子电流。由于该离子电流是在燃烧过程中形成，蕴含着大量的燃烧过程信息。基于对离子电流的检测和分析，将能够获得燃烧状态信息，实现对燃烧过程控制。
Description
技术领域
本发明涉及离子电流检测装置和燃烧控制方法，属于内燃机技术领域。
背景技术
众所周知，准确地获悉柴油机的燃烧状态，并基于一定的策略进行反馈控制，对提高柴油机的动力性、经济性和排放性能都具有非常大的帮助。目前常见的柴油机燃烧过程检测方法主要有以下两种：
第一种是通过气缸压力传感器。在气缸内安装缸压传感器可以实时地检测缸内工作过程的气缸压力，并以其为基础信息，结合热力学原理，通过计算和分析可以获得燃烧放热率、着火时刻、燃烧速率、最大爆发压力等参数。基于这些信息和参数，可以进一步采用相应的闭环反馈控制策略。由于缸压传感器的成本较高和需要在柴油机上额外布置和安装等问题，这种检测方法目前还仅限于在试验室中使用，在实际内燃机上进行应用还具有较大困难。
第二种是通过光纤传感器。燃料在柴油机的缸内进行燃烧和放热的过程中会生成CH、C2、CO和OH等中间态物质和基团，它们在燃烧过程中会发出一系列的光谱，结合这些光谱信号的变化进行分析，进一步可以获得着火时刻、燃烧始点及终点和缸内空燃比等信息。该检测方法与缸压传感器相比，成本相对较低；但是由于光纤传感器在柴油机的高温环境下使用，其需要采用一套额外冷却装置，这样其使用和维护较为复杂；同时内燃机工作时间久了以后，在缸内会形成一定量的沉积物和积碳等，这些会影响到光纤传感器的测量和使用，因此该方法也难以在内燃机工程领域进行应用。
发明内容
鉴于上述两种柴油机燃烧检测方法的不足和实施的困难，开发一种新型的燃烧检测方法是非常重要的。
本发明设计原理：柴油机在燃烧过程中燃料会产生大量的活性离子，以离子电流探针为一级，缸体为另一级施加一个合适的直流电压，则活性离子会在直流电压的作用下运动并形成离子电流。由于该离子电流是在燃烧过程中形成，蕴含着大量的燃烧过程信息。基于对离子电流的检测和分析，将能够获得燃烧状态信息，有望实现对燃烧过程控制。
因此，本发明的目的在于提供一种能够准确和实时检测柴油机燃烧过程的离子电流检测装置，并结合一定的燃烧过程控制方法，实现对柴油机燃烧过程控制。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种基于离子电流的柴油机燃烧控制装置，其特征在于，包括四个模块：升压模块、检测模块、信号调理模块和控制模块，所述升压模块的输入端连接有蓄电池，其输出端与检测模块输入端连接；所述检测模块输出端与信号调理模块输入端连接；所述信号调理模块输出端与控制模块输入端连接，而控制模块处理分析后将控制信号连接至柴油机的喷油器12。
所述升压模块是由蓄电池1、电容2、电感线圈3、二极管4、功率mos管5、电流型PWM控制器6、线圈7、蓄能稳压电容8组成。连接关系是：蓄电池1的正极与电感线圈3相连，蓄电池1的负极接地；电容2并联在蓄电池1的正负极之间；电感线圈3另一端与二极管4的阳极相连，同时该端电感线圈3也与功率mos管5的漏极相连；功率mos管5的基极与电流型PWM控制器6连接，功率mos管5的源极与线圈7相连；线圈7的另一端接地；蓄能稳压电容8一端接地，蓄能稳压电容8的另一端与二极管4的阴极相连。本升压模块的电路，可将蓄电池1的12V电压最高可升至500V。
所述检测模块由离子电流探针11、第一可变电阻10、第二可变电阻9组成。连接关系：升压模块输出的高压送至离子电流探针11，所述离子电流探针11连接至柴油机活塞，同时柴油机活塞又与第一可变电阻10连接，第一可变电阻10的另一端与接地的第二可变电阻9相连。如此，可通过调节第二可变电阻9和第一可变电阻10的阻值来调节采集离子电流电压的大小。
所述信号调理模块包含拉低电阻13、电容14、第一电阻15、第二电阻16、第三电阻17、运算放大器18。连接关系是：检测模块通过其第一可变电阻10输出至信号调理模块，该第一可变电阻10的另一端同时与信号调理模块中的拉低电阻13、滤波电容14和第一电阻15相连，而拉低电阻13和滤波电容14它们的另一端都接地；第一电阻15的另一端与运算放大器18的负极输入端相连，同时该端第一电阻15与第二电阻16相连，如此可以通过调节第一电阻15和第二电阻16的阻值比来调整信号放大比例，将采集到的离子电流信号进行调理及放大。第二电阻16的另一端与ECU控制模块19信号输入端相连，运算放大器18的正极输入端与第三电阻17相连，第三电阻17的另一端接地，运算放大器18的输出端与ECU控制模块19输入端相连，ECU控制模块19的另一输出端与柴油机的喷油器12相连，通过采集到的离子电流信号，结合相应控制逻辑对喷油器12进行控制。
所述控制模块就是指ECU控制模块19。
本发明的有益效果是：通过离子电流信号的检测，完整和准确地反映缸内燃烧状态信息，结合燃烧过程控制方法，实现对柴油机燃烧过程的控制。
附图说明
图1为本发明中离子电流检测装置原理图。
图2为缸内压力、瞬时放热率、离子电流信号和离子电流积分值对比图。
图3为本发明的燃烧过程控制方法图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中离子电流检测装置原理图，该离子电流检测装置原理图可分为四个模块：升压模块、检测模块、信号调理模块和控制模块，所述升压模块的输入端连接有蓄电池，其输出端与检测模块输入端连接；所述检测模块输出端与信号调理模块输入端连接；所述信号调理模块输出端与控制模块输入端连接，而控制模块处理分析后将控制信号连接至柴油机的喷油器12。
所述升压模块是由蓄电池1、电容2、电感线圈3、二极管4、功率mos管5、电流型PWM控制器6、线圈7、蓄能稳压电容8组成。连接关系是：蓄电池1的正极与电感线圈3相连，蓄电池1的负极接地；电容2并联在蓄电池1的正负极之间；电感线圈3另一端与二极管4的阳极相连，同时该端电感线圈3也与功率mos管5的漏极(Drain)相连；功率mos管5的基极(Gain)与电流型PWM控制器6连接，功率mos管5的源极(Source)与线圈7相连；线圈7的另一端接地；蓄能稳压电容8一端接地，蓄能稳压电容8的另一端与二极管4的阴极相连。本升压模块的电路，可将蓄电池1的12V电压最高可升至500V。
所述检测模块由离子电流探针11、第一可变电阻10、第二可变电阻9组成。连接关系：升压模块输出的高压送至离子电流探针11，所述离子电流探针11连接至柴油机活塞，同时柴油机活塞又与第一可变电阻10连接，第一可变电阻10的另一端与接地的第二可变电阻9相连。如此，可通过调节第二可变电阻9和第一可变电阻10的阻值来调节采集离子电流电压的大小。
所述信号调理模块包含拉低电阻13、电容14、第一电阻15、第二电阻16、第三电阻17、运算放大器18。连接关系是：检测模块通过其第一可变电阻10输出至信号调理模块，该第一可变电阻10的另一端同时与信号调理模块中的拉低电阻13、滤波电容14和第一电阻15相连，而拉低电阻13和滤波电容14它们的另一端都接地；第一电阻15的另一端与运算放大器18的负极输入端相连，同时该端第一电阻15与第二电阻16相连，如此可以通过调节第一电阻15和第二电阻16的阻值比来调整信号放大比例，将采集到的离子电流信号进行调理及放大。第二电阻16的另一端与ECU控制模块19信号输入端相连，运算放大器18的正极输入端与第三电阻17相连，第三电阻17的另一端接地，运算放大器18的输出端与ECU控制模块19输入端相连，ECU控制模块19的另一输出端与柴油机的喷油器12相连，通过采集到的离子电流信号，结合相应控制逻辑对喷油器12进行控制。
所述控制模块就是指ECU控制模块19。
如此，在燃烧过程生成的离子电流信号经运算放大器18放大后传输到ECU控制模块19，同时ECU控制模块19根据相应的燃烧控制方法对喷油器12发出包含喷油时刻在内的控制命令，从而达到控制燃烧过程的目的。
所述ECU控制模块19，实时接收柴油机离子电流信号，进行分析和计算，得到当前燃烧过程的CAI50；对比当前CAI50与设定的最佳工作状态下的CAI50aim，若CAI50小于CAI50aim，则控制喷油器12在下一循环喷油时刻延迟，若CAI50大于CAI50aim，则控制喷油器12在下一循环喷油时刻提前，调整CAI50向CAI50aim靠拢，保证柴油机每个燃烧过程均处于最好的燃烧状态。
柴油机燃烧过程生成的离子电流来源是源于化学电离和热电离。化学电离是指在燃烧的初期，燃料逐渐发生分解，产生一些离子，但这些离子处于相对不稳定状态，会随着燃烧反应的继续而形成新的离子，这一阶段离子电流的生成受燃料的挥发性和分解性影响较大，其涉及的化学反应如式所示：
CH+O→CHO++e-
CHO++H2O→H3O++CO
热电离是指在燃烧后期燃烧放热量大，离子的形成受热运动影响较大，并且形成的离子中大多与NO有关。这主要是由于NO发生电离所需要的活化能量是最小所致。这一阶段的主要化学反应如下：
式中M主要是指NO，Eion为热基团。
如图2所示为柴油机缸内压力、瞬时放热率、离子电流信号和离子电流积分值的对比图，该图是基于柴油机在1400r/min，每循环喷油量为16.5mm3，喷油定时为352℃A工况下的试验结果。试验结果显示，燃料在352℃A喷入缸内，经过较短滞燃期后开始燃烧，缸内压力和瞬时放热率开始增大，同时离子电流开始生成，及离子电流积分值开始增大。整体而言，离子电流信号和瞬时放热率形态相似，可用于表征柴油机的燃烧及放热过程。
在柴油机研究和工程应用中常用CA50来表征柴油机的燃烧过程，其为达到总放热量(即对瞬时放热率进行积分计算得到)的50％对应的曲轴转角。本发明中利用离子电流信号来表征燃烧过程，定义了CAI50，其为达到离子电流积分值的50％所对应的曲轴转角。CA50和CAI50的示意如图2所示。
如图3所示为燃烧过程控制方法示意，首先在柴油机的每个燃烧过程中，实时地检测柴油机离子电流信号；同时离子电流信号被传输到ECU控制模块19，并在ECU控制模块19中进行离子电流信号的分析和计算，得到当前燃烧过程的CAI50；将当前CAI50与ECU控制模块19中存储的最佳工作状态下的CAI50aim对比，若CAI50小于CAI50aim，则ECU控制模块19发出命令，使得喷油器12在下一循环喷油时刻延迟，以使下一循环柴油机的燃烧过程和CAI50向最佳燃烧过程和CAI50aim靠拢，从而保证柴油机每个燃烧过程均处于最好的燃烧状态，反之亦然。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于离子电流的柴油机燃烧控制装置，其特征在于，包括四个模块：升压模块、检测模块、信号调理模块和控制模块，所述升压模块的输入端连接有蓄电池，其输出端与检测模块输入端连接；所述检测模块输出端与信号调理模块输入端连接；所述信号调理模块输出端与控制模块输入端连接，而控制模块处理分析后将控制信号连接至柴油机的喷油器(12)；
所述升压模块是由蓄电池(1)、电容(2)、电感线圈(3)、二极管(4)、功率mos管(5)、电流型PWM控制器(6)、线圈(7)、蓄能稳压电容(8)组成：蓄电池(1)的正极与电感线圈(3)相连，蓄电池(1)的负极接地；电容(2)并联在蓄电池(1)的正负极之间；电感线圈(3)另一端与二极管(4)的阳极相连，同时该端电感线圈(3)也与功率mos管(5)的漏极相连；功率mos管(5)的基极与电流型PWM控制器(6)连接，功率mos管(5)的源极与线圈(7)相连；线圈(7)的另一端接地；蓄能稳压电容(8)一端接地，蓄能稳压电容(8)的另一端与二极管(4)的阴极相连；
所述检测模块由离子电流探针(11)、第一可变电阻(10)、第二可变电阻(9)组成：升压模块输出的高压送至离子电流探针(11)，所述离子电流探针(11)连接至柴油机活塞，同时柴油机活塞又与第一可变电阻(10)连接，第一可变电阻(10)的另一端与接地的第二可变电阻(9)相连；
所述信号调理模块包含拉低电阻(13)、电容(14)、第一电阻(15)、第二电阻(16)、第三电阻(17)、运算放大器(18)：检测模块通过其第一可变电阻(10)输出至信号调理模块，该第一可变电阻(10)的另一端同时与信号调理模块中的拉低电阻(13)、滤波电容(14)和第一电阻(15)相连，而拉低电阻(13)和滤波电容(14)它们的另一端都接地；第一电阻(15)的另一端与运算放大器(18)的负极输入端相连，同时该端第一电阻(15)与第二电阻(16)相连；第二电阻(16)的另一端与ECU控制模块(19)信号输入端相连，运算放大器(18)的正极输入端与第三电阻(17)相连，第三电阻(17)的另一端接地，运算放大器(18)的输出端与ECU控制模块(19)输入端相连，ECU控制模块(19)的另一输出端与柴油机的喷油器(12)相连，通过采集到的离子电流信号，结合相应控制逻辑对喷油器(12)进行控制；
所述控制模块就是指ECU控制模块(19)。
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