PFI发动机超级爆震控制理论与策略研究

杨凯酬，石则强，张继生

（1.北京北内创意电控发动机有限责任公司，北京 100176；2.中公高远（北京）汽车检测技术有限公司，北京 101103）

0 引言

涡轮增压与缸内直喷技术相结合是改善汽油机燃油经济性和降低排放的重要措施，而且可以在保障动力性的前提下使发动机小型化。然而，随着这两项技术的应用，这类发动机出现了一种新的异常燃烧现象——超级爆震。发生超级爆震时，发动机燃烧室内火焰前锋传播速度极快，缸内压力和温度急剧上升，并伴随剧烈的压力波动与极大的噪声。超级爆震具有偶发随机性，对发动机极具破坏性，会对活塞及其他燃烧室零部件造成十分严重的破坏[1-2]。

随着涡轮增压技术的不断普及，大量PFI发动机采用涡轮增压技术后，也能够大幅提升发动机动力性，同时在经济性与排放水平上也有不错的表现，由于PFI发动机成本较低，涡轮增压技术在PFI发动机上也得到了十分广泛的应用。然而在开发阶段以及售后市场反馈上，也出现了少量PFI增压发动机活塞受损的现象，故障体现为活塞烧蚀、活塞裙部碎裂、活塞环断裂等，经发动机厂技术专家判定为超级爆震导致。故现在对于发动机管理系统供应商来说，有必要对超级爆震控制的基础模型以及控制策略做出一定程度的改善，以确保减少超级爆震发生的概率，还要在超级爆震发生后，尽量通过控制来降低其对发动机造成的损坏，保证发动机的工作寿命。本文将从发动机电控系统标定控制的角度上，来探究如何在PFI发动机上应对超级爆震。

1 控制理论

超级爆震目前在发动机试验领域有很多种生成理论，导致其发生的原因目前比较受认可的主要有：过高的冷却液温度以及进气温度；发动机低转速大负荷；缸内积碳严重；缸内器件高温；机油引燃导致爆轰；进气道及燃烧室空气动力学设计不合理；活塞环间隙偏大等[3-4]。

众多生成原因主要集中在缸内工作环境恶化以及发动机整体设计问题，故发动机管理系统在超级爆震的抑制及发生后的控制上也基于这些原理进行设计，主要的应对策略有：增加喷油；调整气门正时，其中增大气门重叠角与减小气门重叠角的理论都有，增大气门重叠角的理论认为气缸扫气效果增强有助于降低缸内温度，减小气门重叠角的理论认为提高内部EGR率使得燃烧效率下降，缸内温度随之下降；限制发动机动力输出；燃油多次喷射（主要针对GDI直喷发动机）等。

目前在发动机控制领域，对于超级爆震的控制相关内容，主要集中在超级爆震的监测、超级爆震发生后的实时控制策略、降低超级爆震发生概率的策略，下文会对所提及的这几部分做出阐述。

2 超级爆震的监测

超级爆震现象的监测是实施相关控制策略的前提，超级爆震的监测手段多样，在发动机开发阶段，其中一种手段是采用可视化技术，包括光纤火花塞和光学发动机等，利用高速摄影来观察缸内非正常燃烧现象，这种手段能比较准确地检测早燃超级爆震发生的位置，但成本很高。另一种手段是采用缸内压力传感器，通过监测缸内爆发压力，判断是否有早燃超级爆震发生，这种手段只需要缸内压力传感器和燃烧分析仪，成本有所降低，也是大部分发动机台架试验阶段超级爆震的监测方式[5]。

待发动机实装车辆后，受限于高昂的使用成本，量产车几乎不可能配备缸压传感器，故想要实现超级爆震的监测与控制，只能参考发动机爆震传感器的压力信号，对于不同的发动机，需要在台架试验阶段模拟超级爆震，采集爆震传感器信号，并通过数据对比确认超级爆震的压力信号数值能够与较为严重常规爆震有效地区分并标定其阈值，确保ECU能够区分超级爆震与常规爆震的信号，两者的控制逻辑之间才不会互相冲突，爆震信号压力对比见图1。同时要通过示波器读取超级爆震与常规爆震的爆震窗口（只有爆震窗口内的信号才会被采集，可以显著提高传感器信噪比），分别标定两种爆震的窗口起始点及窗口宽度，尽量减少其他噪声对爆震传感器信号的影响，图2即为爆震信号与爆震窗口的示意图，由图可见爆震窗口有效涵盖了爆震信号强度最高的区域，并排除了信号干扰区域（一般认为是气门落座产生的噪声），较大幅度地提升了整体信噪比。

图1 超级爆震缸压示意图Fig.1 Schematic diagram of super knock cylinder pressure

图2 爆震信号及爆震窗口示意图Fig.2 Schematic diagram of knock signal and knock window

只有精确的信号检测才能实现精准控制，低成本监测超级爆震的技术方案还在不断更新与进步。

3 超级爆震控制策略

在试验理论章节中，已经提到了超级爆震的生成原因及一般应对方式，考虑到软件控制层面无法对发动机设计相关缺陷进行调整，目前主流的应对策略还是通过降低缸内工作温度来降低超级爆震发生的几率，如果超级爆震特别严重，会考虑限值发动机扭矩输出；同时考虑车辆销售到不同区域后，油品差异性较大，系统会做出相应的针对措施，降低超级爆震发生对发动机造成的损害。

下面参考一台PFI涡轮增压发动机的控制策略，系统采用的控制策略主要为空燃比加浓控制策略，VVT（连续可变气门相位）控制策略。

图3为空燃比加浓控制策略，参考发动机不同的转速和负荷采用不同的加浓空燃比（14.6为理论空燃比，即lambda=1），确保系统监测到超级爆震后可以通过加浓空燃比使得缸温快速下降。

图3 空燃比加浓控制策略Fig.3 Air fuel ratio enrichment control strategy

图4为部分工况VVT控制策略（参考坐标为发动机转速和发动机负荷），系统监测到超级爆震后可以增大或者减小VVT开启的角度从而实现气门重叠角的变化，来辅助提升扫气能力或者增大内部EGR率，使得缸内温度下降。

图4 部分工况VVT控制策略Fig.4 VVT control strategy under partial working conditions

图5为系统监测到超级爆震后，发动机的扭矩输出值（x轴为不同发动机转速，z轴数值为发动机输出扭矩），系统会根据标定中不同转速对应的预设值进行扭矩控制（扭矩预设值需要考虑发动机的实际动力水平，确保减扭后车辆能够保证基本的动力性），使得发动机工作能力大幅下降，从而保护发动机。

图5 超级爆震扭矩输出限制Fig.5 Super knock torque output limit

上述控制策略既可以单独使用也可以组合使用，在运用相关策略之前需要进行大量的排放及道路试验，确保相关策略不会严重增加发动机的排放水平以及车辆驾驶能力符合开发要求。

4 超级爆震学习控制

超级爆震发生后，系统能够通过爆震传感器监测到合理的压力信号，基于预设的控制策略，实现精准的控制。然而对于一些工作环境比较恶劣的发动机，超级爆震发生的频次明显增加，相关控制策略虽能有效降低缸内温度，实现超级爆震的快速控制响应，但却无法有效降低超级爆震的发生频率，对于发动机的保护力度有限，故EMS系统开发了超级爆震控制区域学习的功能，旨在更加全面地保护发动机。

图6即为超级爆震控制区域学习功能的示意图，图中x轴为发动机转速，y轴为发动机参考负荷，图中1点为系统第一次监测到超级爆震后，会自动划定一个小控制区，如果发动机运行中工况再次进入这个控制区，系统无论是否监测到超级爆震，都会直接触发预设的超级爆震控制策略，提前降低缸内温度，大幅降低超级爆震发生的概率。图中2点为下一次监测到超级爆震的工况点，此时系统会将之前划定的小控制区自动学习至图中的大控制区，在发动机运行工况进入大控制区后，系统无论是否监测到超级爆震，同样会直接触发预设的超级爆震控制策略。超级爆震区域控制学习功能开启后，超级爆震实际控制区域明显增大，对发动机的保护作用明显增强。

图6 超级爆震控制区域学习示意图Fig.6 Schematic diagram of super knock control area learning

考虑到开启超级爆震区域控制学习功能后，发动机较长时间处在特殊控制区域，对车辆的动力性和驾驶性存在一定影响，故系统设定了功能退出逻辑，在超级爆震区域控制激活后，如果一定里程内控制区域未再扩大，同时并未监测到明显的爆震信号，系统会认为发动机超级爆震发生频率已显著降低，系统可退出区域控制，若再次监测到超级爆震发生，系统会再次启动相关功能，在保护发动机的同时，尽量较少超级爆震功能对发动机、车辆的负面影响

同时考虑到市售车辆油品质量问题，开发了劣质油品超级爆震控制功能，系统监测到每缸平均退角均满足限值要求时，会触发相关控制功能，劣质油品超级爆震控制策略同正常燃油类似，区别在于更大的保护力度以及更加苛刻的退出条件，确保发动机在加注品质较低燃油时也能较好地保护发动机，降低超级爆震带来的损害。

5 结语

本文从控制理论、监测手段、控制策略、降低发生概率的方面分析了超级爆震的生成原因，以及相对应的控制方式与试验方法。目前对于PFI涡轮增压发动机，无论从市场反馈还是在试验开发过程中都发现了不同程度的超级爆震现象，发动机管理系统必须要在超级爆震发生后减小其对发动机带来的损害，同时要将相应的控制策略对发动机排放、动力性造成的负面影响降到最低，还要通过技术手段尽可能地降低超级爆震的发生概率，保护发动机的同时，尽量提高车辆的驾驶表现。

目前发动机管理系统可以做到对超级爆震的有效检测和较为合理的控制，但上述提及的内容仍需要控制理论与策略的不断完善，并进行大量科学的有效的试验，方能找到最合理平衡的控制方式以满足车辆开发的需求，同时持续改进技术，进一步提升发动机管理系统的精准控制能力。