汽油发动机爆震分析与控制

2011-03-01王强

黑龙江交通科技 2011年7期

王强

(牡丹江市公路管理站)

1 发动机爆震产生原因

汽车发动机是利用火花塞跳火将混合气点燃，使火焰在混合气内不断传播进行燃烧。如果点火时间过早或油品质不好，火焰在传播途中当压力异常升高时，一些部位的混合气不等火焰传到，就自己着火燃烧，造成瞬时爆发燃烧，由此引起的气体冲击波冲击汽缸壁产生金属敲击声，这种现象称为爆震。

爆震与点火时刻存在着密切关系。点火提前角越大，燃烧的最大压力也越大，就越容易产生爆震(图1中B点)。爆震还与燃料抗爆性、喷油量、汽缸温度、转速、负荷等多种因素相关。

图1 点火时刻与气缸压力曲线的关系

爆震并非仅仅有害。试验证明，发动机发出最大扭矩的点火时刻是在开始产生爆震点火时的附近，发生轻微爆震时燃油利用率最佳。曲线A为无燃烧时压力曲线，曲线B为爆震出现时压力曲线，曲线C为理想压力曲线，曲线D远离无爆震，但效率不高。

2 汽油机产生爆震的危害

(1)由于汽油机产生爆震时产生强烈的冲击波，使活塞、连杆轴承和主轴轴承磨损加剧，造成轴承合金表层破坏。局部高温、高压易使活塞、气门烧坏，严重影响发动机的动力，缩短发动机的使用寿命。

(2)汽油机产生爆震时燃烧室内部温度高达3 000℃左右，压力波和灼热气体对缸壁反复冲击，破坏了缸壁等壁面的气体附着层。高温下的燃气向缸壁等壁面传热增加，导致气缸等零件的温度过高，造成发动机温度过热，严重时使活塞顶部烧损。

(3)混合气在缸内“不正常燃烧”，使气缸盖燃烧室积炭过多，排气管冒黑烟。燃烧室内部高温作用，使燃烧产物加速分解，严重时析出炭粒，游离炭粘附在气缸壁、燃烧室、活塞顶、气门头上而形成积炭。由于积炭传热性较差，使缸盖受热不均匀而造成变形或裂纹。高温积炭表面还会促使表面点火的产生，导致新的不正常燃烧，燃烧更加恶化，使发动机的功率及经济性严重下降。同时因冷却损失增大，游离炭来不及还原为二氧化碳，其中一部分随废气排出，形成排气管冒黑烟，污染环境有害于民。

(4)爆震时会使发动机动力下降，增加油耗。在发动机产生爆震时，局部区域的压力和温度很高，带冲击性的压力波使一部分能量消耗在零件的变形和压力波本身的反复振荡上。燃烧产物的热分解还要消耗一部分热量，这些能量也不能回放利用。同时，由于传给冷却系统的热量增多，做功的热量进一步减少。因此，爆震时动力下降、油耗上升。

3 爆震测试方法

3.1 测气缸压力法

压力示功图是爆震引起压力振荡的直接信号，故测量压力时精度较高。测量时，选用频响足够高的传感器，如压电晶体传感器、压电陶瓷传感器或光纤压力传感器等，可以精确、不失真地测得燃烧室中的压力振荡，测量的精度和灵敏度高，高转速时有较高的信噪比，不会出现误判，测量结果可以对爆震燃烧过程进行更深入细致的分析。但使用现有的压力传感器，需要对气缸盖进行较大的加工，传感器成本高，寿命短，故这种方法目前主要用于实验性的研究。但不少专家预测，随着对排放和燃油经济性要求的提高，这种方法今后将得到广泛应用。

3.2 测燃烧噪声法

用压电传感器测量噪声的频率，配以相应的信号滤波处理系统和信号识别系统，如果发生爆震，则发动机固有的频率声级达到最大值，且爆震越强，该值越大。这种检测方法成本低，传感器寿命长，且检测系统维修方便，但测量的精度、灵敏度更低，目前多用在增压发动机上。

3.3 测机体振动法

当发动机发生爆震时，气缸内产生巨大的压力波冲击缸盖和缸壁，从而加剧了机体的振动，故测振动也可以判断爆震。在机体或气缸盖上的合适位置上安装振动(加速度)传感器，测量由爆震时的压力振荡所引起的机体振动，调整传感器和信号识别处理系统的频带，使其能覆盖发动机爆震时的振动频率(轿车发动机爆震频率一般为5～10 kHz之间)，并在爆震发生时与之共振，并给出相应的信号输出。该方法目前被广泛应用于国内外的轿车发动机上，优点是传感器结构简单。成本低、维修方便，适合大量生产。

4 发动机爆震控制

传统发动机爆震控制，为了使其在最恶劣的条件下，也不致产生爆震，其点火时刻均设定在爆震边缘的范围以内，使其离开爆震界限并存在较大的余量。这样势必会降低发动机效率，使发动机输出功率下降，燃料消耗增加。

现代发动机爆震控制系统，由爆震传感器检测爆震强度，在产生爆震前，微机自动减少点火提前角，使点火时刻保持在爆震边界曲线的附近，提高发动机的功率，降低燃料的消耗。

试验表明，当发动机的负荷低于一定值时，一般不出现爆震。这时不宜采用控制爆震的方法来调整点火提前角，可采用开环控制方案控制点火提前角。即，此时微机不再检测分析爆震传感器输入信号，只按ROM中存储的信息及有关传感器控制点火提前的大小。显然，要判断在某一时刻究竟采用开环控制抑或闭环控制，可由微机对反映负荷的传载器送来的信号进行分析予以实现。

图2 爆震反馈控制原理图

图3所示为发动机爆震控制系统原理图。当发动机产生爆震时，微机通过爆震传感器的输入信号和比较电路判别出发动机产生爆震，并依据爆震强度输入信号，由微机控制延迟点火提前角的大小。当爆震现象消失时，微机恢复正常的点火提前角的控制。

当微机进行闭环控制时，其实际点火提前角的控制如图4所示。当任何一缸产生爆震时，微机立即减少一定的点火提前角。当次缸依据点火顺序再产生爆震时，同样再减少点火提前角。以此类推，逐渐减少点火提前角。当发动机不产生爆震时，则在一定时间内，维持当前的点火提前角。在此期间，若有爆震发生，也同样减少点火提前角;若无爆震发生，则又逐渐地增大点火提前角，一直到产生爆震时，又恢复前述的反馈控制。