一種基于離子電流的柴油機(jī)燃燒控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于內(nèi)燃機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。一種基于離子電流的柴油機(jī)燃燒控制裝置，包括升壓模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和控制模塊，升壓模塊的輸入端連接有蓄電池，其輸出端與檢測(cè)模塊輸入端連接；檢測(cè)模塊輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接；信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，而控制模塊處理分析后將控制信號(hào)連接至柴油機(jī)的噴油器。柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中燃料會(huì)產(chǎn)生大量的活性離子，以離子電流探針為一級(jí)，缸體為另一級(jí)施加一個(gè)合適的直流電壓，則活性離子會(huì)在直流電壓的作用下運(yùn)動(dòng)并形成離子電流。由于該離子電流是在燃燒過(guò)程中形成，蘊(yùn)含著大量的燃燒過(guò)程信息?；趯?duì)離子電流的檢測(cè)和分析，將能夠獲得燃燒狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程控制。
【專利說(shuō)明】—種基于離子電流的柴油機(jī)燃燒控制裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及離子電流檢測(cè)裝置和燃燒控制方法，屬于內(nèi)燃機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，準(zhǔn)確地獲悉柴油機(jī)的燃燒狀態(tài)，并基于一定的策略進(jìn)行反饋控制，對(duì)提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都具有非常大的幫助。目前常見的柴油機(jī)燃燒過(guò)程檢測(cè)方法主要有以下兩種:
第一種是通過(guò)氣缸壓力傳感器。在氣缸內(nèi)安裝缸壓傳感器可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)缸內(nèi)工作過(guò)程的氣缸壓力，并以其為基礎(chǔ)信息，結(jié)合熱力學(xué)原理，通過(guò)計(jì)算和分析可以獲得燃燒放熱率、著火時(shí)刻、燃燒速率、最大爆發(fā)壓力等參數(shù)。基于這些信息和參數(shù)，可以進(jìn)一步采用相應(yīng)的閉環(huán)反饋控制策略。由于缸壓傳感器的成本較高和需要在柴油機(jī)上額外布置和安裝等問(wèn)題，這種檢測(cè)方法目前還僅限于在試驗(yàn)室中使用，在實(shí)際內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用還具有較大困難。
[0003]第二種是通過(guò)光纖傳感器。燃料在柴油機(jī)的缸內(nèi)進(jìn)行燃燒和放熱的過(guò)程中會(huì)生成CH、C2、CO和OH等中間態(tài)物質(zhì)和基團(tuán)，它們?cè)谌紵^(guò)程中會(huì)發(fā)出一系列的光譜，結(jié)合這些光譜信號(hào)的變化進(jìn)行分析，進(jìn)一步可以獲得著火時(shí)刻、燃燒始點(diǎn)及終點(diǎn)和缸內(nèi)空燃比等信息。該檢測(cè)方法與缸壓傳感器相比，成本相對(duì)較低；但是由于光纖傳感器在柴油機(jī)的高溫環(huán)境下使用，其需要采用一套額外冷卻裝置，這樣其使用和維護(hù)較為復(fù)雜；同時(shí)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)間久了以后，在缸內(nèi)會(huì)形成一定量的沉積物和積碳等，這些會(huì)影響到光纖傳感器的測(cè)量和使用，因此該方法也難以在內(nèi)燃機(jī)工程領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述兩種柴油機(jī)燃燒檢測(cè)方法的不足和實(shí)施的困難，開發(fā)一種新型的燃燒檢測(cè)方法是非常重要的。
[0005]本發(fā)明設(shè)計(jì)原理:柴油機(jī)在燃燒過(guò)程中燃料會(huì)產(chǎn)生大量的活性離子，以離子電流探針為一級(jí)，缸體為另一級(jí)施加一個(gè)合適的直流電壓，則活性離子會(huì)在直流電壓的作用下運(yùn)動(dòng)并形成離子電流。由于該離子電流是在燃燒過(guò)程中形成，蘊(yùn)含著大量的燃燒過(guò)程信息?；趯?duì)離子電流的檢測(cè)和分析，將能夠獲得燃燒狀態(tài)信息，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程控制。
[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)檢測(cè)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的離子電流檢測(cè)裝置，并結(jié)合一定的燃燒過(guò)程控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程控制。
[0007]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是:
一種基于離子電流的柴油機(jī)燃燒控制裝置，其特征在于，包括四個(gè)模塊:升壓模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和控制模塊，所述升壓模塊的輸入端連接有蓄電池，其輸出端與檢測(cè)模塊輸入端連接；所述檢測(cè)模塊輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，而控制模塊處理分析后將控制信號(hào)連接至柴油機(jī)的噴油器12。[0008]所述升壓模塊是由蓄電池1、電容2、電感線圈3、二極管4、功率mos管5、電流型PWM控制器6、線圈7、蓄能穩(wěn)壓電容8組成。連接關(guān)系是:蓄電池I的正極與電感線圈3相連，電池I的負(fù)極接地；電容2并聯(lián)在電池I的正負(fù)極之間；電感線圈3另一端與二極管4的陽(yáng)極相連，同時(shí)該端電感線圈3也與功率mos管5的漏極相連；功率mos管5的基極與電流型PWM控制器6連接，功率mos管5的源極與線圈7相連；線圈7的另一端接地；蓄能穩(wěn)壓電容8 一端接地，蓄能穩(wěn)壓電容8的另一端與二極管4的陰極相連。本升壓模塊的電路，可將蓄電池I的12V電壓最高可升至500V。
[0009]所述檢測(cè)模塊由離子電流探針11、可變電阻10、可變電阻9組成。連接關(guān)系:升壓模塊輸出的高壓送至電離子電流探針11，所述電離子電流探針11連接至柴油機(jī)活塞，同時(shí)柴油機(jī)活塞又與可變電阻10連接，可變電阻10的另一端與接地的可變電阻9相連。如此，可通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻9和可變電阻10的阻值來(lái)調(diào)節(jié)采集離子電流電壓的大小。
[0010]所述信號(hào)調(diào)理模塊包含電阻13、電容14、電阻15、電阻16、電阻17、運(yùn)算放大器18。連接關(guān)系是:檢測(cè)模塊通過(guò)其可變電阻10輸出至信號(hào)調(diào)理模塊，該可變電阻10的另一端同時(shí)與信號(hào)調(diào)理模塊中的拉低電阻13、濾波電容14和電阻15相連,而拉低電阻13和濾波電容14它們的另一端都接地；電阻15的另一端與運(yùn)算放大器18的負(fù)極輸入端相連，同時(shí)該端電阻15與電阻16相連，如此可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻15和電阻16的阻值比來(lái)調(diào)整信號(hào)放大比例，將采集到的離子電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理及放大。電阻16的另一端與ECU控制模塊19信號(hào)輸入端相連，運(yùn)算放大器18的正極輸入端與電阻17相連，電阻17的另一端接地，運(yùn)算放大器18的輸出端與ECU控制模塊19輸入端相連，ECU控制模塊19的另一輸出端與柴油機(jī)的噴油器12相連，通過(guò)采集到的離子電流信號(hào)，結(jié)合相應(yīng)控制邏輯對(duì)噴油器12進(jìn)行控制。
[0011 ] 所述控制模塊就是指E⑶控制模塊19。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)離子電流信號(hào)的檢測(cè)，完整和準(zhǔn)確地反映缸內(nèi)燃燒狀態(tài)信息，結(jié)合燃燒過(guò)程控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的控制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明中離子電流檢測(cè)裝置原理圖。
[0014]圖2為缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率、尚子電流信號(hào)和尚子電流積分值對(duì)比圖。
[0015]圖3為本發(fā)明的燃燒過(guò)程控制方法圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017]圖1是本發(fā)明中離子電流檢測(cè)裝置原理圖，該離子電流檢測(cè)裝置原理圖可分為四個(gè)模塊:升壓模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和控制模塊，所述升壓模塊的輸入端連接有蓄電池，其輸出端與檢測(cè)模塊輸入端連接；所述檢測(cè)模塊輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，而控制模塊處理分析后將控制信號(hào)連接至柴油機(jī)的噴油器12。
[0018]所述升壓模塊是由蓄電池1、電容2、電感線圈3、二極管4、功率mos管5、電流型PWM控制器6、線圈7、蓄能穩(wěn)壓電容8組成。連接關(guān)系是:蓄電池I的正極與電感線圈3相連，電池I的負(fù)極接地；電容2并聯(lián)在電池I的正負(fù)極之間；電感線圈3另一端與二極管4的陽(yáng)極相連，同時(shí)該端電感線圈3也與功率mos管5的漏極(Drain)相連；功率mos管5的基極(Gain)與電流型PWM控制器6連接，功率mos管5的源極(Source)與線圈7相連；線圈7的另一端接地；蓄能穩(wěn)壓電容8—端接地，蓄能穩(wěn)壓電容8的另一端與二極管4的陰極相連。本升壓模塊的電路，可將蓄電池I的12V電壓最高可升至500V。
[0019]所述檢測(cè)模塊由離子電流探針11、可變電阻10、可變電阻9組成。連接關(guān)系:升壓模塊輸出的高壓送至電離子電流探針11，所述電離子電流探針11連接至柴油機(jī)活塞，同時(shí)柴油機(jī)活塞又與可變電阻10連接，可變電阻10的另一端與接地的可變電阻9相連。如此，可通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻9和可變電阻10的阻值來(lái)調(diào)節(jié)采集離子電流電壓的大小。
[0020]所述信號(hào)調(diào)理模塊包含電阻13、電容14、電阻15、電阻16、電阻17、運(yùn)算放大器18。連接關(guān)系是:檢測(cè)模塊通過(guò)其可變電阻10輸出至信號(hào)調(diào)理模塊，該可變電阻10的另一端同時(shí)與信號(hào)調(diào)理模塊中的拉低電阻13、濾波電容14和電阻15相連,而拉低電阻13和濾波電容14它們的另一端都接地；電阻15的另一端與運(yùn)算放大器18的負(fù)極輸入端相連，同時(shí)該端電阻15與電阻16相連，如此可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻15和電阻16的阻值比來(lái)調(diào)整信號(hào)放大比例，將采集到的離子電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理及放大。電阻16的另一端與ECU控制模塊19信號(hào)輸入端相連，運(yùn)算放大器18的正極輸入端與電阻17相連，電阻17的另一端接地，運(yùn)算放大器18的輸出端與ECU控制模塊19輸入端相連，ECU控制模塊19的另一輸出端與柴油機(jī)的噴油器12相連，通過(guò)采集到的離子電流信號(hào)，結(jié)合相應(yīng)控制邏輯對(duì)噴油器12進(jìn)行控制。
[0021 ] 所述控制模塊就是指E⑶控制模塊19。
[0022]如此，在燃燒過(guò)程生成的離子電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器18放大后傳輸?shù)紼CU控制模塊19，同時(shí)ECU控制模塊19根據(jù)相應(yīng)的燃燒控制方法對(duì)噴油器12發(fā)出包含噴油時(shí)刻在內(nèi)的控制命令，從而達(dá)到控制燃燒過(guò)程的目的。
[0023]所述ECU控制模塊19，實(shí)時(shí)接收柴油機(jī)離子電流信號(hào)，進(jìn)行分析和計(jì)算，得到當(dāng)前燃燒過(guò)程的CA15tl ;對(duì)比當(dāng)前CA15tl與設(shè)定的最佳工作狀態(tài)下的CA15tlaim,若CA15tl小于CA15tlaim,則控制噴油器12在下一循環(huán)噴油時(shí)刻延遲，若CA15tl大于CA15tlaim，則控制噴油器12在下一循環(huán)噴油時(shí)刻提前，調(diào)整CA15tl向CA15tlaim靠攏，保證柴油機(jī)每個(gè)燃燒過(guò)程均處于最好的燃燒狀態(tài)。
[0024]柴油機(jī)燃燒過(guò)程生成的離子電流來(lái)源是源于化學(xué)電離和熱電離。化學(xué)電離是指在燃燒的初期，燃料逐漸發(fā)生分解，產(chǎn)生一些離子，但這些離子處于相對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)隨著燃燒反應(yīng)的繼續(xù)而形成新的離子，這一階段離子電流的生成受燃料的揮發(fā)性和分解性影響較大，其涉及的化學(xué)反應(yīng)如式所示:
熱電離是指在燃燒后期燃燒放熱量大，離子的形成受熱運(yùn)動(dòng)影響較大，并且形成的離子中大多與NO有關(guān)。這主要是由于NO發(fā)生電離所需要的活化能量是最小所致。這一階段的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
式中M主要是指NO，Eion為熱基團(tuán)。
[0025]如圖2所示為柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、瞬時(shí)放熱率、離子電流信號(hào)和離子電流積分值的對(duì)比圖，該圖是基于柴油機(jī)在1400r/min，每循環(huán)噴油量為16.5mm3，噴油定時(shí)為352° CA工況下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，燃料在352° CA噴入缸內(nèi)，經(jīng)過(guò)較短滯燃期后開始燃燒，缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)放熱率開始增大，同時(shí)離子電流開始生成，及離子電流積分值開始增大。整體而言，離子電流信號(hào)和瞬時(shí)放熱率形態(tài)相似，可用于表征柴油機(jī)的燃燒及放熱過(guò)程。
[0026]在柴油機(jī)研究和工程應(yīng)用中常用CA5tl來(lái)表征柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，其為達(dá)到總放熱量(即對(duì)瞬時(shí)放熱率進(jìn)行積分計(jì)算得到)的50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。本發(fā)明中利用離子電流信號(hào)來(lái)表征燃燒過(guò)程，定義了 CA15tl，其為達(dá)到離子電流積分值的50%所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。CA5tl和CA15tl的示意如圖2所示。
[0027]如圖3所示為燃燒過(guò)程控制方法示意，首先在柴油機(jī)的每個(gè)燃燒過(guò)程中，實(shí)時(shí)地檢測(cè)柴油機(jī)離子電流信號(hào)；同時(shí)離子電流信號(hào)被傳輸?shù)紼CU控制模塊19，并在ECU控制模塊19中進(jìn)行離子電流信號(hào)的分析和計(jì)算，得到當(dāng)前燃燒過(guò)程的CA15tl ;將當(dāng)前CA15tl與ECU控制模塊19中存儲(chǔ)的最佳工作狀態(tài)下的CA15tlaim對(duì)比，若CA15tl小于CA15tlaim,則ECU控制模塊19發(fā)出命令，使得噴油器12在下一循環(huán)噴油時(shí)刻延遲，以使下一循環(huán)柴油機(jī)的燃燒過(guò)程和CA150向最佳燃燒過(guò)程和CA15tlaim靠攏，從而保證柴油機(jī)每個(gè)燃燒過(guò)程均處于最好的燃燒狀態(tài)，反之亦然。
[0028]上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)該實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于離子電流的柴油機(jī)燃燒控制裝置，其特征在于，包括四個(gè)模塊:升壓模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和控制模塊，所述升壓模塊的輸入端連接有蓄電池，其輸出端與檢測(cè)模塊輸入端連接；所述檢測(cè)模塊輸出端與信號(hào)調(diào)理模塊輸入端連接；所述信號(hào)調(diào)理模塊輸出端與控制模塊輸入端連接，而控制模塊處理分析后將控制信號(hào)連接至柴油機(jī)的噴油器(12)； 所述升壓模塊是由蓄電池(1)、電容(2)、電感線圈(3)、二極管(4)、功率mos管(5)、電流型PWM控制器(6)、線圈(7)、蓄能穩(wěn)壓電容(8)組成:蓄電池(I)的正極與電感線圈(3)相連，電池(I)的負(fù)極接地；電容(2)并聯(lián)在電池(I)的正負(fù)極之間；電感線圈(3)另一端與二極管(4)的陽(yáng)極相連，同時(shí)該端電感線圈(3)也與功率mos管(5)的漏極相連；功率mos管(5)的基極與電流型PWM控制器(6)連接，功率mos管(5)的源極與線圈(7)相連；線圈(7)的另一端接地；蓄能穩(wěn)壓電容(8) —端接地，蓄能穩(wěn)壓電容(8)的另一端與二極管(4)的陰極相連； 所述檢測(cè)模塊由離子電流探針(11)、可變電阻(10)、可變電阻(9)組成:升壓模塊輸出的高壓送至電離子電流探針(11)，所述電離子電流探針(11)連接至柴油機(jī)活塞，同時(shí)柴油機(jī)活塞又與可變電阻(10)連接，可變電阻(10)的另一端與接地的可變電阻(9)相連；所述信號(hào)調(diào)理模塊包含電阻(13)、電容(14)、電阻(15)、電阻(16)、電阻(17)、運(yùn)算放大器(18):檢測(cè)模塊通過(guò)其可變電阻(10)輸出至信號(hào)調(diào)理模塊，該可變電阻(10)的另一端同時(shí)與信號(hào)調(diào)理模塊中的拉低電阻(13)、濾波電容(14)和電阻(15)相連，而拉低電阻(13)和濾波電容(14)它們的另一端都接地；電阻(15)的另一端與運(yùn)算放大器(18)的負(fù)極輸入端相連，同時(shí)該端電阻(15)與電阻(16)相連；電阻(16)的另一端與E⑶控制模塊(19)信號(hào)輸入端相連，運(yùn)算放大器(18)的正極輸入端與電阻(17)相連，電阻(17)的另一端接地，運(yùn)算放大器(18)的輸出端與E⑶控制模塊(19)輸入端相連，E⑶控制模塊(19)的另一輸出端與柴油機(jī)的噴油器(12)相連，通過(guò)采集到的離子電流信號(hào)，結(jié)合相應(yīng)控制邏輯對(duì)噴油器(12)進(jìn)行控制； 所述控制模塊就是指ECU控制模塊(19)。
【文檔編號(hào)】F02D41/30GK103899428SQ201410033145
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】李理光, 吳志軍, 胡宗杰, 康哲, 楊華, 張志強(qiáng) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)