RU2309334C1

RU2309334C1 - Method of supervision and control over combustion of the fuel in the internal combustion engine (ice) and the ionization sensor for realization of the method

Info

Publication number: RU2309334C1
Application number: RU2006100267/06A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Ахремочкин (RU); Олег Александрович Ахремочкин; Владимир Викторович Баринов (RU); Владимир Викторович Баринов; Павел Валентинович Ивашин (RU); Павел Валентинович Ивашин; Павел Валерьевич Коломиец (RU); Павел Валерьевич Коломиец; Александр Петрович Шайкин (RU); Александр Петрович Шайкин
Original assignee: Тольяттинский государственный университет
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-10-27

Abstract

FIELD: automobile industry; motor industry; methods and the devices for supervision and control over the processes of ignition and the fuel combustion in the internal combustion engines.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the systems of supervision and control over the processes of ignition and combustion of the fuel, in particular, to the systems of supervision and control over the processes of combustion of the hydrocarbon fuel in the combustion chambers of the internal combustion chambers of the ICE. The system for realization of the method of supervision and control over the fuel combustion contains: the combustion chamber, the piston, the spark plug, the metal bar - the positive electrode insulated from the combustion chamber - the negative electrode, the engine control electronic system (EKES), the fuel delivery spray jets. The ionization sensor contains the negative electrode - the combustion chamber and the positive electrode - the metal bar isolated from the combustion chamber and mounted in the area the most remote from the spark plug. The value of the ionic current defining intensity of the fuel burning off is compared to the value of the ionic current at α=1 and if the ratio of the ionic current values are out of the limits of 0.6-0.75, the command the system sends the command to change the fuel consumption through the spray jet. For realization of the method supervision and control over the fuel combustion the ionization sensor is mounted in the in the area the most remote from the spark plug in the combustion chamber. As gauging of the ionic current of the flame and comparison of the measured current with the value of the ionic current at α=1 it is exercised continuously during the ICE operation, then at any moment there is the information on the dynamics of the fuel burning off near to the wall of the combustion chamber remote from the spark plug. Because the speed of transmission of the data on the dynamics of the fuel burning off is determined by the speed of electrons motion in the flame, then the gauging results and comparison of the values of the current reflect the dynamics of the burning off practically instantaneously, that gives the chance to control efficiently the operational process with the purpose to provide of the minimum toxicity of the engine exhaust. The technical result of the invention is provision of the minimum concentration of the unborn hydrocarbons in the exhaust gases of the reciprocating engines of the interior combustion.

EFFECT: the invention ensures the minimum concentration of the unborn hydrocarbons in the exhaust gases of the reciprocating engines of the interior combustion.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к системам контроля и управления процессами воспламенения и сгорания топлива, конкретно к системам контроля и управления процесса сгорания углеводородного топлива в камерах сгорания ДВС.The invention relates to systems for monitoring and controlling the processes of ignition and combustion of fuel, specifically to systems for monitoring and controlling the process of combustion of hydrocarbon fuel in the combustion chambers of an internal combustion engine.

К настоящему времени для контроля воспламенения и сгорания топлива в топках металлургических печей, котельных установок, в форсажных камерах сгорания турбореактивных двигателей широко применяются системы, работа которых основана на измерении ионного тока пламени и сравнении замеренной величины с эталонным значением тока [1, 2, 3]. Появление ионного тока в пламени регистрируется практически мгновенно, а изменение его величины отражает изменение параметров горения - давления, температуры, турбулентности, состава смеси, степени его завершенности.To date, to control the ignition and combustion of fuel in the furnaces of metallurgical furnaces, boiler plants, in afterburner combustion chambers of turbojet engines, systems are widely used whose operation is based on measuring the ion current of the flame and comparing the measured value with the reference current value [1, 2, 3] . The appearance of an ion current in a flame is recorded almost instantly, and a change in its value reflects a change in combustion parameters - pressure, temperature, turbulence, mixture composition, and degree of completion.

Для измерения ионного тока в пламени наиболее часто применяются ионизационные датчики, в которых одним из электродов является изолированный от камеры сгорания металлический стержень, а вторым - масса камеры сгорания. Ионизационные датчики такого типа в системах автоматического контроля и управления процессов воспламенения и горения представлены на рис.158, 159 и 160 [1], стр.260-264 [2] и в [3].To measure the ion current in a flame, ionization sensors are most often used, in which one of the electrodes is a metal rod isolated from the combustion chamber, and the second is the mass of the combustion chamber. Ionization sensors of this type in automatic control systems for ignition and combustion processes are presented in Fig. 158, 159 and 160 [1], pp. 260-264 [2] and in [3].

Обсуждаемые способы содержат следующие операции: одновременно подается электрическое напряжение на электроды ионизационного датчика и на свечи зажигания запального устройства. Затем подается топливо и воздух или топливно-воздушная смесь (ТВС) в камеру сгорания или топку. Воспламенение ТВС приводит к формированию факела пламени. Пламя, омывая электроды ионизационного датчика, замыкает электрическую цепь, в которой возникает электрический ток, что свидетельствует о нормальном воспламенении и горении. При исчезновении ионного тока в электрической цепи датчика его цепь размыкается и проходит сигнал на прекращение подачи топлива.The methods discussed include the following operations: at the same time, voltage is supplied to the electrodes of the ionization sensor and to the spark plugs of the ignition device. Then fuel and air or fuel-air mixture (FA) is supplied to the combustion chamber or furnace. Ignition of fuel assemblies leads to the formation of a flame. The flame, washing the electrodes of the ionization sensor, closes the electric circuit in which an electric current occurs, which indicates normal ignition and combustion. When the ion current disappears in the sensor’s electrical circuit, its circuit opens and a signal passes to stop the fuel supply.

Основным недостатком рассмотренных способов и устройств является то, что они надежно и эффективно определяют наличие воспламенения и горения в камерах сгорания и топках, работающих при постоянном давлении, температуре, скорости и турбулентности потока ТВС и требуют новых разработок для применения таких систем с целью контроля и управления сжиганием топлива при минимальной токсичности отработавших газов (ОГ).The main disadvantage of the considered methods and devices is that they reliably and effectively determine the presence of ignition and combustion in combustion chambers and furnaces operating at constant pressure, temperature, speed and turbulence of the fuel assembly flow and require new developments for the use of such systems for the purpose of monitoring and control burning fuel with minimal exhaust emissions.

В условиях поршневых ДВС, когда воспламенение и сгорание топливно-воздушного заряда (ТВР) протекает в течение нескольких миллисекунд при меняющихся скоростях и турбулентности, изменении температуры ~ в 4 раза, давления ~ в 3,5-5 раз в настоящее время в качестве ионизационного датчика пытаются применять свечу зажигания [4, 5, 6]. При этом работы ведутся в направлении определения по изменению ионного тока состава смеси, протекания давления в камере сгорания и концентрации оксида азота.In the conditions of piston ICEs, when the ignition and combustion of the fuel-air charge (TWR) occurs for several milliseconds at varying speeds and turbulence, temperature changes ~ 4 times, pressure ~ 3.5-5 times now as an ionization sensor try to use a spark plug [4, 5, 6]. In this case, work is carried out in the direction of determining the composition of the mixture by the change in the ion current, the flow of pressure in the combustion chamber, and the concentration of nitric oxide.

Основным недостатком применения свечи зажигания в качестве ионизационного датчика является то, что ионный ток измеряется в небольшом объеме вблизи ее электродов [1, 2, 3]. В этом случае контроль протекания химических реакций сгорания возможен лишь в момент воспламенения и первоначальный период распространения пламени, пока пламя омывает электроды ионизационного датчика - это первый пик ионного тока, хемиионизация. Затем величина ионного тока снижается и к окончанию процесса сгорания появляется второй пик, так называемый постпламенный, обусловленный термоионизацией. И если по характеру протекания и изменению величины первого и второго пика ионного тока можно судить о составе смеси, давлении и концентрации оксида азота, то о контроле концентрации несгоревших углеводородов (СН) по этим сигналам судить невозможно.The main disadvantage of using a spark plug as an ionization sensor is that the ion current is measured in a small volume near its electrodes [1, 2, 3]. In this case, the control of chemical combustion reactions is possible only at the moment of ignition and the initial period of flame propagation, while the flame washes the electrodes of the ionization sensor - this is the first peak of the ion current, chemionization. Then the ion current decreases and towards the end of the combustion process a second peak appears, the so-called post-flame, due to thermal ionization. And if by the nature of the flow and the change in the magnitude of the first and second peak of the ion current it is possible to judge the composition of the mixture, pressure and concentration of nitric oxide, then it is impossible to judge these signals by controlling the concentration of unburned hydrocarbons (CH).

Считается общеизвестным [7], что концентрация несгоревших углеводородов определяется главным образом степенью завершенности химических реакций сгорания вблизи стенок камеры сгорания.It is considered well known [7] that the concentration of unburned hydrocarbons is determined mainly by the degree of completion of chemical combustion reactions near the walls of the combustion chamber.

Целью изобретения является обеспечение минимальной концентрации несгоревших углеводородов в отработавших газах поршневых двигателях внутреннего сгорания.The aim of the invention is to provide a minimum concentration of unburned hydrocarbons in the exhaust gases of reciprocating internal combustion engines.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе контроля и управления сгоранием топлива, включающем измерение и сравнение с эталонным значением ионного тока в пламени и регулирование подачи топлива, измерение и сравнение между собой величин ионного тока производят в зоне завершения сгорания топлива, поддерживая соотношение величины измеренного ионного тока к величине ионного тока при коэффициенте избытка воздуха α, равном единице, в диапазоне 0,6-0,75. При отношении величины измеренного ионного тока к величине ионного тока при коэффициенте избытка воздуха α, равном единице, большем 0,75, необходимо увеличение подачи топлива, а при значениях, меньших 0,6, - уменьшение количества топлива.This goal is achieved by the fact that in the known method of control and management of fuel combustion, including measuring and comparing with the reference value of the ion current in the flame and controlling the fuel supply, measuring and comparing the values of the ion current are performed in the zone of completion of the combustion of fuel, maintaining the ratio of the measured ion current to the ion current when the coefficient of excess air α equal to unity in the range of 0.6-0.75. When the ratio of the measured ion current to the value of the ion current with a coefficient of excess air α equal to unity greater than 0.75, an increase in fuel supply is necessary, and for values less than 0.6, a decrease in the amount of fuel.

Для осуществления предлагаемого способа контроля и управления сгоранием топлива в известном ионизационном датчике, содержащем изолированные друг от друга электроды, один из которых, отрицательный, - камера сгорания двигателя, второй, положительный, - изолированный от камеры сгорания металлический стержень, установлен в наиболее удаленной от свечи зажигания зоне камеры сгорания.To implement the proposed method for monitoring and controlling fuel combustion in a known ionization sensor containing isolated electrodes, one of which, negative, is the engine combustion chamber, the second, positive, is a metal rod isolated from the combustion chamber, installed in the farthest from the candle ignition zone of the combustion chamber.

Так как измерение ионного тока пламени и сравнение замеряемого тока с величиной ионного тока при α=1 производится непрерывно во все время работы ДВС, то в любой момент времени имеется информация о динамике выгорания ТВР вблизи стенки камеры сгорания, удаленной от свечи зажигания. В настоящее время считается общеизвестным, что концентрация несгоревших углеводородов в ОГ поршневых ДВС определяется главным образом динамикой выгорания в тонком слое у стенок камеры сгорания.Since the measurement of the ion current of the flame and the comparison of the measured current with the value of the ion current at α = 1 is carried out continuously during the entire operation of the internal combustion engine, at any time there is information about the dynamics of the TBR burnout near the wall of the combustion chamber remote from the spark plug. At present, it is generally accepted that the concentration of unburned hydrocarbons in the exhaust gas of piston ICEs is determined mainly by the dynamics of burnout in a thin layer near the walls of the combustion chamber.

Вследствие того, что скорость передачи информации о динамике выгорания определяется скоростью перемещения электронов в пламени, то результаты измерения и сравнения величин тока отражают динамику выгорания практически мгновенно.Due to the fact that the transmission rate of information on the dynamics of burning out is determined by the speed of movement of electrons in the flame, the results of measurements and comparison of current values reflect the dynamics of burning out almost instantly.

Следовательно, способ контроля и управления сгоранием топлива и ионизационный датчик для его осуществления соответствует критерию изобретения «новизна».Therefore, the method of monitoring and control of fuel combustion and the ionization sensor for its implementation meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнение решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».Comparison of the solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field made it possible to identify signs that distinguish the claimed solution from the prototype, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step" is met.

На фиг.1 показана схема системы для реализации предлагаемого способа контроля и управления сгоранием топлива и ионизационного датчика для его осуществления, на фиг.2 - экспериментальная зависимость концентрации несгоревших углеводородов от соотношения измеряемой величины ионного тока к ионному току при коэффициенте избытка воздуха, равном единице.Figure 1 shows a diagram of a system for implementing the proposed method of monitoring and controlling the combustion of fuel and an ionization sensor for its implementation, figure 2 - experimental dependence of the concentration of unburned hydrocarbons on the ratio of the measured value of the ion current to ion current with a coefficient of excess air equal to unity.

Система для реализации способа контроля и управления сгоранием топлива, как показано на фиг.1, содержит камеру сгорания 1, поршень 2, свечу зажигания 3, металлический стержень 4 - положительный электрод, изолированный от камеры сгорания - отрицательного электрода электронной системой управления двигателем (ЭСУД), и форсунки 6 подачи топлива.A system for implementing a method for monitoring and controlling fuel combustion, as shown in FIG. 1, comprises a combustion chamber 1, a piston 2, a spark plug 3, a metal rod 4 — a positive electrode isolated from a combustion chamber — a negative electrode by an electronic engine management system (ECM) , and fuel injector 6.

Ионизационный датчик, см. фиг.1 содержит отрицательный электрод - камеру сгорания 1 и положительный электрод - металлический стержень 4, изолированный от камеры сгорания и установленный в зоне, наиболее удаленной от свечи зажигания 3.The ionization sensor, see figure 1 contains a negative electrode - a combustion chamber 1 and a positive electrode - a metal rod 4, isolated from the combustion chamber and installed in the area farthest from the spark plug 3.

Пример работы: при приближении днища поршня 2 к верхней мертвой точке на свечу зажигания 3 подается электрическое питание высокого напряжения и между электродами свечи проскакивает электрическая искра, воспламеняющая топливно-воздушную смесь в объеме вокруг электродов свечи. От воспламенившегося объема пламя распространяется по свежей ТВС в камере сгорания. В процессе завершения сгорания фронт пламени, достигнув положительного электрода - металлического стержня 4, замыкает электрическую цепь между электродами ионизационного датчика, камерой сгорания 1 и металлическим стержнем 4, в которой появляется ионный ток. Величина ионного тока, характеризующая интенсивность выгорания ТВС, сравнивается в ЭСУД с величиной ионного тока при α=1 и, если отношение величин тока выходит за пределы 0,6-0,75, ЭСУД выдает команду на изменение расхода топлива через форсунку 6.Operation example: when the piston bottom 2 approaches the top dead center, a high voltage electric power is supplied to the spark plug 3 and an electric spark jumps between the spark electrodes, igniting the fuel-air mixture in the volume around the spark plug electrodes. From a flammable volume, the flame propagates through fresh fuel assemblies in the combustion chamber. In the process of completion of combustion, the flame front, having reached a positive electrode - a metal rod 4, closes the electric circuit between the electrodes of the ionization sensor, the combustion chamber 1 and the metal rod 4, in which the ion current appears. The magnitude of the ion current, which characterizes the burnup rate of the fuel assemblies, is compared in the ECM with the magnitude of the ion current at α = 1 and, if the ratio of the current values is outside the range of 0.6-0.75, the ECM gives a command to change the fuel consumption through the nozzle 6.

Проведенные экспериментальные исследования на одноцилиндровой установке ДВС и на двигателе ВА3-1111 подтвердили, см. фиг.2, что применение предлагаемого способа контроля и управления сгоранием топлива и ионизационного датчика для его осуществления позволяют обеспечить сжигание топлива при минимальной концентрации несгоревших углеводородов в ОГ ДВС.The conducted experimental studies on a single-cylinder ICE installation and on a VA3-1111 engine confirmed, see Fig. 2, that the application of the proposed method for monitoring and controlling the combustion of fuel and an ionization sensor for its implementation allows for fuel combustion at a minimum concentration of unburned hydrocarbons in the exhaust gas of the internal combustion engine.

Разработана документация для изготовления ионизационного датчика и системы контроля и управления для ее опытной эксплуатации в условиях экспериментального двигателя.The documentation has been developed for the manufacture of an ionization sensor and a control and management system for its trial operation in an experimental engine.

Литература:Literature:

1. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия, 1968.1. Stepanov E.M., Dyachkov B.G. Ionization in flame and electric field. M .: Metallurgy, 1968.

2. Лаутон Д.Ж. Электрические аспекты горения. М.: Энергия, 1976.2. Lauton D.J. Electrical aspects of combustion. M .: Energy, 1976.

3. Шайкин А.П., Русаков М.М., Егоров А.Г. и др. Способ контроля и управления сжиганием топлива и ионизационный датчик для его осуществления. Патент на изобретение РФ №2096690, Бюл. №32.3. Shaikin A.P., Rusakov M.M., Egorov A.G. et al. A method for monitoring and controlling fuel combustion and an ionization sensor for its implementation. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2096690, Bull. Number 32.

4. R.Reinmann, A.Saitzkoff, F.Mauss, "Local Air-Fuel Ratio Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No 970856, 1997.4. R. Reinmann, A. Saitzkoff, F. Mauss, "Local Air-Fuel Ratio Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No 970856, 1997.

5. A.Saitzkoff, R.Reinmann, F.Mauss, M.Glavmo, "In-Cylinder Pressure Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No 970857, 1997.5. A. Saitzkoff, R. Reinmann, F. Mauss, M. Glavmo, "In-Cylinder Pressure Measurements Using the Spark Plug as an lonisation Sensor", SAE Paper No. 970857, 1997.

6. Gerard W. Malaczynski and Michael E. Baker, "Real-Time Digital Signal Processing of lonization Current for Engine Diagnostic and Control", SAE Paper No 2003-03-1119.6. Gerard W. Malaczynski and Michael E. Baker, "Real-Time Digital Signal Processing of lonization Current for Engine Diagnostic and Control", SAE Paper No 2003-03-1119.

7. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./Ред. Н.А.Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - 497 с., ил, с.277-285.7. The formation and decomposition of pollutants in a flame: Per. from English / Ed. N.A. Chigir. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - 497 p., Silt, p. 277-285.

Claims

1. A method of monitoring and controlling the combustion of fuel by measuring and comparing with a reference value of the ion current in the flame and regulating the fuel supply, characterized in that the measurement and comparison of the values of the ion current is carried out in the zone of completion of fuel combustion, maintaining the ratio of the measured ion current to the value of the ion current with a coefficient of excess air α equal to unity, in the range of 0.6-0.75.

2. The method of monitoring and control of combustion according to claim 1, characterized in that when the ratio of the measured ion current to the value of the ion current with an excess air coefficient α equal to unity greater than 0.75, an increase in fuel supply is necessary, and at values less than 0 , 6 - reduction in the amount of fuel.

3. An ionization sensor containing two electrodes isolated from each other, one of which is an engine combustion chamber, characterized in that, in order to measure the ion current in the fuel combustion completion zone, a second electrode, a metal rod isolated from the combustion chamber, is installed in the zone of the combustion chamber farthest from the spark plug.