Смоленский В.В. - Поволжский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА САМООРГАНИЗАЦИИ ДЛЯ
МОНИТОРИНГА ИОННЫХ ТОКОВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ
ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В.В. Смоленский
Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти, Россия
APPLICATION OF A METHOD OF SELF-ORGANIZING FOR
MONITORING IONIC CURRENTS IN CHAMBERS OF COMBUSTION
OF THERMAL ENGINES
V.V. Smolenskij
Volga region State University of Service, Togliatty, Russia
Повышение требований к количеству токсичных выбросов в составе
отработавших газов и наличию встроенной бортовой диагностики систем
автомобиля ведет к необходимости внедрения новых технических решений,
применяемых в электронных системах управления ДВС, с целью
обеспечения непрерывного контроля основных параметров сгорания
топливно-воздушной смеси (ТВС) непосредственно в камере сгорания (КС)
двигателя [1, 2]. Одной из таких технологий является так называемая
технология мониторинга ионного тока (МИТ) основанная на явлении
самоорганизации в стахостически распространяющемся пламени [3].
Первой фирмой, применившей технологию МИТ, стала шведская фирма
SAAB, использовавшая ее в серийном производстве в 1988 году для
определения фазы работы цилиндров двигателя. В этом направлении
работает также группа DELPHI, которая в 1996 году объявила о создании
системы управления ДВС, использующей технику МИТ для диагностики
пропусков воспламенения, управления по детонации и определения фазы
работы ДВС. На конференции SAE в 1999 году фирма BOSCH представила
свои идеи по использованию этой технологии для диагностики пропусков
воспламенения и детонации [4]. Над теоретическими исследованиями
зависимости ионной проводимости от различных параметров рабочего
процесса ДВС, работает фирма MECEL в содружестве с Лундским
технологическим институтом (Швеция) [1]. Возможности метода развивают
фирмы Mitsubishi Electric Corp. (Япония) [5], Adrenaline research (США) [2] и
другие.
На практике мониторинг ионного тока проводят путем измерения
падения напряжения на измерительном резисторе, включенном в цепь
протекания ионного тока. Для возбуждения ионного тока обычно
используется положительное напряжение 150…400 В, приложенное к
центральному электроду свечи зажигания после окончания искрового
разряда, воспламеняющего ТВС. Такой метод удобен тем, что позволяет
отказаться от специального датчика ионного тока. Временная диаграмма
ионного тока, полученная таким образом, несет информацию о процессе
горения в цилиндрах ДВС. Эта зависимость подвергается обработке
электронной системой управления двигателем (СУД), которая управляет
исполнительными устройствами (топливоподачи, зажигания и т.п.).
Существует несколько схем возбуждения и измерения ионного тока,
каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.
В первом варианте, например, в системах, разработанных DELPHI,
Mecel, Bosch, Mitsubishi Electric Corp., напряжение возбуждения подается
между массой двигателя и низковольтным выводом вторичной обмотки
катушки зажигания с конденсатора, заряжаемого до напряжения 150-200 В.
Измеряемый ионный ток протекает через вторичную обмотку катушки и
искровой промежуток свечи зажигания. Так в системе Mecel (рисунок 1)
измерительное напряжение формируется однократно при каждой генерации
искрового разряда путем накопления заряда в емкости и ограничением
напряжения на ней стабилитроном. Измеряемый сигнал ионного тока
снимается в течение всего периода следования импульсов зажигания с
токоизмерительного
резистора,
включенного
в
цепь
разряда
вышеупомянутой емкости.
Используя данную схему, инженеры Mecel разработали концепцию
регулирования положения пика давления в КС по углу поворота коленчатого
вала. Поскольку величина ионного тока пропорциональна давлению в КС, то
пик давления и пик сигнала ионного тока совпадают по времени. Mecel
предлагают использовать схему измерения ионного тока для определения
положения пика давления в КС и использования этой информации в качестве
обратной связи.
В описанной схеме (рисунок 1) измеряемый ионный ток протекает через
вторичную обмотку катушки зажигания, что накладывает определенные
ограничения на величины сопротивления и индуктивности обмоток катушки
зажигания. Поэтому применяют либо емкостную систему зажигания с
соответствующей катушкой зажигания, либо индуктивную систему
зажигания с увеличенным (до 25А) током разрыва.
К этому же варианту относится и система фирмы Bosch, схема которой
представлена на рисунке 2 [4].
Система отличается тем, что имеет ограничитель длительности искры
(ОДИ). Во время накопления энергии в катушке зажигания и разряда в
искровом промежутке свечи зажигания ОДИ открыт. По истечении
определенного времени продолжительности искры ОДИ замыкает
первичную обмотку накоротко; искра заканчивается, а оставшаяся в катушке
энергия рассеивается. После непродолжительной паузы начинают измерения.
Система
содержит
маломощный
преобразователь
напряжения,
обеспечивающий уровень напряжения примерно 150 В. Сигнал ионного тока,
снимается в виде напряжения на измерительном резисторе Rm.
Преимущества системы: простота, низкая эрозия контактов, изменяемая
длительность искры, возможность много искрового зажигания, низкая
стоимость, контроль энергии искры.
Рисунок 1 – Система измерения ионного тока фирмы “Mecel”
К достоинствам можно отнести также хороший коэффициент
сигнал/помеха по ионному току, и неограниченное время измерения.
Инженеры фирмы Bosch предлагают использовать сигнал ионного тока в КС
ДВС для устранения детонации. Результаты их исследований показывают,
что точность обнаружения детонации таким способом довольно велика. В
отличие от датчика детонации, располагаемого в корпусе двигателя и
способного выдавать ошибочные сигналы при присутствии посторонних
шумов, свеча зажигания, как датчик ионного тока находится в
непосредственной близости от источника детонации и сигнал от такого
датчика не зависит от посторонних шумов. Однако сигнал сильно зависит от
расположения свечи в КС. При измерении детонации с помощью ионного
тока инженеры Bosch изучали спектры давления и ионного тока и отметили
высокую степень совпадения максимумов и минимумов кривых давления и
ионного тока.
UBat
ОДИ
свеча
зажигания
катушка
Контроллер
ЭСУД
Rm
ионный ток
Преобразователь
Рисунок 2 – Схема измерения ионного тока “Bosch”
На том же принципе работы основана и система, разработанная
Mitsubishi Electric Corp (рисунок 3).
UBat
Ионный ток
VT
свеча
Сигнал управления к.з.
Rm
ЭБУ
Сигнал
детонации
Сигнал
зажигания
Определение
формы
волны
Заряд
ФНЧ
СКТ
БПФ
Усилитель
напряжения
Источник
напряжения
Цепь измерения ионного тока
Рисунок 3 – Схема измерения ионного тока фирмы “Mitsubishi
Electronic Corp”.
Отличие состоит в том, что накопление энергии для создания
напряжения возбуждения ионного тока осуществляется отводом части
энергии, аккумулируемой в катушке зажигания. Во время разряда система
измерения ионного тока отключается от катушки зажигания.
При проведении опытов было отмечено, что количество импульсов
ионного тока, выделяемых во время детонации, связано с уровнем детонации.
Определение детонации в системах, использующих датчик виброускорений
(датчик детонации), затруднено в следствии шумов в диапазоне детонации.
Система выявляющая детонацию посредством подсчета импульсов
ионного тока, лишена этих недостатков. На рисунке 4 представлены сигналы
с датчиков давления и ионного тока.
Авторы отмечают хорошее отношение сигнал/помеха и высокую
достоверность измерения уровня детонации. К недостаткам такой системы
можно отнести то, что ионный ток протекает через вторичную обмотку
катушки зажигания, что накладывает на ее параметры дополнительные
ограничения.
Специалисты фирмы Adrenaline Research разработали систему измерения
ионного тока, применив ее к усовершенствованной системе зажигания с
двойной энергией, представленную на рисунке 5. Схема объединяет в себе
индуктивную и емкостную систему зажигания, что одновременно позволяет
обеспечить высокое напряжение и большой ток пробоя для улучшения
зажигания. После разряда цепи двойной энергии второй конденсатор
перезаряжается, обеспечивая высокое напряжение на электродах свечи при
измерении тока. Система обладает следующими достоинствами:
 малое время искрового разряда, присущее емкостным системам,
позволяет начать измерения ионного тока уже через 300 мкс после
пробоя искрового промежутка свечи зажигания в отличие от 1,5 – 3 мс,
для индуктивных систем;
 конденсатор большой емкости в цепи двойной энергии, используемый
для поддержания высокого тока искры, применяется также для
обеспечения возбуждающего напряжения, что обеспечивает стабильное
напряжение измерения, так как ионный ток имеет величину примерно
150 мА, а емкость может обеспечивать до 100 А для 3 мкс разряда в фазе
зажигания;
 низкое сопротивление вторичной обмотки катушки зажигания в
емкостной системе зажигания позволяет протекание через нее более
высоких токов при измерении ионного тока. Возможность приложения
высокого напряжения к свече зажигания обеспечивает хорошее
соотношение сигнал/помеха;
 использование одной цепи, как для высоковольтного разряда, так и для
измерений.
Выход ПФ с
ДДЦ
0
Y-Axis
5 град.
ДВМТ
Выход с ДДЦ
0
Счет
импульсов
детонации
0
Выход ПФ по
ионному току
0
Ионный ток
Рисунок 4 – Формы сигналов ионного тока и датчика давления в цилиндре
(ДДЦ) при детонации.
К недостаткам системы можно отнести необходимость выполнения
контакта между катушкой и свечой зажигания с достаточной проводимостью,
чтобы обеспечить протекание ионного тока, величиной 30…150 мА.
Во втором варианте выполнения систем возбуждения и измерения
ионного тока в КС напряжение возбуждения подают на высоковольтный
вывод вторичной обмотки катушки зажигания от специального источника
питания через развязывающие высоковольтные диоды или резисторы. К
такому типу относится система, разработанная Daihatsu Motor Co.,
показанная на рисунке 6.
Диод
30 кВ
VD
+
Первичный
источник
энергии
VD
C2
UBat
U
bat
Вторичный
источник
энергии
R
mes
+
Цепь
измерения
ионного тока
Рисунок 5 – Схема измерения ионного тока фирмы «Adrenaline Research»
катушка
Импульс зажигания
Электронный блок управления
Инжектор
Импульс
впрыска
VD1
Сигнал о
горении
Устр.1
Сигнал
детонации
Устр.2
ЦПУ
Силовой
трансформатор
VD2
Источник
напряжения
смещения
Усилитель
заряда
Ионный
ток
Свеча
Рисунок 6 – Схема измерения ионного тока фирмы « Daihatsu Motor Co»
После завершения разряда зажигания к центральному электроду свечи
зажигания прикладывается напряжение возбуждения ионного тока. Для
упрощения системы часть энергии, накопленной в катушке зажигания,
используется для создания напряжения возбуждения. Так как амплитуда
ионного тока, измеряемая в виде падения напряжения на измерительном
резисторе Rm, слишком мала для непосредственного измерения, то
напряжение усиливается в модуле мощности, интегрированном с усилителем
ионного заряда. Имеется возможность работы на бедной смеси путем
обнаружения нестабильности горения и регулирования отношения
воздух/топливо таким образом, чтобы держать это отношение на границе
появления нестабильности горения.
Преимуществами предлагаемого метода возбуждения ионного тока
являются простота технической реализации и легкость съема сигнала
ионного тока. Один из конструктивных вариантов реализации метода
включает в себя обычную индивидуальную катушку зажигания и проставку
со встроенным высоковольтным диодом и проходным конденсатором.
К недостаткам можно отнести усложнение программы управления
первичной обмоткой катушки зажигания, которая должна проводить
накопление заряда для искрового разряда, разряд, гашение остаточных
колебаний, возбуждение напряжения для измерения.
В настоящее время предлагаются СУД с обратной связью на основе
применения метода самоорганизации и анализа ионных токов в камере
сгорания. Технология измерения ионного тока, протекающего в искровом
промежутке свечи зажигания, размещенной в камере сгорания ДВС является
одной из самых экономически эффективных, простых и интенсивно
разрабатываемых.
Используя технологию измерения ионного тока с целью регулирования
рабочего процесса ДВС могут быть определены следующие параметры:
пропуски воспламенения; наличие или отсутствие детонации; угловое
положение пика давления в камере сгорания; фаза газораспределения; состав
топливовоздушной смеси.
Список литературы:
1. Lars Eriksson, Lars Nielsen. Closed Loop Cycle Ignition Control by Ion
Current Interpretation// Linkoping University Mikael Glavenius, Mecel AB. SAE
970854, 1997.
2. Eric N. Balles, Edward A. VanDyne, and Alexandra M. Wahl. In-Cylinder
Air/Fuel Ratio Approximation Using Spark Gap lonization Sensing// Kenneth
Ratton and Ming-Chia Lai Wayne State University, Adrenaline Research Inc. SAE
980166, 1998.
3. Developing of New Ion Current System for Combustion Process Control/
Morito Asano, Tecumo Cuma, Mitsunobi Caiitany, Manabu Takeutchy // Daihatsu
Motor Co. SAE 980162, 1998.
4. Ion Current Sensing for Spark Ignition Engines/ Jiirgen Forster, Achim
Gunther, Markus Ketterer, Klaus-JQrgen Wald// Robert Bosch GmbH. SAE 199901-0204, 1999.
5. The Application of Ionic Current Detection System for the Combustion
Condition Control/ Yutaka Ohashi, Mitsuru Koiwa, Koichi Okamura, и Atsushi
Ueda// Mitsubishi Electric Corp.
SAE1999-01-0550, 1999
6. Spark Advance Control Using the Ion Current and Neural Soft Sensors/
Hellring Magnus, Thomas Munther, Thorsteinn Rognvaldsson, Nicholas
Wickstrom// Halmstad University Christian Carlsson, Magnus Larsson, & Jan
Nytomt MecelAB. SAE 1999-01-1162, 1999.
Резюме
В статье рассмотрены вопросы применение метода самоорганизации
для мониторинга ионных токов в камерах сгорания тепловых двигателей.
Создание системы непрерывного безинерционного контроля основных
параметров сгорания ТВС непосредственно в камере сгорания двигателя,
основанной на явлении электропроводности в пламени, позволит обеспечить
выполнение норм ЕВРО-6.
Summary
In clause questions application of a method of self-organizing for monitoring
ionic currents in chambers of combustion of thermal engines are considered.
Creation of system continuous without the inertial the control of key parameters of
combustion ТВС is direct in the chamber of combustion of the engine, based on
the phenomenon electroconductivity in a flame, will allow to provide performance
of norms Euro-6.