火花塞作为传感器的应用

在国内，早在上世纪90年代，西安交大就率先开展了利用火花塞作为传感器，通过离子流来监测发动机爆震和失火的研究，国际上已经在奔驰和宝马的实车上得到应用。即使在奔驰汽车上，其应用也不过仅限于爆震和失火监测，至于其他应用让我们拭目以待。

一、常规发动机缸内燃烧监测

汽车保持良好的动力性能、燃料经济性和较低的排放，关键是如何保证发动机有良好的燃烧状态。如果能有效地对缸内的燃烧过程及状态进行实时监测，那么就可以对发动机进行控制，使缸内燃烧保持或趋于最佳状态，从而能从根本上提高发动机的动力性、燃油经济性、污染物排放量。传统的监测发动机燃烧状态的方法主要有以下几种：

1　汽缸压力法

汽缸压力法是在缸盖上打孔将传感器深入到汽缸内直接测量汽缸内力的方法。通过测量缸内压力，计算平均指示压力(IMEP)，将此值与正常燃烧时的IMEP作比较，以确定燃烧状况。理论上，这种方法精度和灵敏度高、可靠性高。

但是由于燃烧室内工况恶劣，要求测量汽缸压力的传感器能耐高温、耐高压、抗震，传感器的安装往往需改造发动机的缸盖。给检测带来不便，同时安装压力传感器会影响发动机的运行。

2　缸体振动法

275发动机监测失火和爆震的方法相对比较传统，使用了爆震传感器，通过检测缸体的振动，可以判断爆震状况，从而对点火进行闭环控制。因为其没有办法对具体是哪一个汽缸发生了爆震进行正确的区分，对点火时间的调整缺乏针对性，其同样具有局限性。

3　曲轴转速检测法

为进行平稳运转控制，通过曲轴位置传感器对发动机平稳运转信号进行监测来获得汽车的加速度，然后使用综合方法对来自曲轴霍尔传感器的信号进行计算，从而检查各次点火是否精确一致。这就要求每次燃烧都必须在信号齿上产生一个特性加速度，如果存在燃烧点火不良，则下次点火之前，由于扭矩波动，信号齿转动会稍稍变慢，加速度就会有大的变动；如果ME进行平稳运转控制时检测到燃烧点火不良，则经过一定次数的燃烧点火不良之后，相应的喷油嘴不再被促动。

在经过不平路面时，曲轴位置传感器上会产生相似的虚假信号，误报发动机失火，所以在车上加装了路面不平传感器。但是在该传感器起效果时，ME也需要对该信号进行鉴别，受范围限制，所以该方法也不是很精确。

4　离子流法

研究机构利用给火花塞施加偏置电压，进而检查燃烧期间产生的离子流的大小，间接地监测到燃烧压力，从而获知发动机燃烧状态。

二、奔驰M275点火系统的组成及工作过程

点火系统组成和单缸点火系统分别如图1、图2所示。

点火系统ECI的主要功能为：

1　产生点火电压(交流电压)

点火模块的每个火花塞都有一个输出级，点火线圈布置在火花塞接头中。带振荡电路的输出级由约180V的输入电压产生点火电压，ME控制单元产生驱动脉冲。点火电压主要分两个步骤产生，首先晶体管TR闭合，180V直流电压被输送至次级线圈，然后晶体管TR断开，交流电压的负半波形产生，也被输送至次级线圈。

2　测量离子电流

点火火花阶段结束时有一个到离子电流测量的切换，火花塞上的离子电流在约23V的辅助电压帮助下进行测量，离子电流在ME控制单元中进行评估。这些信号用于检测高转速情况下燃烧的点火不良。

3　产生高压电

电源装置产生所需的两倍于180V和两倍于23V的电压。

受ECI电源装置额定功率55W的限制，根据发动机转速，最大火花燃烧时间为0.15-1.5ms。火花燃烧时间0.1ms通常足以确保点燃油气混合物。点火电压的快速升高使点火系统ECI对频繁冷启动导致的火花塞积炭不敏感。

三、离子流产生机理及测量方法

前文提到用测量汽缸压力的方法来了解燃烧情况，理论教材中一般用示功图的形式来表示，从示功图中我们能看到指示功(wi)、平均指示压力(IMEP)、最高燃烧压力及其对应的曲轴转角、压力升高率(Dp／Dt)等。

指示功是汽缸内完成一个工作循环所得到的有用功。指示功的大小可由示功图中闭合曲线所占的面积求得。指示功反映了发动机汽缸在一个工作循环中所获得的有用功的数量，它除了和热功转换的有效程度有关外，还和汽缸缸容积的大小有关。为了能更清楚地对不同工作容积发动机工作循环的热功转换有效程度作比较，引出了平均指示压力JMEP的概念。所谓平均指示压力是指单位汽缸容积一个循环所做的指示功。

平均指示压力是从实际循环角度评价发动机汽缸工作容积利用率高低的一个参数，IMEP越高，同样大小的汽缸容积可以发出更大的指示功，汽缸工作容积的利用程度越佳。平均指示压力是衡量发动机实际循环动力性能的一个很重要的指标，如图3所示。假定当检测到每次离子流的阀值压力为400kPa、电流为15mA时，判定为失火，根据一定时间内出现低于该阀值的次数，从而决定给该汽缸停止供油。

图4所示为汽油机展开示功图。图中虚线表示只压缩不点火的压缩线，在燃烧压力线上，A点为火花塞跳火点，B点为燃烧压力线脱离压缩压力线点，C点为最高压力点。燃烧过程的进行是连续的，为分析方便，按其压力变化的特征，可人为地将汽油机的燃烧过程分为3个阶段。

1　着火落后期

从火花塞跳火开始到形成火焰中心为止这段时间，称为着火落后期。如图中阶段1所示。从火花塞跳火开始到上止点的曲轴转角称为点火提前角，用θig。表示。火花塞跳火后，并不能立刻形成火焰中心，因为混合汽氧化反应需要一定时间，当火花能量使局部混合汽温度迅速升高，以及火花放电时两极电压在1.5万v以上时，混合汽局部温度可达2000℃，加快了混合汽的氧化反映速度。这种反应达到一定的程度(所需要时间约占整个燃烧时间的15％左右)时出现发光区，形成火焰中心。此阶段压力无明显升高。

着火落后期的长短与燃料本身的分子结构和物理化学性质、过量空气系数、开始点火时汽缸内温度和压力(取决于压缩比)、残余废气量、汽缸内混合汽的运动、火花能量大小等因素有关。

2　明显燃烧期

从火焰中心形成到汽缸内出现最高压力为止，这段时间称为明显燃烧期。图中为第2阶段。当火焰中心形成后，火馅前锋以20-30m／s的速度从火焰中心开始逐层向四周的未燃混合汽传播。直到连续不断扫过整个燃烧室。混合汽的绝大部分(约80％以上)在此期间燃烧完毕，压力、温度迅速升高，出现最高压力点C。最高压力点C出现的时刻对发动机功率、燃油消耗有很大影响。过早，混合汽点火早，使压缩功增加，热效率下降；过迟，燃烧产物的膨胀比减小，燃烧在较大容积下进

行，散热损失增加，热效率也下降。实践证明，最高压力出现在上止点后12-15。曲轴转角时，示功图面积最大，循环功最多。此时对应的点火提取前角为最佳点火捉前角。因而，可以通过调整点火提前角，使最高燃烧压力出现在适宜的位置。

当火焰在火花塞中心电极附近形成时，此区域发生剧烈的化学反应，混合汽发生大量的电离。这些离子的浓度随反应的进行达到峰值，然后随着火焰前锋的转移而减少，并保持在平衡态，表现在这一阶段的离子流的波形上有个峰值。由于汽缸内气流运动的影响，火焰前锋有时会在火花塞附近摆动，使离子流大小有时会有波动。

3　补燃期(后燃期)

从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是明显燃烧期火焰前锋扫过的区域，部分未燃饶的燃料继续燃烧；吸附在汽缸壁上的混合汽层继续燃烧；部分高温分解产物(H2、O2、CO等)，因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧、放热。由于活塞下行，压力降低，散热面积增大，使补燃期内燃烧放出的热量不能有效地转变为功。同时排气温度增加。热效率下降，影响发动机动力性和经济性。

火焰前锋已离开火花塞，这区域的化学反应基本结束，前面所提及的离子流达到了稳态浓度。但汽缸内的温度和压力由于燃料的燃烧放热而迅速升高，在高温高压作用下，NO会发生热电离生成NO+和自由电子。NO+增加，在缸内压力达到最大时，NO+浓度达到最大，其热电离产生的自由电荷浓度达到最大。然后随着做功冲程的进行，逐渐降到最低。

同样，离子流波形的形成通常也对应分为点火期、火焰前锋期、后火焰期，如图5所示。

在火花塞放电期，变压器次级线圈产生的点火高压对电容充电，当电容电压上升达到火花塞击穿电压时，火花塞跳火电容快速放电，火花塞间隙电压迅速下降到几百到几千伏，电容放电瞬间电流达10-50A以上，放电时间约1μs。点火电压越高(即点火能量越大)，放电电流越大。正常状况下，汽缸的混合汽就是在这一时刻点燃的。电压从1～2万V左右在1μs内突降至几百到几千伏，由此产生了一个很强的方波电压，并通过高压线辐射电磁波，对外界电器产生干扰波。

次级线圈放电，在中心点极和侧电极之间产生一个大电流，这与离子电流无关，一般可忽略。所以观察此时的离子流图，红色椭圆部分不加以考虑。

将示功图和离子流图合并，我们得到一个标准的压力、离子流对应于曲轴转角的关系图，如图6所示。

由图可见，电离子的多少和汽缸压力的关系大概是一致的，离子流最大时也相对于最大的汽缸压力，由此机理，工程师检测在发动机各工况下(爆震、失火)离子流的情况，如图7所示。从图7可以看出，对应的区域在爆震时，离子流的突变、压力的突变，正好提醒了爆震的产生。