汽油机爆震及其控制系统研究

张香月，杨璐璐，靳京（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽油机爆震及其控制系统研究

张香月，杨璐璐，靳京
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：基于近几年来汽油机普遍注重提高性能而产生的爆震可能性增高的现象，文章主要从汽油机产生爆震的现象、原因、危害等几个方面去论述产生这种爆震的成因及其预防和台架控制方法。

关键词：汽油机爆震；控制；危害；台架标定

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

随着近几年来汽车行业的飞速发展，汽车人均保有量持续增加，各大公司及消费者对汽车的动力性、经济性和排放越来越重视。为了提高汽车的动力性和经济性，通常的方法是在原有基础上增大点火提前角、增大压缩比，但这些技术上的改进在提高了性能的同时也大大的提高了发动机爆震的倾向。

爆震自燃产生的一个或多个的火焰波会与正规燃烧的火焰波撞击产生极大压力，使得发动机产生不正常的敲击声。它会使发动机工作粗暴，功率下降，燃油经济性变差，严重时甚至会损害气缸壁及其他零件。本文将对爆震的产生原理及危害进行分析，并提出汽油机爆震的控制方法。

1、汽油机爆震的机理

一般得到广泛认同的爆震产生的原因是：

汽油是以气态与空气混合形成可燃混合气的，可燃混合气在一定的温度与压力作用下，其中的碳氢原子与空气中的氧发生激烈的化学反应，并伴随有放热和发光的效应，这一现象称为燃烧。

当火花塞跳火后，电极附近的混合气温度急剧升高，氧化反应加快，释放的热量使气体自身温度提高，并传给邻近的混合气，使其获得足够热量进行氧化反应而提高温度。当火焰中心形成后，其前锋以20~30 m/s的速度迅速向周围混合气逐层传播，使大部分可燃混合气在火焰传播期内平稳燃烧完毕，并产生最高压力。这种正常燃烧过程，使发动机能够获得最大功率并使得工作平稳。

在混合气燃烧过程中，部分远离火焰中心的可燃混合气，在正常火焰前锋尚未到达之前，由于受到已燃混合气的压力和热辐射作用使得温度、压力急剧升高，从而形成新的火焰传播中心，它以1500~2500 m/s的速度使周围未燃混合气瞬间燃烧完毕。从而使气缸内压力骤然上升，来不及平衡，由此形成高压冲击波，在气缸内反复反射，以很高的频率不断冲击缸内机件而发出尖锐的敲击声，强烈时会引起发动机的震动。这种燃烧过程属“不正常的燃烧”，也就是发生爆震的根源。

2、爆震的危害

爆震中高速度的火焰传播与混合气体的燃烧会使得气缸中的压力、温度升得很高，压力形成强烈的冲击波，局部温度可达4 000℃以上。在这种条件下，燃烧产物分解成CO、H2、O2、NO及游离C。

危害轻微的爆燃可加快燃烧过程，提高热效率，因此对汽油机性能是有利的。但发生强烈爆燃时，强烈的压力冲击波反复撞击缸壁，发出尖锐的敲缸声频率约为5 000Hz或更高)，破坏缸壁表面的附面层，使传热量增加，气缸过热，冷却损失增加，功率减少，磨损加剧。且由于燃烧产物分解成CO、H2、O2等，热效率下降，油耗率增加。

（1）降低发动机硬件的使用寿命。由于强烈的压力波冲击，使气体的附面层(燃烧室壁、活塞顶及气缸壁系壁面上形成的一种气体附面层)受到破坏，高温气体向这些零件的传热量大大增加，发动机过热，润滑油温度升高，润滑变坏，导致机件加速磨损，甚至造成活塞、气门烧坏轴瓦、火花塞绝缘体破裂润滑油氧化成酸质，活塞环粘在活塞环槽内等故障，应尽量避免汽油机发生强烈爆燃。

（2）经济性下降，油耗增加。强烈爆燃时，燃烧室内局部温度很高，可达4 000℃以上，燃烧物分解成CO、H2、O2、NO及游离C等。游离碳在气缸内很难再燃烧，这就是爆震燃烧时排出黑烟的原因。

（3）在一定条件下，强烈的爆燃还能在燃烧室内产生许多炽热点，在电火花点火之前点燃可燃混合气引起早燃。

（4）爆燃时的不正常燃烧及高温促使形成大量积碳，可能破坏活塞、活塞环、火花塞和气门的正常工作。

3、爆震的影响因素及预防

点火角过于提前，应选择最佳点火提前角。

较大的点火提前角，使得活塞还在压缩行程中，比理论上的最佳点火提前角燃烧更多的混合气。此时未燃烧的混合气同比承受更多的压力和热辐射而自燃。点火时间过于提前，是发动机产生爆震最主要的原因。各种型号的发动机都有其最佳的点火特性，选择最佳的点火提前角，使发动机发挥其最大功率而达到降低油耗目的。

（1）避免使用辛烷值过低的燃油

辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。高压缩比的发动机如果选用低标号汽油，则容易发生爆震。但低压缩比的发动机若用高标号油，会出现“滞燃”现象。压缩比在8.5~9.5之间的轿车一般应使用93号汽油；压缩比大于9.5的轿车应使用97号汽油。

（2）及时清除燃烧室等处过多的积碳

积碳的形成是由于在发动机工作过程中，燃烧不完全的燃油和机油上窜到燃烧室参与燃烧，在氧气和高温的作用下凝聚在燃烧室壁面、火花塞电极和活塞顶部等处形成的胶质和碳质相结合的混合物。燃烧室的积碳过多，会使燃烧室容积减小，增加压缩比，易产生爆震。又会使积碳表面温度较高形成热点，容易在火焰传播到达之前点燃混合气引起表面点火，增加爆震倾向。因此，适当清除燃烧室、活塞顶部、气门头部等处积碳可减少爆震的产生，如图1所示。

使用合适的混合气浓度。

油气混合比过稀或混合不均匀都会造成爆震。较浓的油气将使尾气的自燃点火延迟时间增加，但也会使燃烧较不完全，产生的热量较少，使得燃烧最后的温度降低，减少爆震的发生，但也导致燃料用量增加，热效率下降，同时降低发动机效率。避免发动机工作温度过高保持发动机冷却水的正常温度(85~90℃)。若水温较高，易造成燃烧室温度较高，使火焰前锋的未燃烧气体氧化分解，使得自燃的可能性增加，爆震倾向性增大。因此，为避免爆震，应注意保持发动机冷却水温度在正常工作范围之内，此时需要认真做好冷却系统的保养工。

4、爆震的控制及台架标定

4.1 概述

通过分析爆震产生的原因可知；导致爆震的原因主要有点火时间过早、积碳过多、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，优化冷却循环，推迟点火时间等。其中主要是推迟点火时间对消除爆震有明显效果，主要做法是当检测到爆震时。爆震控制系统ECU收到爆震信号后；通过改变发动机点火提前角而实行对发动机爆震的反馈控制。可以抑制爆震并改善发动机的工作性能。

4.2 爆震的检测方法

检测发动机爆震有三种方法：

第一种是压力测定法，它的测定精度最高，但每一缸都要安装压力传感器，十分繁杂，现有传感器的可靠性也难以保证，因此至今尚未正式使用。

第二种是发动机的噪声测定法，这种方法为非接触式，耐久性好，但灵敏度、精度稍差一些，所以不常使用。

第三种是发动机振动测定法，此种方法只要爆震传感器的位置选择得当，就可得到相当高的测定精度，传感器虽然不直接接触燃烧室气体，但缸体的振动直接、快速地反映了缸内气体的压力变化情况，因此测量精度较高，而且传感器安装方便。目前，汽车上大都采用检测发动机缸体振动的方法来检测发动机爆震。在这种检测方法中，爆震传感器大都安装在发动机缸体的侧面，利用爆震传感器，提取发动机爆震信号的特征，可以准确地判断爆震是否发生和爆震强度的大小，进而控制发动机工作在最佳工况。

4.3 爆震的台架标定

4.3.1 概述

爆震控制系统一般由爆震传感器（这里用非共振型电压式爆震传感器）、电控单元、驱动电路及执行机构组成。爆震传感器安装在气缸体上，用来测取爆震信号，它将气缸体的振动信号变换成电压信号。发动机正常运转过程中，气缸体有较轻微振动，当发生爆震时，振动频率为7kHz的振幅异常大。根据这一特点设计时就要保证使爆艇传感器在7kHz左右输出电压最大;这样，电控单元只检测7kHz处输出信号，判定爆展强度时只检测一定电平以上的爆展，而微弱爆展可以忽略。当微机判断出发生爆震时，就对驱动电路发出控制爆展所需要的信号。驱动电路驱动各种执行机构，执行机构直接调整发动机的有关参数，如点火提前角、进气增压压力等，以控制爆震。而台架标定则是控制单元如何判断爆震再通过驱动电路让执行机构有效控制爆震的关键所在，如图2所示。

4.3.2 窗口标定

ECU逻辑中在处理从爆震传感器来的电压信号并对其进行AD转换时，ECU具有带通滤波的功能，会根据标定中选定中心频率，频率窗口长度内的信号保留而，滤掉其它信号，以提高爆震信号的信噪比。爆震窗口调节的目的是将爆震信号准确地置于积分窗口内，避免将噪音置于积分窗口内。

标定步骤如下：

1）在发动机台架上，将爆震窗口从ECU中引入示波器，再将传感器信号也一并引入示波器。按照转速和负荷扫点，在爆震点将点火角调节到轻微爆震程度，根据示波器信号，调整爆震窗口的起始位置略早于爆震信号，窗口长度完全包括爆震信号，且避免包入噪音的情况发生。如图3所示。

2）由于不同转速和负荷下的爆震窗口起始时间和长度都不同，所以同一转速下爆震窗口的调节要按照先外特性、中负荷再低负荷的方法调整，以确保标定变化合理。

4.3.2 爆震的积分信号标准差标定

确定了各转速、负荷下的爆震窗口之后，就要确定出一个爆震界限，用来判断窗口中滤波后的信号是否属于爆震。而判断爆震信号的界限处理是基于爆震信号的积分信号标准差（用MAND代替）来得到的，MAND可以认为是在没有爆震时爆震传感器引入系统的背景音，MAND越大代表爆震传感器原始信号的波动越大。

标准差的计算公式：

而MAND最大最小值则需要通过试验得到，对各转速负荷采数，一般要30秒左右才能看到足够的MAND变化趋势，分析采得的数据，选择各转速和负荷下MAND的最大和最小值填表。如图4所示。

4.3.3 爆震限值标定

要判断发动机是否爆震，就需要一个限值，该限值就是判断爆震的核心。当爆震原始信号超过了该限值就认为进入了爆震。

爆震限值=爆震强度信号滤波值+MAD*爆震系数

1）对所有缸一起增加点火角制造轻微爆震，根据转速和负荷扫点，分别采下没有爆震时的数据以及明显发生爆震的数据；

2）同一转速下负荷的调节要按照先外特性、中负荷再低负荷的方法扫点；

3）根据所采数据计算每个点的MAD和爆震限值，反算出决定爆震界限的爆震系数。其中：

K= (在标定中K值一般取2~3，具体值依照各缸爆震情况而定)

爆震强度信号滤波值、爆震原始信号、MAD都能从采集数据直接使用，所以爆震系数可以从上面等式中算出。

4.3.4 爆震验证

当系统标定好了爆震系数和MAD限值，每个转速下的爆震界限也随即得出，当爆震原始信号超过了限值，则系统认为发生爆震，将以退点火角的方式直到爆震平息。完成爆震限值标定后，要进行爆震控制的验证试验。验证的方法如图5所示：

1）对所有转速和工况扫点，检查有无爆震发生或误报爆震。

2）在爆震检查点分别加3度、加5度点火角，检查能否正确的检测到爆震，并且在发生爆震时，点火角能正确的退到非爆震点火角。

从图a可以看出此时发动机处于无爆震状态，爆震原始信号并没有超过爆震限值，此时也无爆震退角产生。

从图b可以看出此时发动机处于爆震状态，爆震原始信号峰值已经超过了爆震限值，认为发生爆震，而且当爆震发生就立刻伴有点火角退角产生。

4.3.5 爆震评价依据

1）结合音箱，同步检测是否有发生误判，在没有爆震的情况下，被判定为爆震；一般是由于发动机背景噪音过高或者爆震限值设定过低导致。

2）结合音箱，同步检测是否有发生漏判，在确有爆震的情况下，却没有识别到爆震；导致严重爆震发生；一般是由于爆震限值设定过高导致

5、结论

汽油机爆震是汽车常见的问题之一，对发动机的寿命危害极大。我们可以通过日常的使用细节来尽可能减少爆震发生的次数。例如正确选用相应的辛烷值的汽油、及时清理缸内积碳等。但是爆震在实际发动机工作中不可避免，所以如何准确的判断爆震并能使发动机快速退出爆震尤为重要，这就依赖于爆震标定工作。

台架爆震控制功能用于消除发动机燃烧时可能发生的爆震，优化发动机动力性和燃油经济性。一款良好的爆震台架标定可以有效、及时的判断出爆震而且用退点火角的方式改变燃烧，抑制爆震发生，确保汽车发动机的正常运行。

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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

作者简介：张香月，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

中图分类号：U464.9

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-63-04