汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 王丙濤

1.引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震就是點(diǎn)火時(shí)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(shí)一些部位的混合氣不等火焰?zhèn)鞯骄妥约褐鹑紵斐伤矔r(shí)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。爆震現(xiàn)象不僅對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的危害，而且還制約汽油機(jī)壓縮比的提高，降低熱利用率，降低燃油經(jīng)濟(jì)率。因此防爆震可以獲得較好的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性以及延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)的原理

爆震控制系統(tǒng)通過爆震傳感器來檢測(cè)爆震信號(hào)，并通過一定的判斷算法對(duì)爆震進(jìn)行判別。通過檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作工程中每個(gè)氣缸的爆震強(qiáng)度，并根據(jù)爆震控制系統(tǒng)內(nèi)的爆震指標(biāo)修正下一個(gè)循環(huán)的點(diǎn)火提前來實(shí)現(xiàn)對(duì)爆震強(qiáng)度等級(jí)控制。爆震控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 爆震控制系統(tǒng)原理圖

一般傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制，為了使其不產(chǎn)生爆震無論在任何工況下，其點(diǎn)火時(shí)刻都設(shè)定在微爆震（爆震邊緣）的范圍以內(nèi)，這樣必然會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率降低，燃油消耗增加。試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震是在一定的負(fù)荷下發(fā)生的，一般中小負(fù)荷下不易發(fā)生爆震。尤其低負(fù)荷下，此時(shí)不適合采用控制爆震的方法來調(diào)整點(diǎn)火提前角，我們通常采用開環(huán)控制方案控制點(diǎn)火提前角。此時(shí)不用電控檢測(cè)爆震傳感器傳來的信號(hào)，只按照控制系統(tǒng)中存儲(chǔ)的相關(guān)信息及相關(guān)傳感器控制點(diǎn)火提前角的大小。我們?nèi)绾闻袛嘣谀骋粫r(shí)刻究竟采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，只要電子控制對(duì)各相關(guān)傳感器輸送過來的信號(hào)加以處理分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)控制。

圖2 爆震控制系統(tǒng)組成

圖3 爆震控制過程

3.發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

爆震控制系統(tǒng)由爆震傳感器，檢測(cè)電路，控制電路和執(zhí)行器組成，如圖2所示。在爆震發(fā)生時(shí)，能測(cè)出通過的原件聲波。壓電陶瓷片是爆震傳感器的主要元件，當(dāng)它受到機(jī)械震動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出電壓信號(hào)，只要處理結(jié)果確定發(fā)生爆震后，控制電路即根據(jù)給定的程序由執(zhí)行器推遲點(diǎn)火時(shí)間。沒有爆震發(fā)生就增加點(diǎn)火提前角使其接近微爆震，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大輸出功率，控制過程如圖3所示。

3.2 爆震控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

雖然在非爆震情況下爆震信號(hào)處理芯片的積分電壓大約為1V，但是在0.18～12V上下有微小的波動(dòng)，況且發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境決定其易受許多因素影響比如發(fā)動(dòng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、機(jī)械磨損、更換燃油、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化等，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況都會(huì)發(fā)生變化，甚至在同等級(jí)爆震強(qiáng)度時(shí)傳感器測(cè)得的信號(hào)大小也會(huì)發(fā)生變化。為了更加精確的判斷，下面我們選用一種能隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件改變的爆震判定的計(jì)算方法。

將臨界電壓值Xref設(shè)為連續(xù)N個(gè)(取為8)正常燃燒循環(huán)爆震信號(hào)處理芯片積分電壓平均值

式中x[N-m]表示各正常燃燒循環(huán)中心頻率下，爆震信號(hào)處理芯片對(duì)爆震信號(hào)積分后的電壓值。這樣每計(jì)算出一個(gè)循環(huán)的振幅值x[N]的N分之一，就減去最前面的x[1]/N，再加上本循環(huán)前的Xref，重新進(jìn)行計(jì)算，就可以不斷地更新Xref。在發(fā)動(dòng)機(jī)剛進(jìn)入某一穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)生爆震的幾率很小，所以剛開始的N個(gè)循環(huán)不必進(jìn)行爆震判斷，而是將其積分電壓N分之一相加，作為N個(gè)循環(huán)爆震信號(hào)處理芯片積分電壓平均參考值Xref。在N個(gè)循環(huán)之后，如果某一循環(huán)被判斷為爆震燃燒循環(huán)，則不進(jìn)行Xref的更新計(jì)算，下次燃燒循環(huán)積分電壓平均參考值沿用以前的Xref。爆震發(fā)生時(shí)，將芯片的積分電壓X與前面連續(xù)N個(gè)(取為8)正常燃燒循環(huán)的爆震臨界值Xref進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算k=X/Xref。

爆震控制系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 爆震控制系統(tǒng)程序流程圖

4.結(jié)果分析

根據(jù)以上程序在試驗(yàn)臺(tái)架上做發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，點(diǎn)火提前角以及轉(zhuǎn)速等進(jìn)行全面控制，驗(yàn)證該系統(tǒng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)爆震控制系統(tǒng)的實(shí)際效果。我們從發(fā)動(dòng)機(jī)的排放排放量來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。要盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒處于臨界的輕微爆震，只要通過爆震控制系統(tǒng)最大限度地增大點(diǎn)火提前角即可。針對(duì)目前的爆震控制系統(tǒng)的檢測(cè)判斷模型，可以實(shí)施一定的強(qiáng)化措施，即一方面增大基本點(diǎn)火提前角，另一方面適當(dāng)加大爆震臨界值。但是，在現(xiàn)在追求充分燃燒的同時(shí)，必須兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和安全性，不斷加強(qiáng)和完善控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確對(duì)爆震燃燒的控制。

圖5 中等負(fù)荷下HC排放比

圖6 中等負(fù)荷下CO排放對(duì)比

5.結(jié)論

強(qiáng)爆震對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有極大損害，而微爆震態(tài)燃油消耗最佳。利用爆震傳感器和以上控制策略，實(shí)驗(yàn)證明汽車電子控制系統(tǒng)可以同時(shí)達(dá)到避免強(qiáng)爆震和最佳燃油利用率目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性的作用。

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[3]劉永長(zhǎng).內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2008.