汽油機(jī)爆震及其控制系統(tǒng)研究

張香月，楊璐璐，靳京（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽油機(jī)爆震及其控制系統(tǒng)研究

張香月，楊璐璐，靳京
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：基于近幾年來汽油機(jī)普遍注重提高性能而產(chǎn)生的爆震可能性增高的現(xiàn)象，文章主要從汽油機(jī)產(chǎn)生爆震的現(xiàn)象、原因、危害等幾個(gè)方面去論述產(chǎn)生這種爆震的成因及其預(yù)防和臺架控制方法。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)爆震；控制；危害；臺架標(biāo)定

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.024

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-63-04

引言

隨著近幾年來汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車人均保有量持續(xù)增加，各大公司及消費(fèi)者對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放越來越重視。為了提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，通常的方法是在原有基礎(chǔ)上增大點(diǎn)火提前角、增大壓縮比，但這些技術(shù)上的改進(jìn)在提高了性能的同時(shí)也大大的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的傾向。

爆震自燃產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)的火焰波會與正規(guī)燃燒的火焰波撞擊產(chǎn)生極大壓力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不正常的敲擊聲。它會使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p害氣缸壁及其他零件。本文將對爆震的產(chǎn)生原理及危害進(jìn)行分析，并提出汽油機(jī)爆震的控制方法。

1、汽油機(jī)爆震的機(jī)理

一般得到廣泛認(rèn)同的爆震產(chǎn)生的原因是：

汽油是以氣態(tài)與空氣混合形成可燃混合氣的，可燃混合氣在一定的溫度與壓力作用下，其中的碳?xì)湓优c空氣中的氧發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，并伴隨有放熱和發(fā)光的效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為燃燒。

當(dāng)火花塞跳火后，電極附近的混合氣溫度急劇升高，氧化反應(yīng)加快，釋放的熱量使氣體自身溫度提高，并傳給鄰近的混合氣，使其獲得足夠熱量進(jìn)行氧化反應(yīng)而提高溫度。當(dāng)火焰中心形成后，其前鋒以20~30 m/s的速度迅速向周圍混合氣逐層傳播，使大部分可燃混合氣在火焰?zhèn)鞑テ趦?nèi)平穩(wěn)燃燒完畢，并產(chǎn)生最高壓力。這種正常燃燒過程，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠獲得最大功率并使得工作平穩(wěn)。

在混合氣燃燒過程中，部分遠(yuǎn)離火焰中心的可燃混合氣，在正常火焰前鋒尚未到達(dá)之前，由于受到已燃混合氣的壓力和熱輻射作用使得溫度、壓力急劇升高，從而形成新的火焰?zhèn)鞑ブ行模?500~2500 m/s的速度使周圍未燃混合氣瞬間燃燒完畢。從而使氣缸內(nèi)壓力驟然上升，來不及平衡，由此形成高壓沖擊波，在氣缸內(nèi)反復(fù)反射，以很高的頻率不斷沖擊缸內(nèi)機(jī)件而發(fā)出尖銳的敲擊聲，強(qiáng)烈時(shí)會引起發(fā)動(dòng)機(jī)的震動(dòng)。這種燃燒過程屬“不正常的燃燒”，也就是發(fā)生爆震的根源。

2、爆震的危害

爆震中高速度的火焰?zhèn)鞑ヅc混合氣體的燃燒會使得氣缸中的壓力、溫度升得很高，壓力形成強(qiáng)烈的沖擊波，局部溫度可達(dá)4 000℃以上。在這種條件下，燃燒產(chǎn)物分解成CO、H2、O2、NO及游離C。

危害輕微的爆燃可加快燃燒過程，提高熱效率，因此對汽油機(jī)性能是有利的。但發(fā)生強(qiáng)烈爆燃時(shí)，強(qiáng)烈的壓力沖擊波反復(fù)撞擊缸壁，發(fā)出尖銳的敲缸聲頻率約為5 000Hz或更高)，破壞缸壁表面的附面層，使傳熱量增加，氣缸過熱，冷卻損失增加，功率減少，磨損加劇。且由于燃燒產(chǎn)物分解成CO、H2、O2等，熱效率下降，油耗率增加。

（1）降低發(fā)動(dòng)機(jī)硬件的使用壽命。由于強(qiáng)烈的壓力波沖擊，使氣體的附面層(燃燒室壁、活塞頂及氣缸壁系壁面上形成的一種氣體附面層)受到破壞，高溫氣體向這些零件的傳熱量大大增加，發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，潤滑油溫度升高，潤滑變壞，導(dǎo)致機(jī)件加速磨損，甚至造成活塞、氣門燒壞軸瓦、火花塞絕緣體破裂潤滑油氧化成酸質(zhì)，活塞環(huán)粘在活塞環(huán)槽內(nèi)等故障，應(yīng)盡量避免汽油機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈爆燃。

（2）經(jīng)濟(jì)性下降，油耗增加。強(qiáng)烈爆燃時(shí)，燃燒室內(nèi)局部溫度很高，可達(dá)4 000℃以上，燃燒物分解成CO、H2、O2、NO及游離C等。游離碳在氣缸內(nèi)很難再燃燒，這就是爆震燃燒時(shí)排出黑煙的原因。

（3）在一定條件下，強(qiáng)烈的爆燃還能在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生許多熾熱點(diǎn)，在電火花點(diǎn)火之前點(diǎn)燃可燃混合氣引起早燃。

（4）爆燃時(shí)的不正常燃燒及高溫促使形成大量積碳，可能破壞活塞、活塞環(huán)、火花塞和氣門的正常工作。

3、爆震的影響因素及預(yù)防

點(diǎn)火角過于提前，應(yīng)選擇最佳點(diǎn)火提前角。

較大的點(diǎn)火提前角，使得活塞還在壓縮行程中，比理論上的最佳點(diǎn)火提前角燃燒更多的混合氣。此時(shí)未燃燒的混合氣同比承受更多的壓力和熱輻射而自燃。點(diǎn)火時(shí)間過于提前，是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震最主要的原因。各種型號的發(fā)動(dòng)機(jī)都有其最佳的點(diǎn)火特性，選擇最佳的點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮其最大功率而達(dá)到降低油耗目的。

（1）避免使用辛烷值過低的燃油

辛烷值是燃油抗爆震的指標(biāo)，辛烷值越高，抗爆震性越強(qiáng)。高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)如果選用低標(biāo)號汽油，則容易發(fā)生爆震。但低壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)若用高標(biāo)號油，會出現(xiàn)“滯燃”現(xiàn)象。壓縮比在8.5~9.5之間的轎車一般應(yīng)使用93號汽油；壓縮比大于9.5的轎車應(yīng)使用97號汽油。

（2）及時(shí)清除燃燒室等處過多的積碳

積碳的形成是由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，燃燒不完全的燃油和機(jī)油上竄到燃燒室參與燃燒，在氧氣和高溫的作用下凝聚在燃燒室壁面、火花塞電極和活塞頂部等處形成的膠質(zhì)和碳質(zhì)相結(jié)合的混合物。燃燒室的積碳過多，會使燃燒室容積減小，增加壓縮比，易產(chǎn)生爆震。又會使積碳表面溫度較高形成熱點(diǎn)，容易在火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)之前點(diǎn)燃混合氣引起表面點(diǎn)火，增加爆震傾向。因此，適當(dāng)清除燃燒室、活塞頂部、氣門頭部等處積碳可減少爆震的產(chǎn)生，如圖1所示。

使用合適的混合氣濃度。

油氣混合比過稀或混合不均勻都會造成爆震。較濃的油氣將使尾氣的自燃點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，但也會使燃燒較不完全，產(chǎn)生的熱量較少，使得燃燒最后的溫度降低，減少爆震的發(fā)生，但也導(dǎo)致燃料用量增加，熱效率下降，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率。避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過高保持發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的正常溫度(85~90℃)。若水溫較高，易造成燃燒室溫度較高，使火焰前鋒的未燃燒氣體氧化分解，使得自燃的可能性增加，爆震傾向性增大。因此，為避免爆震，應(yīng)注意保持發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在正常工作范圍之內(nèi)，此時(shí)需要認(rèn)真做好冷卻系統(tǒng)的保養(yǎng)工。

4、爆震的控制及臺架標(biāo)定

4.1 概述

通過分析爆震產(chǎn)生的原因可知；導(dǎo)致爆震的原因主要有點(diǎn)火時(shí)間過早、積碳過多、使用低辛烷值燃油等。因此要消除爆震，通常需要采用抗爆性好的燃料，優(yōu)化冷卻循環(huán)，推遲點(diǎn)火時(shí)間等。其中主要是推遲點(diǎn)火時(shí)間對消除爆震有明顯效果，主要做法是當(dāng)檢測到爆震時(shí)。爆震控制系統(tǒng)ECU收到爆震信號后；通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角而實(shí)行對發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的反饋控制。可以抑制爆震并改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。

4.2 爆震的檢測方法

檢測發(fā)動(dòng)機(jī)爆震有三種方法：

第一種是壓力測定法，它的測定精度最高，但每一缸都要安裝壓力傳感器，十分繁雜，現(xiàn)有傳感器的可靠性也難以保證，因此至今尚未正式使用。

第二種是發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲測定法，這種方法為非接觸式，耐久性好，但靈敏度、精度稍差一些，所以不常使用。

第三種是發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測定法，此種方法只要爆震傳感器的位置選擇得當(dāng)，就可得到相當(dāng)高的測定精度，傳感器雖然不直接接觸燃燒室氣體，但缸體的振動(dòng)直接、快速地反映了缸內(nèi)氣體的壓力變化情況，因此測量精度較高，而且傳感器安裝方便。目前，汽車上大都采用檢測發(fā)動(dòng)機(jī)缸體振動(dòng)的方法來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。在這種檢測方法中，爆震傳感器大都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的側(cè)面，利用爆震傳感器，提取發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號的特征，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生和爆震強(qiáng)度的大小，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況。

4.3 爆震的臺架標(biāo)定

4.3.1 概述

爆震控制系統(tǒng)一般由爆震傳感器（這里用非共振型電壓式爆震傳感器）、電控單元、驅(qū)動(dòng)電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。爆震傳感器安裝在氣缸體上，用來測取爆震信號，它將氣缸體的振動(dòng)信號變換成電壓信號。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，氣缸體有較輕微振動(dòng)，當(dāng)發(fā)生爆震時(shí)，振動(dòng)頻率為7kHz的振幅異常大。根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)就要保證使爆艇傳感器在7kHz左右輸出電壓最大;這樣，電控單元只檢測7kHz處輸出信號，判定爆展強(qiáng)度時(shí)只檢測一定電平以上的爆展，而微弱爆展可以忽略。當(dāng)微機(jī)判斷出發(fā)生爆震時(shí)，就對驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制爆展所需要的信號。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，如點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣增壓壓力等，以控制爆震。而臺架標(biāo)定則是控制單元如何判斷爆震再通過驅(qū)動(dòng)電路讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效控制爆震的關(guān)鍵所在，如圖2所示。

4.3.2 窗口標(biāo)定

ECU邏輯中在處理從爆震傳感器來的電壓信號并對其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí)，ECU具有帶通濾波的功能，會根據(jù)標(biāo)定中選定中心頻率，頻率窗口長度內(nèi)的信號保留而，濾掉其它信號，以提高爆震信號的信噪比。爆震窗口調(diào)節(jié)的目的是將爆震信號準(zhǔn)確地置于積分窗口內(nèi)，避免將噪音置于積分窗口內(nèi)。

標(biāo)定步驟如下：

1）在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架上，將爆震窗口從ECU中引入示波器，再將傳感器信號也一并引入示波器。按照轉(zhuǎn)速和負(fù)荷掃點(diǎn)，在爆震點(diǎn)將點(diǎn)火角調(diào)節(jié)到輕微爆震程度，根據(jù)示波器信號，調(diào)整爆震窗口的起始位置略早于爆震信號，窗口長度完全包括爆震信號，且避免包入噪音的情況發(fā)生。如圖3所示。

2）由于不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的爆震窗口起始時(shí)間和長度都不同，所以同一轉(zhuǎn)速下爆震窗口的調(diào)節(jié)要按照先外特性、中負(fù)荷再低負(fù)荷的方法調(diào)整，以確保標(biāo)定變化合理。

4.3.2 爆震的積分信號標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)定

確定了各轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下的爆震窗口之后，就要確定出一個(gè)爆震界限，用來判斷窗口中濾波后的信號是否屬于爆震。而判斷爆震信號的界限處理是基于爆震信號的積分信號標(biāo)準(zhǔn)差（用MAND代替）來得到的，MAND可以認(rèn)為是在沒有爆震時(shí)爆震傳感器引入系統(tǒng)的背景音，MAND越大代表爆震傳感器原始信號的波動(dòng)越大。

標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式：

而MAND最大最小值則需要通過試驗(yàn)得到，對各轉(zhuǎn)速負(fù)荷采數(shù)，一般要30秒左右才能看到足夠的MAND變化趨勢，分析采得的數(shù)據(jù)，選擇各轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下MAND的最大和最小值填表。如圖4所示。

4.3.3 爆震限值標(biāo)定

要判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否爆震，就需要一個(gè)限值，該限值就是判斷爆震的核心。當(dāng)爆震原始信號超過了該限值就認(rèn)為進(jìn)入了爆震。

爆震限值=爆震強(qiáng)度信號濾波值+MAD*爆震系數(shù)

1）對所有缸一起增加點(diǎn)火角制造輕微爆震，根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷掃點(diǎn)，分別采下沒有爆震時(shí)的數(shù)據(jù)以及明顯發(fā)生爆震的數(shù)據(jù)；

2）同一轉(zhuǎn)速下負(fù)荷的調(diào)節(jié)要按照先外特性、中負(fù)荷再低負(fù)荷的方法掃點(diǎn)；

3）根據(jù)所采數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的MAD和爆震限值，反算出決定爆震界限的爆震系數(shù)。其中：

K= (在標(biāo)定中K值一般取2~3，具體值依照各缸爆震情況而定)

爆震強(qiáng)度信號濾波值、爆震原始信號、MAD都能從采集數(shù)據(jù)直接使用，所以爆震系數(shù)可以從上面等式中算出。

4.3.4 爆震驗(yàn)證

當(dāng)系統(tǒng)標(biāo)定好了爆震系數(shù)和MAD限值，每個(gè)轉(zhuǎn)速下的爆震界限也隨即得出，當(dāng)爆震原始信號超過了限值，則系統(tǒng)認(rèn)為發(fā)生爆震，將以退點(diǎn)火角的方式直到爆震平息。完成爆震限值標(biāo)定后，要進(jìn)行爆震控制的驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證的方法如圖5所示：

1）對所有轉(zhuǎn)速和工況掃點(diǎn)，檢查有無爆震發(fā)生或誤報(bào)爆震。

2）在爆震檢查點(diǎn)分別加3度、加5度點(diǎn)火角，檢查能否正確的檢測到爆震，并且在發(fā)生爆震時(shí)，點(diǎn)火角能正確的退到非爆震點(diǎn)火角。

從圖a可以看出此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于無爆震狀態(tài)，爆震原始信號并沒有超過爆震限值，此時(shí)也無爆震退角產(chǎn)生。

從圖b可以看出此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于爆震狀態(tài)，爆震原始信號峰值已經(jīng)超過了爆震限值，認(rèn)為發(fā)生爆震，而且當(dāng)爆震發(fā)生就立刻伴有點(diǎn)火角退角產(chǎn)生。

4.3.5 爆震評價(jià)依據(jù)

1）結(jié)合音箱，同步檢測是否有發(fā)生誤判，在沒有爆震的情況下，被判定為爆震；一般是由于發(fā)動(dòng)機(jī)背景噪音過高或者爆震限值設(shè)定過低導(dǎo)致。

2）結(jié)合音箱，同步檢測是否有發(fā)生漏判，在確有爆震的情況下，卻沒有識別到爆震；導(dǎo)致嚴(yán)重爆震發(fā)生；一般是由于爆震限值設(shè)定過高導(dǎo)致

5、結(jié)論

汽油機(jī)爆震是汽車常見的問題之一，對發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命危害極大。我們可以通過日常的使用細(xì)節(jié)來盡可能減少爆震發(fā)生的次數(shù)。例如正確選用相應(yīng)的辛烷值的汽油、及時(shí)清理缸內(nèi)積碳等。但是爆震在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作中不可避免，所以如何準(zhǔn)確的判斷爆震并能使發(fā)動(dòng)機(jī)快速退出爆震尤為重要，這就依賴于爆震標(biāo)定工作。

臺架爆震控制功能用于消除發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)可能發(fā)生的爆震，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。一款良好的爆震臺架標(biāo)定可以有效、及時(shí)的判斷出爆震而且用退點(diǎn)火角的方式改變?nèi)紵?，抑制爆震發(fā)生，確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

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Gasoline engine detonation and its control system research

Zhang Xiangyue, Yang Lulu, Jin Jing
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Abstract:Based on generally pay attention to improve the performance of engine in recent years, resulting in an increased risk of detonation phenomenon, this article mainly from the gasoline engine knocking phenomenon, cause, harm and so on several aspects to discuss the cause of the knocking and additionally, the prevention and dyno control methods.

Keywords:Gasoline engine knocking; Control; Harm; Calibration

作者簡介：張香月，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號：U464.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-63-04