专利名称：在线测量车用汽油机废气再循环率的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车用汽油机废气再循环率的测量方法及其装置背景技术随着车辆增多、环境污染加剧，对发动机的排放要求日趋严格。我国即将采取欧II、欧III标准。这些苛刻的标准意味着必须从发动机本身来降低排放。与三元催化转换等方法相结合，废气再循环即EGR(Exhaust Gas Recirculation)将部分排气经冷却后引入燃烧室中，不仅可以降低HC、CO排放，而且可以降低NOx排放。但是过高的EGR率将导致燃烧不稳定，过少又不能达到降低排放效果。由于缺乏在线实时测量EGR率的手段，不能实现EGR率的闭环控制。
炭氢燃料在燃烧时产生离子，这些离子在加上适当的电压之后将形成一定强度的离子电流，电流大小反映了燃烧过程特性。利用火花塞或置于发动机中的离子电流传感器来检测离子浓度，从而了解燃烧特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用发动机火花塞离子电流与废气再循环率的关系在线测量车用汽油机废气再循环率及装置。
测量方法1、车用汽油机气缸内的火花塞点火后，炭氢燃料燃烧时产生离子；2、用直流偏置电压正向加在火花塞电极之间，使离子定向运动成为离子电流；3、再通过隔离电路、滤波电路、放大电路后送入计算机采样记录；4、根据理论推导和实验验证得出的废气再循环率与决定离子电流波形的离子电流峰值和离子电流波峰面积有明显的线性盯关性；5、利用火花塞的离子电流在线测量车用汽油机废气再循环率。
气缸内产生的离子源于两部分化学反应离子化和热离子化。前者主要为燃烧时化学反应过程中生成的各类自由基，主要为CHO+和H3O+，其中CHO+又很快生成H3O+，因此最终产物中以H3O+为主。化学反应离子浓度峰值位于火焰传播期。有关反应为
而后者是因燃烧迅速释放的热量导致反应物内部化学键破坏而产生的离子，主要为NO+对应的峰值与缸内压力，即上止点后15度左右，其反应为
生成的离子浓度可以由化学反应平衡常数来计算[CHO+]=k1[CH][O]k2[H2O]]]>[H3O+]=k2[CHO+][H2O]k3[e-]=k1[CH][O]k3[e-]]]>而在火焰传播期内正离子产物以H3O+为主，即[H3O+]≈[e-]，因此[H3O+]≈(k1[CH][O]k3)1/2...(5)]]>由上式可以看出，在火焰传播期内，引入EGR后，CH和O的浓度将同时降低，降低的幅度与EGR率成线性关系，因此最终产物中的正离子浓度与EGR率也为线性关系。
在火焰传播后期，以热离子化过程为主。从直觉上来看，采用EGR后，引入的废气使缸内气体热容增加，意味着混合气吸收相同的热量带来的温度变化要小于无EGR时的温度变化。热离子化反应(4)反应速率下降，生成的离子浓度降低，从而相应的离子电流变小。但从试验结果来看，这一部分的离子浓度变化相对于火焰传播期内较小。因此以后主要分析火焰传播期内离子电流大小与EGR率的关系。
离子电流大小与火花塞电极附近的正负离子浓度有关，由于在火焰传播期内反应物中正离子以H3O+为主，因此离子电流大小与[H3O+]成正比，从而也与EGR率成线性比例关系。
从等离子体理论、燃烧理论推导离子电流与热电离NO的关系。
在热力学平衡条件下，NO热电离方程式如下
式中Ei——电离能(9.25ev)NO 热电离的单次电离平衡常数可由沙哈方程(Saha’Eq)计算
ne-nNO+nNO=2(2πmeKTh2)32BNO+BNOexp[-EiKT]...(6)]]>式中ne-——电子密度1/cm3.
nNO+——NO+离子密度1/cm3.
nNO——NO分子密度1/cm3.
me——电子质量9.1095×10-31Kg.
h——普朗克常数6.6262×10-34JS.
K——玻尔兹曼常数1.3807×10-23J/K.
Ei——电离能9.25ev.
BNO+——NO+离子的分配函数.
BNO——NO分子分配函数(BNO=BNO+)[8].]]>在单次热电离平衡中ne-=nNO+...(7)]]>NO分子电离前的浓度ntot=ne-+nNO...(8)]]>引入电离度α的概念α=nNO+/ntot...(9)]]>因此nNO+=αntot...(10)]]>ne-=αntot...(11)]]>nNO=(1-α)ntot...(12)]]>设式(6)右边为n，则可得α2=nntotα-nntot=0...(13)]]>
α=nntot]]>(因α＜＜1，nntotα<<nntot]]>) (14)在火花塞两极上加上一定电压后，电子质量远小于NO+离子的质量(mNO+/me≈5.4×104),]]>因此在火花塞间隙电场中NO+离子迁移速度远小于电子的迁移速度，即认为火花塞离子电流的本质是电子移动而不是离子移动引起的[5]。
根据电流强度的定义可得火花塞离子电流强度i为i＝αntoteve(15)式中ve——电子迁移速度，与火花塞间隙、火花塞电极间所加的电压有关。
设火花塞电极面积为Scm2，则可得火花塞离子电流II=is=αntoteves]]>=nntotntoteves=nevesntot...(16)]]>即在相同的火花塞结构、火花塞两极间所加的电压(νe、S相同)，燃烧温度相同( 相同)的条件下，火花塞离子电流与热电离NO分子热电离前的浓度的平方根成正比。即I∝ntot]]>从上述研究结果可知离子电流与热电离NO的浓度有关，而热电离NO的浓度在EGR时主要取决于EGR率，因此离子电流与热电离NO的浓度存在相关性，在此基础上，用回归分析法分析大量实验数据得到线性相关结论。
为实施上述方法而专门设计的装置，包括相连接的火花塞和分电器，是在火花塞上并联一个依次连接的2个电阻和电源，设置一个依次连接的隔离电路、滤波电路、放大电路、单片机，隔离电路与2个电阻的连接处连接。
本发明由于利用火花塞中的离子电流大小在线实时测量EGR率，实现了EGR率的闭环控制，以降低NOx的排放，保证了气缸内燃烧稳定性，且价格低廉。
图1是本发明的离子电流测量设备线路原理示意图；图2是不同废气再循环率的离子电流波形示意图；图3是废气再循环率与离子电流峰值关系示意图；图4是废气再循环率与离子电流波峰面积关系示意图。
具体实施例方式
参照图1，为实施上述测量方法而专门设计的测量装置，是在车用汽油机气缸的火花塞1和分电器2的连接处，连接一个依次连接的电阻R1、R2和电源E，与火花塞1并联；在电阻R1、R2的连接处连接一个依次连接的隔离电路3、滤波电路4、放大电路5、单片机6，其中200--500V的直流偏置电压正向加在火花塞1电极之间，经隔离、滤波、放大后送入单片机采样记录。采样频率为10KHz。试验发动机的EGR率由一个步进电机驱动的线性比例阀控制，其开度由单片机输出PWM决定。在其他条件都不变的条件下，改变EGR率(0，5％、10％、15％、20％、25％等6个工况)，待发动机运行平稳后，连续测量100个循环的离子电流波形(测量时信号按采样时间记录，最后转换为对应的曲轴转角)。
图2为不同的EGR率下的离子电流波形，最上面的曲线是EGR率为0时离子电流输出，而最下面的曲线为EGR率为25％时离子电流输出。
EGR率与火焰传播期的离子浓度有关，在火焰传播期(即离子电流第一个峰值出现前后)对应的离子电流波形，归结为两个参量峰值的大小和相应波峰面积(即离子电流信号在曲轴转角-20到+10度与时间轴之间的面积)。由于燃烧循环间的波动，分析时采用100个循环的均值。
图3、图4为不同EGR(0，5％，10％，15％，20％，25％)下离子电流峰值及波峰面积与EGR率的关系。计算表明，EGR率与离子电流峰值的线性相关系数为0.9872，与离子电流波峰面积的相关系数为0.9923。因此在EGR率0到25％范围内，可认为离子电流峰值及波峰面积与EGR率线性相关。即可以看出EGR与离子电流峰值大小及相应的波峰面积有明显的线性相关性。因此可以利用离子电流在线测量EGR率，从而实现EGR闭环控制。为了减少测量误差，在具体应用时可以用Kalman滤波器来减少因测量误差和随机噪声等因素带来的影响。
权利要求
1.一种在线测量车用汽油机废气再循环率，其方法如下1)车用汽油机气缸内的火花塞点火后，炭氢燃料燃烧时产生离子；2)用直流偏置电压正向加在火花塞电极之间，使离子定向运动成为离子电流；3)再通过隔离电路、滤波电路、放大电路后送入单片机采样记录；4)根据理论推导和实验验证得出的废气再循环率与决定离子电流波形的离子电流峰值和离子电流波峰面积有明显的线性关系；5)利用火花塞的离子电流在线测量汽车废气再循环率。
2.为实施权利要求1而专门设计的装置，包括相连接的火花塞(1)和分电器(2)，其特征在于在火花塞(1)上并联一个依次连接的电阻(R1、R2)和电源(E)，设置一个依次连接的隔离电路(3)、滤波电路(4)、放大电路(5)、单片机(6)，隔离电路(3)与电阻(R1、R2)的连接处连接。
全文摘要
一种在线测量车用汽油机废气再循环率的方法及设备，车用汽油机气缸内的火花塞点火后，炭氢燃料燃烧时产生离子；用直流偏置电压正向加在火花塞电极之间，使离子定向运动成为离子电流；再通过隔离、滤波、放大电路后送入单片机采样记录；根据废气再循环率与决定离子电流波形的离子电流峰值和离子电流波峰面积的线性相关性，在线测量出车用汽油机废气再循环率。相连接的火花塞和分电器，是在火花塞上并联依次连接的2个电阻和电源，1个依次连接的隔离、滤波、放大电路及单片机，隔离电路与电阻的连接处连接。本发明在线实时测量车用汽油机废气再循环率，实现废气再循环率的闭环控制，以降低NO
文档编号G01M15/00GK1584540SQ20041002461
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月21日 优先权日2004年5月21日
发明者许沧粟 申请人:浙江大学