一种汽油机缸内喷水检测控制系统及其应用.pdf

本发明涉及一种汽油机缸内喷水检测控制系统及其应用，包括汽油机缸体，汽油机缸体内设有火花塞和喷水喷嘴，火花塞连接点火装置，还包括高压硅堆、电压组件、自适应电阻、信号处理装置和微处理器，电压组件施加电压，在火花塞与汽油机缸体之间形成定向电场，汽油机缸体内燃烧产生的离子产物定向移动形成离子电流，离子电流在自适应电阻体现为电压信号，电压信号经过信号处理装置送至微处理器，微处理器作出决策，控制喷水喷嘴进行动作。与现有技术相比，本发明通过对离子电流信号的幅值实现对喷水过程的实时在线检测与反馈控制，使喷水技术得到有效、及时控制，喷水控制信号与喷水动作执行同步，使燃烧过程达到最优化，控制灵敏、及时、准确。

1.一种汽油机缸内喷水检测控制系统，包括汽油机缸体(1)，所述的汽油机缸体(1)内
设有火花塞(3)和喷水喷嘴(2)，所述的火花塞(3)连接点火装置(4)，其特征在于，还包括高
压硅堆(5)、电压组件、自适应电阻(8)、信号处理装置(9)和微处理器(10)，所述的火花塞
(3)依次与高压硅堆(5)、电压组件、自适应电阻(8)连接，所述的喷水喷嘴(2)依次与微处理
器(10)、信号处理装置(9)、自适应电阻(8)连接，
工作时，所述的电压组件施加电压，在火花塞(3)与汽油机缸体(1)之间形成定向电场，
在定向电场作用下，汽油机缸体(1)内燃烧产生的离子产物定向移动形成离子电流，离子电
流经自适应电阻(8)产生电压信号，再经过信号处理装置(9)送至微处理器(10)，微处理器
(10)处理并做出决策，控制喷水喷嘴(2)进行动作。
2.根据权利要求1所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的微处
理器(10)具体控制步骤为：
(a)采集离子电流信号，计算得到离子电流极值I_max及离子电流极值相位θ_Imax；
(b)将I_max与设定值I_设定比较，若I_max小于I_设定且差值超过设定阈值，则判断喷水喷嘴(2)
发生故障，若差值小于设定阈值，进入步骤(c)，所述的设定阈值为4-8μA；
(c)将θ_Imax与设定值θ_I设定比较，若θ_Imax小于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻推迟，若θ_Imax
大于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻提前。
3.根据权利要求1所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的电压
组件包括升压装置(6)和蓄电池(7)，升压装置(6)与蓄电池(7)并联。
4.根据权利要求3所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的蓄电
池(7)的电压为12V或48V，经升压装置升压后，所述的电压组件输出的电压为60-90V。
5.根据权利要求1所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的自适
应电阻(8)采用电阻变化精度小于0.1％的高精度电阻，通过微处理器的调节在不同工况下
实现100kΩ至1MΩ的自适应调节。
6.根据权利要求1所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的信号
处理装置(9)包括将μA级别信号通过转换处理成0-10V模拟信号的高增益放大器以及将信
号平顺的带通滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种汽油机缸内喷水检测控制系统，其特征在于，所述的高压
硅堆(5)隔离的电压超过2000V，其正向通过的压降不超过0.3V。
8.一种如权利要求1所述的汽油机缸内喷水检测控制系统的应用，其特征在于，将该检
测控制系统应用于汽油机缸内喷水的在线控制。

一种汽油机缸内喷水检测控制系统及其应用

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种汽油机缸内喷水检测控制系统及其应
用。

背景技术

国际国内节能减排日趋严格，小排量增压汽油机得到大力推广与应用，有效降低
了交通领域燃油消耗与污染物排放，但随着缸内燃烧强度的增加，诸如爆震、超级爆震等非
正常燃烧现象对汽油机燃烧稳定性与耐久性提出更高要求。为了有效控制高增压、高负荷
带来非正常燃烧现象，缸内喷水技术逐渐得到国内外研究机构与整车厂的重视。缸内喷水
技术是在汽油机燃烧前喷水，可有效降低缸内温度，抑制非正常燃烧，通过喷水技术实现不
推迟点火时刻、不采用加浓当量比的燃烧策略，有效提高汽油机热效率，降低燃油消耗。

但值得注意的是，喷水过程需要做到精确控制，以避免水雾对燃烧火焰传播的影
响，且水与汽油不同，其对喷嘴的润滑作用较差，容易发生喷嘴故障，容易导致喷水控制信
号与喷水动作执行不同步，喷水技术得不到有效、及时的控制，燃烧过程不能达到最优化。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种汽油机缸内喷水检测控制系统
及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种汽油机缸内喷水检测控制系统，包括汽油机缸体，所述的汽油机缸体内设有
火花塞和喷水喷嘴，所述的火花塞连接点火装置，还包括高压硅堆、电压组件、自适应电阻、
信号处理装置和微处理器，所述的火花塞依次与高压硅堆、电压组件、自适应电阻连接，所
述的喷水喷嘴依次与微处理器、信号处理装置、自适应电阻连接，工作时，所述的电压组件
施加电压，在火花塞与汽油机缸体之间形成定向电场，在定向电场作用下，汽油机缸体内燃
烧产生的离子产物定向移动形成离子电流，离子电流经自适应电阻产生电压信号，再经过
信号处理装置送至微处理器，微处理器处理并做出决策，控制喷水喷嘴进行动作。

所述的微处理器具体控制步骤为：

(a)采集离子电流信号，计算得到离子电流极值I_max及离子电流极值相位θ_Imax；

(b)将I_max与设定值I_设定比较，若I_max小于I_设定且差值超过设定阈值，则判断喷水喷嘴
(2)发生故障，若差值小于设定阈值，进入步骤(c)，所述的设定阈值为4-8μA，随发动机负荷
大小改变；

(c)将θ_Imax与设定值θ_I设定比较，若θ_Imax小于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻推迟，若
θ_Imax大于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻提前。

步骤(c)中的θ_I设定是通过前期发动机标定工作确定的最佳喷水时刻下的离子电流
最大值曲轴转角，该值随发动机工况范围改变而变化，在完成标定工作后，实现对发动机全
工况最佳喷水时刻的MAP图准备；在发动机工作过程中，利用检测到的θ_Imax与保存在微处理
器中的θ_I设定的MAP图对比，若θ_Imax小于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻推迟θ_I设定-θ_Imax差值的
角度；若θ_Imax大于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻提前θ_Imax-θ_I设定差值的角度；若θ_Imax等于
θ_I设定，则不需调节下一循环的喷水时刻。

所述的电压组件包括升压装置和蓄电池，升压装置与蓄电池并联。

进一步地，所述的蓄电池的电压为12V或48V，经升压装置升压后，所述的电压组件
输出的电压为60-90V。

进一步地，所述的自适应电阻串联在电路中，该自适应电阻采用电阻变化精度小
于0.1％的高精度电阻，通过微处理器的调节在不同工况下实现100kΩ至1MΩ的自适应调
节，起到放大电压信号的作用。

进一步地，所述的信号处理装置包括将μA级别信号通过转换处理成0-10V模拟信
号的高增益放大器以及将信号平顺的带通滤波器。

进一步地，所述的高压硅堆隔离的电压超过2000V，其正向通过的压降不超过
0.3V，主要目的在于防止点火过程的高压点火信号进入离子电流采集系统从而导致系统损
坏。

本发明的工作原理：汽油机在燃烧过程，会因为化学电离与热电离而生成大量带
电的离子产物。化学电离主要由燃料燃烧化学作用产生的电离，这些离子通常处于较不稳
定状态，不同离子会随着燃烧反应的进行相应改变，该阶段的离子电流主要受燃料化学性
质及化学反应路径的影响，其主要化学反应式如下：

CH+O→CHO⁺+e^- CHO⁺+H₂O→H₃O⁺+CO

与化学电离不同，热电离主要发生在燃烧后期，此时缸内温度很高，热运动导致缸
内离子的形成，该阶段形成的离子主要为诸如NO和PM在内的大颗粒带电物质，其主要化学
反应如下：

式中M主要是指NO和PM，E^ion为热基团。

通过对汽油机气缸加载电压，在火花塞与汽油机缸体之间形成定向电场，燃烧过
程生成的上述离子将会在外加电场下定向运动并形成离子电流，通过离子电流信号幅值来
实时检测缸内喷水喷嘴的工作状态，实现缸内喷水喷嘴的在线诊断。缸内水含量的改变会
对H₃O⁺水合离子浓度产生影响并反应在离子电流信号中，离子电流信号具备同时反映缸内
喷水与燃烧过程的能力，基于对离子电流的检测和分析，将能够获得喷水与燃烧状态信息，
实现对喷水过程的在线诊断与喷水及燃烧过程优化。

离子电流信号相关特征参数主要有离子电流极值I_max和离子电流极值相位θ_Imax，
不同循环喷水量下的缸内水蒸气含量发生改变，影响I_max和θ_Imax参数，可以通过对I_max和θ_Imax
参数的提取与分析实现喷水和燃烧过程的反馈控制，具体为，气缸燃烧、喷水后，对离子电
流信号进行采集并输送至微处理器；微处理器通过A/D转换后，对采集到的离子电流信号进
行数字信号处理，计算得到离子电流极值I_max及其相位极值θ_Imax，将I_max与设定值I_设定比较，
若I_max小于I_设定且差值超过设定阈值(4-8μA)，则报警提示缸内喷水喷嘴可能故障，若差值小
于设定阈值，则进一步判断离子电流极值相位θ_Imax，将其与微处理器中事先通过标定工作
获得的最佳θ_I设定MAP图对比，若θ_Imax小于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻推迟θ_I设定-θ_Imax差值
的角度，若θ_Imax大于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻提前θ_Imax-θ_I设定差值的角度，从而确保喷
水与燃烧过程的最优化。

本发明通过对离子电流信号的幅值实现对喷水过程的实时在线检测与反馈控制，
使喷水技术得到有效、及时的控制，喷水控制信号与喷水动作执行同步，使燃烧过程达到最
优化，控制灵敏、及时、准确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为缸内压力、离子电流信号和喷水信号示意图；

图3为喷水工况与不喷水工况的离子电流信号对比图；

图4为离子电流特征参数定义图；

图5为本发明的喷水过程检测控制过程示意图；

图中：1-汽油机缸体；2-喷水喷嘴；3-火花塞；4-点火装置；5-高压硅堆；6-升压装
置；7-蓄电池；8-自适应电阻；9-信号处理装置；10-微处理器。

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。

实施例1

一种汽油机缸内喷水检测控制系统，参照图1，包括汽油机缸1、汽油机缸体1内设
有火花塞3和喷水喷嘴2，火花塞3连接点火装置4，还包括高压硅堆5、升压装置6与蓄电池7
组成的电压组件、自适应电阻8、信号处理装置9和微处理器10，蓄电池7的正负极与直流升
压装置6的正负极对应相连，直流升压装置将蓄电池12V电压提升至60V可调，升高后的电压
经过高压隔离硅堆5、火花塞3与汽油机缸体1连接到自适应电阻8，离子电流信号在自适应
电阻8中体现为电压信号后传输至信号处理装置9进行诸如信号调理和放大运算，然后将信
号传递至微处理器10，微处理器10对该电压信号处理并作出决策，输出信号控制喷水喷嘴2
进行动作。

图2为采用缸内喷水技术的汽油机缸内压力、离子电流与喷水信号的对比图，该图
是在汽油机转速1500r/min，循环喷油量46.7mg，点火定时上止点前30°CA，喷水定时上止点
后10° A的工况下得到的，从试验结果可以看到，喷水后的离子电流较喷水前显著增强，可
以通过离子电流信号幅值来实时诊断缸内喷水喷嘴的工作状态，实现缸内喷水喷嘴的在线
诊断(OBD)。图中，标出喷水与未喷水循环的缸内压力、离子电流及喷水信号，喷水信号可用
于区分喷水与未喷水循环，图中所示，喷水与未喷水循环下缸内压力区别极小，而离子电流
信号区别极大，印证使用离子电流实现缸内喷水过程检测的可行性。

图3为采用缸内喷水技术的汽油机缸内压力与离子电流在喷水与未喷水工况的对
比图，该图同图2，均是在汽油机转速1500r/min，循环喷油量46.7mg，点火定时上止点前30°
CA，喷水定时上止点后10°CA的工况下得到的。从试验结果可以看出，喷水工况下缸内离子
电流与未喷水工况存在显著差异，离子电流信号变化率显著提高，峰值相位增加并提高。
H₃O+离子浓度会因为喷水带来的水蒸气浓度增加而增加，作为离子电流信号的主要离子产
物，H₃O+离子的增加使得喷水工况下的离子电流得到提高。图中，标出喷水与未喷水循环的
缸内压力与离子电流信号平均值，再次佐证了使用离子电流实现缸内喷水过程检测的可行
性。

图4显示了离子电流信号的相关特征参数，主要有离子电流极值I_max和离子电流极
值相位θ_Imax，不同循环喷水量下的缸内水蒸气含量发生改变，影响I_max和θ_Imax参数，可以通过
对I_max和θ_Imax参数的提取与分析实现喷水和燃烧过程的反馈控制。

在采用缸内喷水技术的汽油机燃烧过程使用该系统，图5为喷水过程检测控制过
程示意图，离子电流信号相关特征参数主要有离子电流极值I_max和离子电流极值相位θ_Imax，
不同循环喷水量下的缸内水蒸气含量发生改变，影响I_max和θ_Imax参数，可以通过对I_max和θ_Imax
参数的提取与分析实现喷水和燃烧过程的反馈控制，具体为，气缸燃烧、喷水后，对离子电
流信号进行采集并输送至微处理器；微处理器通过A/D转换后，对采集到的离子电流信号进
行数字信号处理，计算得到离子电流极值I_max及其相位极值θ_Imax，将I_max与策略值即设定值
I_设定比较，若I_max小于I_设定且差值超过设定阈值(4-8μA)，则报警提示缸内喷水喷嘴可能故障，
若差值小于设定阈值，则进一步判断离子电流极值相位θ_Imax，将其与微处理器中事先通过
标定工作获得的策略值即最佳θ_I设定MAP图对比，若θ_Imax小于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻
推迟θ_I设定-θ_Imax差值的角度，若θ_Imax大于θ_I设定，则将下一循环的喷水时刻提前θ_Imax-θ_I设定差值
的角度，从而确保喷水与燃烧过程的最优化。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发
明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施例做出各种修改，并把在此说明的一
般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，
本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发
明的保护范围之内。