CN104596773B - 一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备和方法，诊断设备包括火花塞和用于接收发动机工作状态信号的信号处理单元，诊断设备还包括依次连接的离子电流探针、离子电流检测单元、离子电流后处理单元和微控制单元，离子电流探针设在发动机燃烧室中，火花塞与离子电流检测单元连接，信号处理单元与微控制单元连接；火花塞和离子电流探针分别采集所在处的离子电流信号后，离子电流信号后依次经过离子电流检测单元的叠加处理和离子电流后处理单元的加工处理后，由微控制单元结合发动机工作状态信号进行燃烧诊断出发动机的燃烧状态。与现有技术相比，本发明具有诊断精准等优点。

Description

一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备和方法

技术领域

本发明涉及一种发动机燃烧诊断技术，尤其是涉及一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备和方法。

背景技术

能源与环境是当今面临的两大难题，如何积极地应对这两大问题成为社会关注的焦点。汽车作为能源的重要消耗者和环境的重要污染者，一直在新技术和新标准的引领下，在经济性和排放性等方面不断进行自我优化。我国人口众多，但是人均汽车保有量较低，近年来汽车制造业发展迅猛，是世界上汽车市场潜力最大的国家，预计2020年我国汽车保有量将达到1.3—1.5亿。发动机作为汽车的动力源，基本上都是以汽油或柴油为燃料，而燃烧产生大量有害气体和颗粒物是空气污染的重要来源。

为了满足节能减排的要求，需要对发动机燃烧过程进行精确地诊断和控制，而发动机的电控技术是有赖于不断更新的传感器技术。诊断发动机燃烧的一个比较传统也是比较常用的方法是使用气缸压力传感器,通过测量缸内压力的变化，来分析缸内燃烧过程。然而，由于缸压传感器成本比较高，同时其安装会增加气缸盖的设计制造的复杂性，所以一直被没有大批量的推广应用。

最近几十年，一种基于离子电流监测和发动机缸内燃烧状态控制的诊断技术被提出，即以火花塞为传感器，通过在其两极之间维持直流电场，使火花塞之间的带电粒子在电场的作用下定向移动，形成离子电流，离子电流中包含大量与发动机燃烧和运行有关的信息，通过检测离子电流信号可以诊断燃烧状况，也可以对信号进行处理用来对发动机进行控制。相对于传统传感器，离子电流法具有成本低、检测方便和几乎不改变原有发动机结构等优点。但是传统的基于火花塞检测的离子电流只能反应其附近的局部燃烧状态，在应用过程中有一定的局限性，由于受缸内流场的影响很大，对于发动机气缸内这种复杂的湍流燃烧过程来说，其信号稳定性的提 高成为了该技术产业化的重要难题。

基于此，本发明提出一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断与控制方法，除了通过火花塞获得离子电流信号，在燃烧室的其他位置加装一个微型离子电流探针，通过对这两个通道的离子电流信号进行叠加、后处理，能够有效提高应用工况中离子电流信号质量，从而优化发动机的燃烧状态诊断精度，并基于该信号对发动机实施反馈控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，包括火花塞和用于接收发动机工作状态信号的信号处理单元，所述诊断设备还包括依次连接的离子电流探针、离子电流检测单元、离子电流后处理单元和微控制单元，所述离子电流探针设在发动机燃烧室中，所述火花塞与离子电流检测单元连接，所述信号处理单元与微控制单元连接；

经过火花塞和离子电流探针的离子电流信号，依次通过离子电流检测单元的叠加处理和离子电流后处理单元的加工处理后，由微控制单元结合发动机工作状态信号进行燃烧诊断出发动机的燃烧状态。

所述火花塞位于发动机燃烧室中央，所述离子电流探针设于发动机燃烧室一侧。

所述离子电流检测单元包括高压硅堆、可调直流偏置电源和可调分压电阻，所述高压硅堆的阴极与火花塞的正极连接，阳极与离子电流探针的正极连接，所述火花塞的负极与离子电流探针的负极连接，所述离子电流探针的正极还与可调直流偏置电源的正极连接，所述可调直流偏置电源的负极通过可调分压电阻与离子电流探针的负极连接，所述离子电流探针的负极接地。

所述离子电流后处理单元包括反转放大器和比较器电路，所述反转放大器的输入端与离子电流检测单元连接，输出端通过比较器电路与微控制单元连接。

所述信号处理单元的输入端与采集发动机工作状态信号的传感器连接，输出端与微控制单元连接，所述发动机工作状态信号包括：

曲轴位置信号，由转速-曲轴位置传感器检测；

凸轮轴相位信号，由凸轮轴相位传感器检测；

点火信号，由发动机电子控制单元施加的信号。

所述诊断设备还包括用于根据燃烧诊断结果排除发动机燃烧故障的执行器，所述执行器的输入端与微控制单元的输出端连接。

一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断方法，该方法包括步骤：

A.信号预处理步骤：采集火花塞处和发动机燃烧室中另一位置处的离子电流信号，并将两个离子电流信号进行叠加处理得到叠加离子电流信号电压；

B.信号后处理步骤：将叠加离子电流信号电压转换成离子电流方波信号；

C.状态诊断步骤：根据离子电流方波信号，结合发动机工作状态信号进行燃烧状态诊断。

所述步骤B具体包括子步骤：

B1.将步骤A得到的叠加离子电流信号电压进行相位反转为正的叠加离子电流信号电压；

B2.将步骤B1中得到的正的叠加离子电流信号电压整形为离子电流方波信号。

所述燃烧状态诊断具体为：

C1.确定一个曲轴转角区间为(a.b)的观察窗口，进而判断观察窗口(a.b)内离子电流方波信号是否存在高电平，若为否，则诊断结果为完全失火，若为是，则执行步骤C2；

C2.判断是否T_dur＞y，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤C3，其中，T_dur为离子电流方波信号高电平的持续时间，y为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最大值；

C3.判断是否T_dur∈(x,y)，若为是，则执行步骤C4，若为否则执行步骤C5，其中，x为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最小值；

C4.判断是否T₀∈(m,n)，若为是，则诊断结果为正常，若为否，则执行步骤C5，其中，T₀为离子电流方波信号高电平出现时的曲轴转角，(m,n)为发动机正常燃烧状态下T₀的曲轴转角变化区间；

C5.判断是否T₀＞n，若为是，则诊断结果为后燃，若为否，则执行步骤C6；

C6.判断是否T₀∈(d,m)，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤 C7，其中，d为发动机点火角；

C7.判断是否T₀＜d，若为是，则诊断结果为早燃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)利用双通道离子电流的叠加，拓宽了离子电流的持续时间，提高了离子电流信号强度，弥补了单通道离子电流法中受流场影响大，循环波动率大的弊端，有效提高了离子电流信号的信噪比。

2)反转放大器和比较器将离子电流信号转换为微控制单元更易辨识的方波信号，能够更加精确的基于离子电流信号进行发动机燃烧诊断与控制。

3)本发明作为发动机缸内燃烧传感器，由于相比传统缸压传感器具有更低成本，且较单通道离子电流检测系统的信号稳定性更佳，可用于发动机燃烧与排放优化的精确闭环反馈控制。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图；

图2为双通道离子电流检测电路图；

图3为离子电流后处理单元电路图；

图4为双通道离子电流结果；

图5为离子电流信号后处理效果图；

图6为双通道离子电流探针安装示意图；

图7为微型离子电流探针结构图；

图8为基于双通道离子电流的燃烧诊断示意图；

图9为本发明方法的主要步骤流程图；

其中：1、火花塞、2、离子电流探针，3、离子电流检测单元，4、离子电流后处理单元，5、信号处理单元，6、微控制单元，7、执行器，21、电极，22、外套，23、绝缘陶瓷，31、高压硅堆，32、可调直流偏置电源，33可调分压电阻，41、反转放大器，42、比较器电路，81、缸体，82、点火模块，83、蓄能隔离硅堆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，如图1所示，包括火花塞1和用于接收发动机工作状态信号的信号处理单元5，诊断设备还包括依次连接的离子电流探针2、离子电流检测单元3、离子电流后处理单元4和微控制单元6，离子电流探针2设在发动机燃烧室中，火花塞1与离子电流检测单元3连接，信号处理单元5与微控制单元6连接；

经过火花塞1和离子电流探针2的离子电流信号，依次通过离子电流检测单元3的叠加处理和离子电流后处理单元4的加工处理后，由微控制单元6结合发动机工作状态信号进行燃烧诊断出发动机的燃烧状态。

火花塞1和离子电流探针2分别采集所在处的离子电流信号101和离子电流信号102，离子电流检测单元3将两个离子电流信号101、102叠加得到离子电流信号电压103，离子电流信号电压103经离子电流后处理单元4处理后，获得离子电流方波信号104，离子电流方波信号104输入与其相连的微控制单元6的模数转换模块ADC。发动机的工作状态信号201经过信号处理单元5的滤波、限幅、整形和缓冲处理后进入微控制单元6的输入模块INPUT，其中发动机的工作状态信号包括曲轴位置信号、凸轮轴位置信号等。

微控制单元6根据发动机的工作状态信号201来计算发动机的曲轴转角以及各缸当前的工作状态。微控制单元6以曲轴位置传感器信号作为采集离子电流的数模转换模块ADC的触发信号，每触发一次采集一次离子电流信号，微控制单元6根据输入的离子电流方波信号104的特征来诊断发动机的工作状态，如果诊断出发动机工作异常，那么微控制单元6会结合发动机的工作状态驱动执行器进行反馈控制。

如图2所示，离子电流检测单元3包括高压硅堆31、可调直流偏置电源32和可调分压电阻33，高压硅堆31的阴极与火花塞1的正极连接，阳极与离子电流探针2的正极连接，火花塞1的负极与离子电流探针2的负极连接，离子电流探针2的正极还与可调直流偏置电源32的正极连接，可调直流偏置电源32的负极通过可调分压电阻33与离子电流探针2的负极连接，离子电流探针2的负极接地。其中接地为与燃烧缸的缸体81。

可调直流偏置电源32将电压分别加在火花塞1与可调分压电阻33的两端、离子电流探针2与可调分压电阻33的两端，点火模块82工作时，给火花塞1两极加 上高电压，蓄能隔离硅堆83能够有效隔离点火蓄能对离子电流产生的干扰，而高压硅堆31可以隔离点火放电瞬间的高压对检测电路的干扰，当缸内混合气燃烧，就会电离出带电离子，带电离子分别在火花塞1附近及离子电流探针2位置处的直流电场作用下定向移动，形成电流，即双路检测通道会分别形成电流101与电流102。由于两路是并联的关系，干路电流I是两支路电流101与101的叠加值，可调分压电阻33可以将电流信号I转化为其两端的离子电流信号电压103输出到离子电流后处理单元4。

如图3所示，离子电流后处理单元4包括反转放大器41和比较器电路42，反转放大器41的输入端与离子电流检测单元3的输出端连接，输出端通过比较器电路42与微控制单元6连接，反转放大器41可以将检测到的如图4所示的负的离子电流信号电压103转化为正的离子电流信号电压103并且输出给比较器电路42，比较器电路42可以将输入的信号与设定的参考电压信号作比较，如果大于该值则输出一个定值，如果小于该值则输出值为0，参考电压及比较滞回区间可以根据实际需要调节滑动变阻器R6和R8来改变，研究结果表明，将偏置电压正极与缸体相接、偏置电压负极与检测电路正极相接时，离子电流信号强度较低，不利于用于反馈控制识别，同时为了提高燃烧诊断设备在整车ECU上的集成度，为了避免正负极短接，与其他传感器统一将缸体作为接地，综合这两点原因，不能简单地采用比较器电路42反接在可调分压电阻33两端实现，必须经过反转放大器41。

如图4所示，火花塞1(即探针1)和离子电流探针2(即探针2)测得的离子电流无论在幅值还是在相位方面都有差异，双通道叠加离子电流信号I相比于原来的各个通道测得的离子电流信号，幅值增大，持续期增大，这样可以有效提高离子电流信噪比及工作循环间的稳定性，改善基于该信号的发动机反馈控制精度。

如图5为所示双通道离子电流信号(即双通道叠加离子电流信号I)经过放大器301和比较器302后变成了离子电流方波信号104，与离子电流原始信号相比，该信号更利于控制单元的读取与分析。方波出现的时间可以表征燃烧开始的时间，方波的持续时间T_dur可以表征燃烧的持续时间。

如图7所示，离子电流探针2包括电极21、外套22和绝缘陶瓷23组成，所述电极21通过绝缘陶瓷23固定在外套22内。图中具体尺寸可根据发动机实际布置空间进行调整，其相比传统火花塞式离子电流探针体积更加小巧，易于在发动机上的布置。

信号处理单元5的输入端与采集发动机工作状态信号的传感器连接，输出端与微控制单元6连接，发动机工作状态信号包括：

曲轴位置信号，由转速-曲轴位置传感器检测；

凸轮轴相位信号，由凸轮轴相位传感器检测；

喷油信号，由发动机电子控制单元施加的信号；

点火信号，由发动机电子控制单元施加的信号。

如图1所示，诊断设备还包括用于根据燃烧诊断结果排除发动机燃烧故障的执行器7，执行器7的输入端与微控制单元6的输出端连接，当诊断结果为发动机燃烧有故障时，微控制单元6驱动执行器7进行故障排除。

一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断方法，如图9所示，其特征在于，该方法包括步骤：

A.信号预处理步骤：采集火花塞1处和发动机燃烧室中另一位置处的离子电流信号，并将两个离子电流信号进行叠加处理得到叠加离子电流信号电压；

B.信号后处理步骤：将叠加离子电流信号电压转换成正的离子电流方波信号；

C.状态诊断步骤：根据离子电流方波信号，结合发动机工作状态信号进行燃烧状态诊断。

如图8所示，燃烧状态诊断具体为：

C1.确定一个曲轴转角区间为(a.b)的观察窗口，进而判断观察窗口(a.b)内离子电流方波信号是否存在高电平，若为否，则诊断结果为完全失火，若为是，则执行步骤C2；

C2.判断是否T_dur＞y，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤C3，其中，T_dur为离子电流方波信号高电平的持续时间，y为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最大值；

C3.判断是否T_dur∈(x,y)，若为是，则执行步骤C4，若为否则执行步骤C5，其中，x为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最小值；

C4.判断是否T₀∈(m,n)，若为是，则诊断结果为正常，若为否，则执行步骤C5，其中，T₀为离子电流方波信号高电平出现时的曲轴转角，(m,n)为发动机正常燃烧状态下T₀的曲轴转角变化区间；

C5.判断是否T₀＞n，若为是，则诊断结果为后燃，若为否，则执行步骤C6；

C6.判断是否T₀∈(d,m)，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤 C7，其中，d为发动机点火角；

C7.判断是否T₀＜d，若为是，则诊断结果为早燃。

曲轴位置信号与凸轮轴相位信号将用于诊断过程中确定上止点位置，通过上止点位置与点火信号相结合，进而可以得到诊断窗口区间(a,b)以及发动机正常燃烧状态下T₀的曲轴转角变化区间(m,n)的确定提供参考依据。

Claims (8)

1.一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，包括火花塞和用于接收发动机工作状态信号的信号处理单元，其特征在于，所述诊断设备还包括依次连接的离子电流探针、离子电流检测单元、离子电流后处理单元和微控制单元，所述离子电流探针设在发动机燃烧室中，所述火花塞与离子电流检测单元连接，所述信号处理单元与微控制单元连接，

经过火花塞和离子电流探针的离子电流信号，依次通过离子电流检测单元的叠加处理和离子电流后处理单元的加工处理后，由微控制单元结合发动机工作状态信号进行燃烧诊断出发动机的燃烧状态；

所述信号处理单元的输入端与采集发动机工作状态信号的传感器连接，输出端与微控制单元连接，所述发动机工作状态信号包括：

曲轴位置信号，由转速-曲轴位置传感器检测；

凸轮轴相位信号，由凸轮轴相位传感器检测；

点火信号，由发动机电子控制单元施加的信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，其特征在于，所述火花塞位于发动机燃烧室中央，所述离子电流探针设于发动机燃烧室一侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，其特征在于，所述离子电流检测单元包括高压硅堆、可调直流偏置电源和可调分压电阻，所述高压硅堆的阴极与火花塞的正极连接，阳极与离子电流探针的正极连接，所述火花塞的负极与离子电流探针的负极连接，所述离子电流探针的正极还与可调直流偏置电源的正极连接，所述可调直流偏置电源的负极通过可调分压电阻与离子电流探针的负极连接，所述离子电流探针的负极接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，其特征在于，所述离子电流后处理单元包括反转放大器和比较器电路，所述反转放大器的输入端与离子电流检测单元连接，输出端通过比较器电路与微控制单元连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备，其特征在于，所述诊断设备还包括用于根据燃烧诊断结果排除发动机燃烧故障的执行器，所述执行器的输入端与微控制单元的输出端连接。

6.一种如权利要求1所述的基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断设备的诊断方法，其特征在于，该方法包括步骤：

A.信号预处理步骤：采集火花塞处和发动机燃烧室中另一位置处的离子电流信号，并将两个离子电流信号进行叠加处理得到叠加离子电流信号电压；

B.信号后处理步骤：将叠加离子电流信号电压转换成离子电流方波信号；

C.状态诊断步骤：根据离子电流方波信号，结合发动机工作状态信号进行燃烧状态诊断。

7.根据权利要求6所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断方法，其特征在于，所述步骤B具体包括子步骤：

B1.将步骤A得到的叠加离子电流信号电压进行相位反转为正的叠加离子电流信号电压；

B2.将步骤B1中得到的正的叠加离子电流信号电压整形为离子电流方波信号。

8.根据权利要求6所述的一种基于双通道离子电流的发动机燃烧诊断方法，其特征在于，所述燃烧状态诊断具体为：

C1.确定一个曲轴转角区间为(a.b)的观察窗口，进而判断观察窗口(a.b)内离子电流方波信号是否存在高电平，若为否，则诊断结果为完全失火，若为是，则执行步骤C2；

C2.判断是否T_dur＞y，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤C3，其中，T_dur为离子电流方波信号高电平的持续时间，y为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最大值；

C3.判断是否T_dur∈(x,y)，若为是，则执行步骤C4，若为否则执行步骤C5，其中，x为正常燃烧状态下T_dur的角度变化的最小值；

C4.判断是否T₀∈(m,n)，若为是，则诊断结果为正常，若为否，则执行步骤C5，其中，T₀为离子电流方波信号高电平出现时的曲轴转角，(m,n)为发动机正常燃烧状态下T₀的曲轴转角变化区间；

C5.判断是否T₀＞n，若为是，则诊断结果为后燃，若为否，则执行步骤C6；

C6.判断是否T₀∈(d,m)，若为是，则诊断结果为爆震，若为否，则执行步骤C7，其中，d为发动机点火角；

C7.判断是否T₀＜d，若为是，则诊断结果为早燃。