现代汽油机爆震控制技术浅析

现代汽油机爆震控制技术浅析李宏伟孙吉树安万德（延边大学工学院机械工程系，吉林延吉133002）摘要由于石油资源的日益减少，导致燃油价格大幅提高，越来越多的汽车制造商开始采用更高的压缩比来提高燃油经济性。与此同时排放法规的日趋严格无铅汽油的限制使用都将使爆震发生的可能性增大。本文主要分析了爆震的危害、产生的主要原因，常用的检测方法，典型汽油机爆震控制原理以及信号简单的处理过程。关键词：发动机；爆震；传感器；爆震控制原理AbstractBecauseofthedailydecreaseofoilresources,thefuelpricehasgreatlyrisen.Moreandmorecar-manufacturersbegantouseahighercompressionratiotoimprovefueleconomy.Atthesametime,theincreasinglystrictemissionregulationsandthelimituseofleadedgaswillmakethepossibilityofknockingbecomemuchbigger.Thisessaymainlyanalyseseveralknockinghazards,mainreasons,commonlyuseddetectionmethod,thetipicalengineknockingcontrolprincipleandsignalprocessing.Keywords：engine，knock，Sensors，Knockcontrolprinciple引言：汽车是人们不可或缺的一种交通工具，据奥地利交通俱乐部（VC?）的统计数据目前世界上已有9亿辆轿车，并且以惊人的速度增长。由于石油资源的减少，而使燃油价格大幅提高，越来越多的汽车采用高压缩比来提高燃油经济性。同时，严格的排放法规，对含铅汽油的限制使用，这都使汽油机爆震发生的可能性增大。爆震是火花点火发动机特有的一种不正常燃烧现象。当发动机的压缩比、点火正时、进气压力或进气温度增大到某个限度时，燃烧过程末期的压力急剧上升，产生的压力波通过零部件产生金属敲缸声，同时也引起机体的强烈振动和气缸盖过热等现象，这时就认为发生了爆震[1]。爆震是汽油机发明以来制约其动力性和经济性能的最大障碍。一、爆燃的危害1.1机件过载爆燃时的冲击波能使缸壁,缸盖,活塞,连杆,曲轴等机件的机械负荷增加,使机件变形甚至损坏。1.2机件烧损汽油机燃烧终了时的温度可达到2200K～2700K左右而活塞顶、燃烧室壁及缸壁的温度仅为500～600K,除了冷却水的作用外,能够维持如此低温度的原因,还包括在壁面上形成了起到隔热作用的气体附面层。而强烈爆燃的冲击波会破坏这一附面层,使高温燃气直接与机件接触，严重爆燃时,局部燃气温度可高达4000K以上,这样会使活塞头部和气门等机件烧损。1.3性能指标下降严重爆燃时的局部高温及强烈的压力冲击波破坏了附面层,气体向缸壁的传热量增加,使热效率下降,功率降低,耗油率增加。1.4发动机磨损加剧由于传热损失增加,使冷却水和润滑油温度升高,使润滑效果变差,零件磨损加剧。实验表明,严重爆燃时磨损比正常燃烧时增大27倍。1.5排气冒黑烟,补燃增加,排气温度增加，爆燃时局部高温引起热分解现象严重,使燃烧产物分解为CH、H2、O2、NOx及游离碳的现象增多,排气冒烟严重。CH、H2、O2等在膨胀过程中重新燃烧又使补燃增加,排气温度增高。1.6爆燃易生成积炭爆燃所产生的炭粒形成积炭,容易破坏活塞环,火花塞,气门等零件的正常配合关系,使发动机可靠性下降。二、爆震原因2.1压缩比与燃料的配合关系的影响发动机压缩比的高低与产生爆震有极大的关系。高压缩比的发动机易产生爆震燃烧。所以，高压缩比的发动机，要求使用抗爆性好的燃料。2.2点火提前角影响汽油机最佳点火提前角的影响因素很多，如转速、空燃比、进气压力和温度等。对于发动机的每一个工况，都对应存在一个最佳点火提前角。当点或提前角过大时，它增加了活塞上行阻力，燃烧室温度、压力上升，增大了爆震倾向。2.3混合气成分的影响混合气浓度在标准浓度条件下，从理论上来讲是可以完全燃烧的。但因在燃烧过程中时间短促及气缸内燃料、空气和残余废气不能绝对混合均匀，实际上常有少量汽油不能完全燃烧从而使油耗上升。稀混合气时，燃烧速度也慢，发动机输出功率较小；稍浓的混合气，燃烧速度快，发动机输出动力大，但气缸内的气体压力和温度都较高，爆震倾向也较大。2.4发动机转速的影响发动机转速的增高，使发动机爆震燃烧倾向减小。这是因为当发动机转速增大时，燃料与空气形成的混合气从压缩到着火燃烧的绝对时间短，减弱了在高温下燃料着火前的氧化过程。另外，转速的增高，加强了气缸中混合气的涡流运动，因而使燃料的蒸发与空气形成混合气的过程条件有所改善，同时也改善了发动机中的整个燃烧过程。2.5发动机负荷率的影响发动机负荷增大，则气缸中温度、压力也就增高。所以，产生爆震燃烧的可能性也就增大。大多数爆震燃烧都是发生在发动机大负荷工作状态下。2.6积碳的影响发动机燃烧室积炭增多后，使实际压缩比大于正常值。同时，积炭也是热的不良导体，易使发动机过热。因此，燃烧室积炭增多，爆震倾向增大。除上述影响爆震燃烧的因素外，还有冷却液的温度，进气温度，进气压力等对爆震燃烧也有一定的影响。三、现代常见的爆震检测技术爆震测量的信号一般都源自爆震时产生的特有充量的压力振荡。按自燃说的解释，末端气体瞬间燃烧产生的压力波，在燃烧室中以当地声速传播，该压力波在边界间来回反射，从而引起燃烧室中充量的振荡，传给燃烧室壁面，使机体产生同样频率的振动。目前，测量爆震法有以下几种方法。3.1测燃烧室噪声法爆震时，发动机就会发出金属敲击声，过去很长时间都是用人的听觉来判断。现在测量的方法是用压电传感器测量噪声频率，如果发生爆震，发动机在特定的频率范围内声级达到最大值。3.2测气缸压力法检测气缸压力的传感器可以直接检测气缸燃烧状况，实时地识别发动机是否发生爆震。爆震时示功图上的最高压力之后有高频的压力振荡，爆震越强烈振幅越大。缸内充量振动是爆震冲击波的直接信号，据此测量爆震，精度和灵敏度较高，测量结果可以反映出爆震的强度等级，且能在不同的发动机之间进行比较，能对各缸的爆震强度进行分别测量，但成本高、传感器寿命短制约了这种传感器的使用，随着技术的发展这种方法将会得到广泛的应用。3.3测机体振动法在机体或缸盖上合适的位置安装振动传感器，对爆震压力波引起的机体振动进行测量，调整传感器和信号处理识别系统的工作频率，使其与发动机爆震时振动的频率一致，在爆震信号发生共振，从而输出相应的爆震信号，据此信号可以实现发动机的爆震控制。目前发动机多用这种方法。另外，爆震的测量还有一些其它方法，如：离子电流、光纤传感器，粒子探针、高速摄影、激光诊断、火焰温度、燃烧室表面温度、传热损失变化等方法，但尚缺乏在汽车上大量推广应用的可能性发生。四、典型传感器原理压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量。一些材料当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：Qi=dijFij式中，Qi面上的总电荷量（C）；Fij方向的作用力（N）；dij—压电常数(C／N)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)[2]。力的大小和方向都会对应一个电荷量Q，用某种方法将电荷量Q导出到电荷放大器，便实现的测量。五、典型汽油机爆震控制原理现为避免爆震，可以保守地设置点火提前角。但这以牺牲最佳点火时机为代价，使动力和燃油效率性能降低。增加爆震控制功能，发动机就可以实时调节点火时间。它可以逐渐加快点火正时，以提供更大的动力。当监测到爆震时，点火正时跳几度来消除爆震，一般来说，爆震系统能提升约3%的动力性和5%的燃油经济性[3]。共振型和非共振型传感器的检测信号实质都为缸体的振动加速度，故爆震传感器的输出信号中包含有缸体的振动信息，缸体的振动包含有非常丰富的谐波成分，而爆震信号的频率只在5kHz-15kHz左右[4]。常用的爆震传感器内部封装一个压电陶瓷，将检测到的信号通过一个带通滤波器。带通滤波器将所需要的频率信号提取出来。根据曲轴角度信号产生一个角度窗口，这个窗口覆盖了爆震可能发生的时段。这样，从检测窗口输出的信号就是在时域和频域都做了选择的。为了判断爆震的强度，最直接的方法就是将信号绝对值加起来，即能量集成。将能量集成后的数据与预先设定的爆震能量参考值进行比较，就可以判断出爆震是否发生[6]。爆震传感器通常设计成测量5kHz～15kHz范围的频率。当控制单元接收到这些频率时，ECU(行车电脑)重新修正点火正时，以阻止继续爆震。参考文献：[1]冯健璋：汽车发动机原理与汽车理论[M].北京：机械工业出版社.2005.1[2]杨少春：传感器原理及应用[M].电子工业出版社,2011.1[3]吕从民,汽油机爆震信号检测与理论预测[M].吉林工业大学,1998,02,12.(39)(27~28)[4]王财寿，陈志恒，景来军:基于MPC564的发动机电控单元硬件设计[J].2008.07.17[5]高磊：468Q汽油机爆震检测和控制策略的研究[D].吉林大学硕士学位文,2007.6[6]高磊：康晓敦,高效实用的片上爆震检测解决方案[R].2009.11作者简介：李宏伟（1988—），陕西榆林人，在读本科生.孙吉树为指导教师。