汽油發動機爆震分析與控制

王 強

(牡丹江市公路管理站)

1 發動機爆震產生原因

汽車發動機是利用火花塞跳火將混合氣點燃，使火焰在混合氣內不斷傳播進行燃燒。如果點火時間過早或油品質不好，火焰在傳播途中當壓力異常升高時，一些部位的混合氣不等火焰傳到，就自己著火燃燒，造成瞬時爆發燃燒，由此引起的氣體沖擊波沖擊汽缸壁產生金屬敲擊聲，這種現象稱為爆震。

爆震與點火時刻存在著密切關系。點火提前角越大，燃燒的最大壓力也越大，就越容易產生爆震(圖1中B點)。爆震還與燃料抗爆性、噴油量、汽缸溫度、轉速、負荷等多種因素相關。

圖1 點火時刻與氣缸壓力曲線的關系

爆震并非僅僅有害。試驗證明，發動機發出最大扭矩的點火時刻是在開始產生爆震點火時的附近，發生輕微爆震時燃油利用率最佳。曲線A為無燃燒時壓力曲線，曲線B為爆震出現時壓力曲線，曲線C為理想壓力曲線，曲線D遠離無爆震，但效率不高。

2 汽油機產生爆震的危害

(1)由于汽油機產生爆震時產生強烈的沖擊波，使活塞、連桿軸承和主軸軸承磨損加劇，造成軸承合金表層破壞。局部高溫、高壓易使活塞、氣門燒壞，嚴重影響發動機的動力，縮短發動機的使用壽命。

(2)汽油機產生爆震時燃燒室內部溫度高達3 000℃左右，壓力波和灼熱氣體對缸壁反復沖擊，破壞了缸壁等壁面的氣體附著層。高溫下的燃氣向缸壁等壁面傳熱增加，導致氣缸等零件的溫度過高，造成發動機溫度過熱，嚴重時使活塞頂部燒損。

(3)混合氣在缸內“不正常燃燒”，使氣缸蓋燃燒室積炭過多，排氣管冒黑煙。燃燒室內部高溫作用，使燃燒產物加速分解，嚴重時析出炭粒，游離炭粘附在氣缸壁、燃燒室、活塞頂、氣門頭上而形成積炭。由于積炭傳熱性較差，使缸蓋受熱不均勻而造成變形或裂紋。高溫積炭表面還會促使表面點火的產生，導致新的不正常燃燒，燃燒更加惡化，使發動機的功率及經濟性嚴重下降。同時因冷卻損失增大，游離炭來不及還原為二氧化碳，其中一部分隨廢氣排出，形成排氣管冒黑煙，污染環境有害于民。

(4)爆震時會使發動機動力下降，增加油耗。在發動機產生爆震時，局部區域的壓力和溫度很高，帶沖擊性的壓力波使一部分能量消耗在零件的變形和壓力波本身的反復振蕩上。燃燒產物的熱分解還要消耗一部分熱量，這些能量也不能回放利用。同時，由于傳給冷卻系統的熱量增多，做功的熱量進一步減少。因此，爆震時動力下降、油耗上升。

3 爆震測試方法

3.1 測氣缸壓力法

壓力示功圖是爆震引起壓力振蕩的直接信號，故測量壓力時精度較高。測量時，選用頻響足夠高的傳感器，如壓電晶體傳感器、壓電陶瓷傳感器或光纖壓力傳感器等，可以精確、不失真地測得燃燒室中的壓力振蕩，測量的精度和靈敏度高，高轉速時有較高的信噪比，不會出現誤判，測量結果可以對爆震燃燒過程進行更深入細致的分析。但使用現有的壓力傳感器，需要對氣缸蓋進行較大的加工，傳感器成本高，壽命短，故這種方法目前主要用于實驗性的研究。但不少專家預測，隨著對排放和燃油經濟性要求的提高，這種方法今后將得到廣泛應用。

3.2 測燃燒噪聲法

用壓電傳感器測量噪聲的頻率，配以相應的信號濾波處理系統和信號識別系統，如果發生爆震，則發動機固有的頻率聲級達到最大值，且爆震越強，該值越大。這種檢測方法成本低，傳感器壽命長，且檢測系統維修方便，但測量的精度、靈敏度更低，目前多用在增壓發動機上。

3.3 測機體振動法

當發動機發生爆震時，氣缸內產生巨大的壓力波沖擊缸蓋和缸壁，從而加劇了機體的振動，故測振動也可以判斷爆震。在機體或氣缸蓋上的合適位置上安裝振動(加速度)傳感器，測量由爆震時的壓力振蕩所引起的機體振動，調整傳感器和信號識別處理系統的頻帶，使其能覆蓋發動機爆震時的振動頻率(轎車發動機爆震頻率一般為5～10 kHz之間)，并在爆震發生時與之共振，并給出相應的信號輸出。該方法目前被廣泛應用于國內外的轎車發動機上，優點是傳感器結構簡單。成本低、維修方便，適合大量生產。

4 發動機爆震控制

傳統發動機爆震控制，為了使其在最惡劣的條件下，也不致產生爆震，其點火時刻均設定在爆震邊緣的范圍以內，使其離開爆震界限并存在較大的余量。這樣勢必會降低發動機效率，使發動機輸出功率下降，燃料消耗增加。

現代發動機爆震控制系統，由爆震傳感器檢測爆震強度，在產生爆震前，微機自動減少點火提前角，使點火時刻保持在爆震邊界曲線的附近，提高發動機的功率，降低燃料的消耗。

試驗表明，當發動機的負荷低于一定值時，一般不出現爆震。這時不宜采用控制爆震的方法來調整點火提前角，可采用開環控制方案控制點火提前角。即，此時微機不再檢測分析爆震傳感器輸入信號，只按ROM中存儲的信息及有關傳感器控制點火提前的大小。顯然，要判斷在某一時刻究竟采用開環控制抑或閉環控制，可由微機對反映負荷的傳載器送來的信號進行分析予以實現。

圖2 爆震反饋控制原理圖

圖3所示為發動機爆震控制系統原理圖。當發動機產生爆震時，微機通過爆震傳感器的輸入信號和比較電路判別出發動機產生爆震，并依據爆震強度輸入信號，由微機控制延遲點火提前角的大小。當爆震現象消失時，微機恢復正常的點火提前角的控制。

當微機進行閉環控制時，其實際點火提前角的控制如圖4所示。當任何一缸產生爆震時，微機立即減少一定的點火提前角。當次缸依據點火順序再產生爆震時，同樣再減少點火提前角。以此類推，逐漸減少點火提前角。當發動機不產生爆震時，則在一定時間內，維持當前的點火提前角。在此期間，若有爆震發生，也同樣減少點火提前角;若無爆震發生，則又逐漸地增大點火提前角，一直到產生爆震時，又恢復前述的反饋控制。

5 總結

強爆震對發動機有極大損害，而微爆震態燃油消耗最佳。利用爆震傳感器和控制手段，汽車電子控制系統可以同時達到避免強爆震和最佳燃油利用率目標。發動機的多參數綜合控制可以監控多種信號和工作狀態，并根據當前狀態選擇最佳的控制策略，從而確保在任何情況下都能達到最佳控制。

圖3 點火提前角的控制

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