Control of the Combustion Process Parameters in ICE by the Ion Current Signals

This paper is devoted to control of the combustion processes in the internal combustion engines (ICE). It presents a method for estimation of the position of the peak pressure, the maximal pressure of the cycle and the air-fuel ratio based on the analysis of the integral characteristics of the ion current signals. The advantages of the proposed method are stability of the final result of the calculation to the influence from the cycle-to-cycle combustion parameter variations, stability to the changes in the parameters of the measuring probe during a long operation time and absence of restrictions on the wave form of the ion current. It also presents the results of the experimental testing of the developed method and its comparison with the conventional methods of analysis of the ion current and control of the combustion process parameters. The authors compared the efficiency and accuracy of the method using a combustion pressure sensor, based on the piezoelectric ceramics; the methods of the ion current analysis, based on detection of the thermal-ionization ion current peak; the method of the ion current analysis based on the integral characteristic of the ion current signal. The results of the experimental studies indicate a possibility of the use of the integral characteristic of the ion current signal for estimation of the combustion process parameters with the accuracy of the combustion pressure sensor based on the piezoelectric ceramics. The ion current measurement technology is cheaper than the piezoelectric ceramic sensors and can be widely applied in the serial engines.

двигатель внутреннего сгорания, процесс сгорания, электропроводность пламени, ионный ток, интегральная характеристика сигнала ионного тока, контроль параметров, угловое положение пика давления, internal combustion engine, combustion process, electrical conductivity of the flame, ion current integral characteristic of an ion current signal, control parameters, angular position of the peak pressure

1. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей // Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя. Москва - Свердловск: Машгиз, 1962. 271 с.

2. Соколик A. C. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 428 с.

3. Соколик A. C. Основы теории нормального сгорания в двигателях с искровым зажиганием // Сгорание в транспортных поршневых двигателях. М.: АН СССР, 1951. С. 37-56.

4. Брозе Л. Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1969. 345 с.

5. Воинов А. Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М.: Машиностроение, 1977. 277 с.

6. Технические средства диагностирования. Справочник. М.: Машиностроение, 1989. С. 330-378.

7. Галевко В. В., Гриб В. В., Шатров М. Г. Виброакустический контроль технического состояния ДВС и агрегатов автомобиля // Сб. трудов МАДИ (ГТУ). 2007. С. 287-289.

8. Кошкин В. Е., Луканин В. Н., Тольский В. Е. Методы измерения и экспериментального исследования шума и вибраций автомобильных двигателей. М.: НАМИ, 1961. 15 с.

9. Покусаев М. Н., Сибряев К. О., Шевченко А. В. Экспериментальное определение степени неравномерности вращения вала машинно-движительного комплекса судна пр. 1557 // Вестник АГТУ. 2008. № 2 (43). C. 140-144.

10. Патент РФ № 5064974/06, 27.01.1996. Прыгунов А. И. Способ оценки неравномерности работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания // Патент России № 2053491. 1996.

11. Вибрация энергетических машин. Справ. пособ. / Под ред. д-ра техн. наук проф. Н. В. Григорьева. Л.: Машиностроение, 1974. 434 с.

12. Гуринов А. С., Дудник В. В., Гапонов В. Л., Калашников В. В. Измерение крутящего момента на вращающихся валах // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. URL: http://ivdon.ru/maga-zine/archive/n2y2012/798/.

13. Климкин В. Ф., Папырин А. Н., Солоухин Р. И. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. Новосибирск: Наука, 1980. 205 с.

14. Гиль В. В. Оптические методы исследования процессов горения. Минск: Наука и техника, 1984. 126 с.

15. Reuss G. L. Combust and Flame. 1983. V. 49. N. 1-3. P. 207-219.

16. Eckbreth A. C., Sirignano W. A. Laser diagnostics for combustion temperature and species // Combustion science and technology book series 1996. Vol. 3.

17. Frederic A. Matekunas. Engine combustion control with ignition timing by pressure ratio management // SAE paper No. 1622939. 1986. P. 54-67.

18. Hubbard M., Dobson P. D., Powell J. D. Closed loop control of spark advance using a cylinder pressure sensor. Journal of Dynamic Systems // Measurement and Control. 1976. P. 414-420.

19. Powell J. D. Engine Control Using Cylinder Pressure: Past, Present, and Future // ASME J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 1993. Vol. 115. pp. 343-350.

20. Measuring Spark Plug with Integrated Cylinder Pressure Sensor. URL: www.kistler.com/mediaaccess/000- 697e-08.11.pdf

21. Overview of Fiber Optic Sensors. URL: www.bluerr.com/ papers/Overview of FOS2.pdf

22. Соколов А. Н., Яцеев В. А. Волоконно-оптические датчики и системы: принципы построения, возможности и перспективы // IGHTWAVE Russian Edition. 2006. № 4. С. 42-44.

23. Pressure measuring spark plug and sensor. URL: www.optrand.com/fliers/psiplug/20060201.pdf.

24. Белоусов Е. В., Савчук В. П., Штанько А. Д. Опыт создания оптоволоконных датчиков для индицирования рабочего процесса двигателей // Грузовик &:Строительно-дорожные машины, автобус, троллейбус,трамвай. 2007. № 12. С. 87-91.

25. Satzkoff A., Reinmann R., and Berglind T. An ionization equilibrium analysis of the spark plug as an ionization sensor. SAE paper 960337, 1996.

26. Calcote H. F. Ion and electron profiles in ames // 9th Symposium (International) on Combustion, 1963

27. Eriksson L., Nielson L. Ionization current interpretation for ignition control in internal combustion engines // Cont. Eng. Prac. 1997. 5 (8). P. 1107-1113.

28. Yoshiyama S., Tomita E., Mori M., Sato Y. Ion current in a homogeneous charge compression ignition engine // SAE paper 2007-01-4052, 2007.

29. Ивашин П. В., Рамазанов М. П., Твердохлебов А. Я., Шайкин А. П. О возможности оценки работы цикла двигателя внутреннего сгорания ионизационным зондом // Вектор науки ТГУ. 2012. № 4 (22). С. 165-168.

30. Будко А. Ю. Методы исследования и оптимизации процессов горения топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Дисс.. канд. техн. наук, ЮФУ,г. Таган-рог-г. Ростов-на-Дону, 2016, 149 с.

31. Lars Eriksson. Spark Advance Modeling and Control // SE-581 83 Linkoping, 1999.

32. Gao Z. et al. 2014. The correlation between the cylinder pressure and the ion current fitted with a Gaussian algorithm for a spark ignition engine fuelled with natural-gas-hydrogen blends // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering.

33. Axel Franke. Characterization of an Electrical Sensor for Combustion Diagnostics // Doctoral Thesis / Lund Reports on Combustion Physics, LRCP-80, 2002.

34. Kaiadi M. et al. 2008. Closed-Loop Combustion Control Using Ion-Current Signals in a 6-Cylinder Port-Injected Natural-gas Engine. SAE 2008-01-2453.

35. Zheng S. et al. 2014. Study on cycle-by-cycle variations of ion current integral and pressure in spark ignition engine // International conference on electronic and mechanical engineering and information technology, Harbin, Heilongjiang, People's Republic of China, 12-14 August 2011, New York: IEEE. P. 3404-3407.

36. Wu X. et al. 2008. Experimental investigation of the effect of electrodes on the ionization current during combustion // Energy and Fuels. 2008. N. 22. P. 2941-2947.

37. Ясников И. С., Ивашин П. В., Шайкин А. П. К вопросу о турбулентном распространении пламени в замкнутом объеме // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, Вып. 11. С. 39-43.