汽油發(fā)動機(jī)爆震分析與控制

王 強(qiáng)

(牡丹江市公路管理站)

1 發(fā)動機(jī)爆震產(chǎn)生原因

汽車發(fā)動機(jī)是利用火花塞跳火將混合氣點(diǎn)燃，使火焰在混合氣內(nèi)不斷傳播進(jìn)行燃燒。如果點(diǎn)火時間過早或油品質(zhì)不好，火焰在傳播途中當(dāng)壓力異常升高時，一些部位的混合氣不等火焰?zhèn)鞯剑妥约褐鹑紵?，造成瞬時爆發(fā)燃燒，由此引起的氣體沖擊波沖擊汽缸壁產(chǎn)生金屬敲擊聲，這種現(xiàn)象稱為爆震。

爆震與點(diǎn)火時刻存在著密切關(guān)系。點(diǎn)火提前角越大，燃燒的最大壓力也越大，就越容易產(chǎn)生爆震(圖1中B點(diǎn))。爆震還與燃料抗爆性、噴油量、汽缸溫度、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等多種因素相關(guān)。

圖1 點(diǎn)火時刻與氣缸壓力曲線的關(guān)系

爆震并非僅僅有害。試驗(yàn)證明，發(fā)動機(jī)發(fā)出最大扭矩的點(diǎn)火時刻是在開始產(chǎn)生爆震點(diǎn)火時的附近，發(fā)生輕微爆震時燃油利用率最佳。曲線A為無燃燒時壓力曲線，曲線B為爆震出現(xiàn)時壓力曲線，曲線C為理想壓力曲線，曲線D遠(yuǎn)離無爆震，但效率不高。

2 汽油機(jī)產(chǎn)生爆震的危害

(1)由于汽油機(jī)產(chǎn)生爆震時產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，使活塞、連桿軸承和主軸軸承磨損加劇，造成軸承合金表層破壞。局部高溫、高壓易使活塞、氣門燒壞，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的動力，縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命。

(2)汽油機(jī)產(chǎn)生爆震時燃燒室內(nèi)部溫度高達(dá)3 000℃左右，壓力波和灼熱氣體對缸壁反復(fù)沖擊，破壞了缸壁等壁面的氣體附著層。高溫下的燃?xì)庀蚋妆诘缺诿鎮(zhèn)鳠嵩黾?，?dǎo)致氣缸等零件的溫度過高，造成發(fā)動機(jī)溫度過熱，嚴(yán)重時使活塞頂部燒損。

(3)混合氣在缸內(nèi)“不正常燃燒”，使氣缸蓋燃燒室積炭過多，排氣管冒黑煙。燃燒室內(nèi)部高溫作用，使燃燒產(chǎn)物加速分解，嚴(yán)重時析出炭粒，游離炭粘附在氣缸壁、燃燒室、活塞頂、氣門頭上而形成積炭。由于積炭傳熱性較差，使缸蓋受熱不均勻而造成變形或裂紋。高溫積炭表面還會促使表面點(diǎn)火的產(chǎn)生，導(dǎo)致新的不正常燃燒，燃燒更加惡化，使發(fā)動機(jī)的功率及經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重下降。同時因冷卻損失增大，游離炭來不及還原為二氧化碳，其中一部分隨廢氣排出，形成排氣管冒黑煙，污染環(huán)境有害于民。

(4)爆震時會使發(fā)動機(jī)動力下降，增加油耗。在發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震時，局部區(qū)域的壓力和溫度很高，帶沖擊性的壓力波使一部分能量消耗在零件的變形和壓力波本身的反復(fù)振蕩上。燃燒產(chǎn)物的熱分解還要消耗一部分熱量，這些能量也不能回放利用。同時，由于傳給冷卻系統(tǒng)的熱量增多，做功的熱量進(jìn)一步減少。因此，爆震時動力下降、油耗上升。

3 爆震測試方法

3.1 測氣缸壓力法

壓力示功圖是爆震引起壓力振蕩的直接信號，故測量壓力時精度較高。測量時，選用頻響足夠高的傳感器，如壓電晶體傳感器、壓電陶瓷傳感器或光纖壓力傳感器等，可以精確、不失真地測得燃燒室中的壓力振蕩，測量的精度和靈敏度高，高轉(zhuǎn)速時有較高的信噪比，不會出現(xiàn)誤判，測量結(jié)果可以對爆震燃燒過程進(jìn)行更深入細(xì)致的分析。但使用現(xiàn)有的壓力傳感器，需要對氣缸蓋進(jìn)行較大的加工，傳感器成本高，壽命短，故這種方法目前主要用于實(shí)驗(yàn)性的研究。但不少專家預(yù)測，隨著對排放和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的提高，這種方法今后將得到廣泛應(yīng)用。

3.2 測燃燒噪聲法

用壓電傳感器測量噪聲的頻率，配以相應(yīng)的信號濾波處理系統(tǒng)和信號識別系統(tǒng)，如果發(fā)生爆震，則發(fā)動機(jī)固有的頻率聲級達(dá)到最大值，且爆震越強(qiáng)，該值越大。這種檢測方法成本低，傳感器壽命長，且檢測系統(tǒng)維修方便，但測量的精度、靈敏度更低，目前多用在增壓發(fā)動機(jī)上。

3.3 測機(jī)體振動法

當(dāng)發(fā)動機(jī)發(fā)生爆震時，氣缸內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力波沖擊缸蓋和缸壁，從而加劇了機(jī)體的振動，故測振動也可以判斷爆震。在機(jī)體或氣缸蓋上的合適位置上安裝振動(加速度)傳感器，測量由爆震時的壓力振蕩所引起的機(jī)體振動，調(diào)整傳感器和信號識別處理系統(tǒng)的頻帶，使其能覆蓋發(fā)動機(jī)爆震時的振動頻率(轎車發(fā)動機(jī)爆震頻率一般為5～10 kHz之間)，并在爆震發(fā)生時與之共振，并給出相應(yīng)的信號輸出。該方法目前被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的轎車發(fā)動機(jī)上，優(yōu)點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)簡單。成本低、維修方便，適合大量生產(chǎn)。

4 發(fā)動機(jī)爆震控制

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)爆震控制，為了使其在最惡劣的條件下，也不致產(chǎn)生爆震，其點(diǎn)火時刻均設(shè)定在爆震邊緣的范圍以內(nèi)，使其離開爆震界限并存在較大的余量。這樣勢必會降低發(fā)動機(jī)效率，使發(fā)動機(jī)輸出功率下降，燃料消耗增加。

現(xiàn)代發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)，由爆震傳感器檢測爆震強(qiáng)度，在產(chǎn)生爆震前，微機(jī)自動減少點(diǎn)火提前角，使點(diǎn)火時刻保持在爆震邊界曲線的附近，提高發(fā)動機(jī)的功率，降低燃料的消耗。

試驗(yàn)表明，當(dāng)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷低于一定值時，一般不出現(xiàn)爆震。這時不宜采用控制爆震的方法來調(diào)整點(diǎn)火提前角，可采用開環(huán)控制方案控制點(diǎn)火提前角。即，此時微機(jī)不再檢測分析爆震傳感器輸入信號，只按ROM中存儲的信息及有關(guān)傳感器控制點(diǎn)火提前的大小。顯然，要判斷在某一時刻究竟采用開環(huán)控制抑或閉環(huán)控制，可由微機(jī)對反映負(fù)荷的傳載器送來的信號進(jìn)行分析予以實(shí)現(xiàn)。

圖2 爆震反饋控制原理圖

圖3所示為發(fā)動機(jī)爆震控制系統(tǒng)原理圖。當(dāng)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震時，微機(jī)通過爆震傳感器的輸入信號和比較電路判別出發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震，并依據(jù)爆震強(qiáng)度輸入信號，由微機(jī)控制延遲點(diǎn)火提前角的大小。當(dāng)爆震現(xiàn)象消失時，微機(jī)恢復(fù)正常的點(diǎn)火提前角的控制。

當(dāng)微機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制時，其實(shí)際點(diǎn)火提前角的控制如圖4所示。當(dāng)任何一缸產(chǎn)生爆震時，微機(jī)立即減少一定的點(diǎn)火提前角。當(dāng)次缸依據(jù)點(diǎn)火順序再產(chǎn)生爆震時，同樣再減少點(diǎn)火提前角。以此類推，逐漸減少點(diǎn)火提前角。當(dāng)發(fā)動機(jī)不產(chǎn)生爆震時，則在一定時間內(nèi)，維持當(dāng)前的點(diǎn)火提前角。在此期間，若有爆震發(fā)生，也同樣減少點(diǎn)火提前角;若無爆震發(fā)生，則又逐漸地增大點(diǎn)火提前角，一直到產(chǎn)生爆震時，又恢復(fù)前述的反饋控制。

5 總結(jié)

強(qiáng)爆震對發(fā)動機(jī)有極大損害，而微爆震態(tài)燃油消耗最佳。利用爆震傳感器和控制手段，汽車電子控制系統(tǒng)可以同時達(dá)到避免強(qiáng)爆震和最佳燃油利用率目標(biāo)。發(fā)動機(jī)的多參數(shù)綜合控制可以監(jiān)控多種信號和工作狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)選擇最佳的控制策略，從而確保在任何情況下都能達(dá)到最佳控制。

圖3 點(diǎn)火提前角的控制

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