基于缸内离子传感技术的发动机实时转矩估计

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1、成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集基于缸内离子传感技术的发动机实时转矩估计1221董光宇，于水，张旭升，李理光（1.同济大学汽车学院，上海2000922.上海交通大学机械及动力工程学院，上海200030）摘要：本文提出了一种基于缸内离子传感技术的发动机转矩估计方法。通过对发动机缸内燃烧生成离子电流的时域及频域分析，探讨了燃烧离子电流与发动机指示转矩之间的关系。试验结果表明，在时域上，经20个连续工作循环平均的离子电流信号，其第二峰的大小与位置对发动机指示转矩具有良好的

2、对应关系；在频域上，分别对同一转矩下和不同转矩下的燃烧离子信号进行了傅立叶变换，其基频下的幅值与转矩对应关系明显，并且采用频域分析的方法进行发动机转矩估计具有更好的精度和实时性。关键词：发动机；转矩估计；缸内离子检测技术；傅立叶变换[4]1引言时等发动机工作参数。离子电流信号的采集装置极为简单，在汽油机上可将火花塞直接作为传感器直发动机指示转矩的实时估计对于传统发动机动接加以应用而不需要任何附加设备。因此，离子电力总成的闭环控制、发动机的在线诊断以及混合动流传感技术是一种鲁棒性好、成本低廉的发动机燃[1]力

3、汽车多动力源间的动态切换及协调等方面具有烧传感技术。本研究的内容即采用这一技术对发动非常重要的意义。目前，国内外就发动机指示转矩机的指示转矩加以估计。通过在时域和频域上的对的在线估计已经提出了多种方法，主要的有缸压估信号进行特征提取，得出了离子电流信号与指示转计法和曲轴转速波动估计法。但是，这两种方法各矩之间的对应变化关系。在时域上，通过对离子电有其局限性。采用气缸压力传感器可以对转矩加以流信号中两个峰值的位置及对应的幅值这四个参实时和准确地估计，但由于目前传感器成本高,耐用数，得到了离子电流信号随转矩的变

4、化关系；在频性差，以及发动机安装空间的限制，所以难于直接域上，则对经傅立叶变换后的离子电流信号的基频将其安装于车载发动机上来执行控制或诊断任务幅值随转矩的变化加以了分析和估计。同时，本研[2]。利用曲轴位置传感器，通过软件方法间接估计气究也对这两种转矩估计方法进行了对比和分析。缸压力以及指示转矩，则可以避开上述问题。但这种方法所采用的模型较为复杂，并且在实际中由于2试验装置及检测原理测量噪声的存在会产生较大的估计误差；另外，由于路面不平和发动机附件引起的振动也降低了转矩2.1离子电流的产生机理及检测[3]估

5、计精度。化学电离理论认为，有机物在燃烧中的高温电针对上述发动机指示转矩估计方面所存在的问离过程由数千个化学反应步骤组成，并形成碳氢游题，本文提出了一种基于发动机缸内燃烧离子传感离基CH、CH和CH3，然后部分游离基与激发态氧[5]技术的转矩实时估计方法。在发动机工作过程中，反应生成正离子和电子。总体上，整个有机物燃烧混合气燃烧所生成的离子，如经适当的直流偏置电电离过程可以根据不同时刻内的离子形成机制分为压，就会定向迁移并形成离子电流。经采集后的离两个主要阶段。第一个阶段内为火焰前锋期，在这子电流信号的大小可

6、以表征燃烧瞬时的离子浓度，一时期内有剧烈的化学反应发生，随着火焰前锋通从而对燃烧过程加以反馈。目前，离子电流传感技过离子电流探针，反应所产生大量离子的浓度首先术已经被成功用于车载发动机的爆震和失火探测达到峰值,然后随着火焰前锋的转移而减少。在该阶中。同时，利用离子电流信号对发动机缸内燃烧过段内自由离子的产生主要是由反应物的空燃比决定程进行精确定量分析的研究也在不断展开，包括缸的。内局部空燃比反馈、燃烧缸压峰值位置以及燃烧正第二个阶段为火焰后期，在该时期内，火焰前天津，2007年9月董光宇等：基于缸内离子传感

7、技术的发动机实时转矩估计60锋已离开火花塞，但气缸内的温度和压力由于燃料功机采用湘仪电涡流测功机。的燃烧放热而迅速升高。在高温高压作用下,气缸内混合气还会发生热电离，根据Zeldovich提出的反应3不同转矩下离子电流信号的时域特征机理，此时对自由离子产生起决定作用的是NO的浓度，而NO浓度主要是由此时缸内的温度决定的，1500在缸内压力达到最大时NO浓度达到最大，因此火1000焰后期离子电流与缸内放热率历程及压力变化历程500[6]具有很好的对应关系。10N.m(mv)0电压30N.m-50050N.m1

8、0MPC-1000050100150曲轴转角kAMP5A/D7图23000转/分下离子电流信号与转矩的对应关系图2为转速3000r/min下，20循环平均后的离子电流与转矩的对应关系，由图中可以看出，同一图1离子电流检测电路示意图转矩下，经20循环平均后，离子电流信号波形已经图1为离子电流的检测电路，离子电流检测电比较稳定，并且随着转矩的增大，离子电流信号对路由高压隔离电路、DC/DC电源电路及信号处理电应变化关