汽油發動機爆震控制系統的設計

德州學院汽車工程學院 王丙濤

1.引言

發動機的爆震就是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。爆震現象不僅對汽油發動機的組成結構產生很大的危害，而且還制約汽油機壓縮比的提高，降低熱利用率，降低燃油經濟率。因此防爆震可以獲得較好的汽油發動機的動力性和燃油經濟性以及延長發動機的壽命。

2.發動機爆震控制系統的原理

爆震控制系統通過爆震傳感器來檢測爆震信號，并通過一定的判斷算法對爆震進行判別。通過檢測發動機工作工程中每個氣缸的爆震強度，并根據爆震控制系統內的爆震指標修正下一個循環的點火提前來實現對爆震強度等級控制。爆震控制系統的原理圖如圖1所示。

圖1 爆震控制系統原理圖

一般傳統發動機爆震控制，為了使其不產生爆震無論在任何工況下，其點火時刻都設定在微爆震（爆震邊緣）的范圍以內，這樣必然會使發動機輸出的功率降低，燃油消耗增加。試驗表明，發動機爆震是在一定的負荷下發生的，一般中小負荷下不易發生爆震。尤其低負荷下，此時不適合采用控制爆震的方法來調整點火提前角，我們通常采用開環控制方案控制點火提前角。此時不用電控檢測爆震傳感器傳來的信號，只按照控制系統中存儲的相關信息及相關傳感器控制點火提前角的大小。我們如何判斷在某一時刻究竟采用開環控制還是閉環控制，只要電子控制對各相關傳感器輸送過來的信號加以處理分析從而實現對發動機的相關控制。

圖2 爆震控制系統組成

圖3 爆震控制過程

3.發動機爆震控制系統的設計

3.1 系統硬件設計

爆震控制系統由爆震傳感器，檢測電路，控制電路和執行器組成，如圖2所示。在爆震發生時，能測出通過的原件聲波。壓電陶瓷片是爆震傳感器的主要元件，當它受到機械震動時會發出電壓信號，只要處理結果確定發生爆震后，控制電路即根據給定的程序由執行器推遲點火時間。沒有爆震發生就增加點火提前角使其接近微爆震，使發動機達到最大輸出功率，控制過程如圖3所示。

3.2 爆震控制系統程序設計

雖然在非爆震情況下爆震信號處理芯片的積分電壓大約為1V，但是在0.18～12V上下有微小的波動，況且發動機的工作環境決定其易受許多因素影響比如發動機較長時間運行、機械磨損、更換燃油、轉速和負荷變化等，發動機的振動情況都會發生變化，甚至在同等級爆震強度時傳感器測得的信號大小也會發生變化。為了更加精確的判斷，下面我們選用一種能隨發動機工作條件改變的爆震判定的計算方法。

將臨界電壓值Xref設為連續N個(取為8)正常燃燒循環爆震信號處理芯片積分電壓平均值

式中x[N-m]表示各正常燃燒循環中心頻率下，爆震信號處理芯片對爆震信號積分后的電壓值。這樣每計算出一個循環的振幅值x[N]的N分之一，就減去最前面的x[1]/N，再加上本循環前的Xref，重新進行計算，就可以不斷地更新Xref。在發動機剛進入某一穩態工況運行時，發生爆震的幾率很小，所以剛開始的N個循環不必進行爆震判斷，而是將其積分電壓N分之一相加，作為N個循環爆震信號處理芯片積分電壓平均參考值Xref。在N個循環之后，如果某一循環被判斷為爆震燃燒循環，則不進行Xref的更新計算，下次燃燒循環積分電壓平均參考值沿用以前的Xref。爆震發生時，將芯片的積分電壓X與前面連續N個(取為8)正常燃燒循環的爆震臨界值Xref進行對比，計算k=X/Xref。

爆震控制系統程序流程圖如圖4所示。

圖4 爆震控制系統程序流程圖

4.結果分析

根據以上程序在試驗臺架上做發動機爆震控制實驗，對發動機的負荷，點火提前角以及轉速等進行全面控制，驗證該系統用于發動機爆震控制系統的實際效果。我們從發動機的排放排放量來看，實驗結果如圖5和圖6所示。要盡量使發動機燃燒處于臨界的輕微爆震，只要通過爆震控制系統最大限度地增大點火提前角即可。針對目前的爆震控制系統的檢測判斷模型，可以實施一定的強化措施，即一方面增大基本點火提前角，另一方面適當加大爆震臨界值。但是，在現在追求充分燃燒的同時，必須兼顧發動機的機械強度和安全性，不斷加強和完善控制系統，實現更準確對爆震燃燒的控制。

圖5 中等負荷下HC排放比

圖6 中等負荷下CO排放對比

5.結論

強爆震對發動機有極大損害，而微爆震態燃油消耗最佳。利用爆震傳感器和以上控制策略，實驗證明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以及實現提高發動機的經濟性和排放性的作用。

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