某汽油發動機爆震問題分析與解決

魏遠飛，郭偉，侯邦明

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某汽油發動機爆震問題分析與解決

魏遠飛，郭偉，侯邦明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽油發動機爆震不僅影響發動機的性能，而且引起用戶的噪聲抱怨。文章結合某汽油發動機爆震異響實際案例，分析研究了發動機爆震的原因，并基于爆震控制的策略，通過臺架標定，優化點火提前角，成功提供了汽油機爆震的解決方案。

汽油發動機；爆震；分析

引言

由于汽油發動機自身因素和外部因素的影響，在使用的過程中發生爆震等現象，發動機爆震過程中往往伴有沖擊波，從而發出尖銳的金屬敲擊聲,也就是通常所說的“敲缸”現象。

汽油發動機爆震不僅影響發動機的性能，而且引起用戶的噪聲抱怨。隨著中國汽車市場用戶的成熟度越來越高，用戶對噪聲的要求越來越高，汽油發動機爆震異響問題成為一個需要解決的問題。本文結合某汽油發動機爆震異響實際案例，分析研究了發動機爆震的可能原因及解決方案。

1 汽油發動機爆震及影響因素

汽油是以氣態與空氣混合形成可燃混合氣的，可燃混合氣在一定的溫度與壓力作用下，其中的碳氫原子與空氣中的氧發生激烈的化學反應，并伴隨有放熱和發光的效應，這一現象稱為燃燒。汽油機正常燃燒時，火花塞點火后經過短暫的著火延遲，在電極間隙附近形成火焰核心，火焰從火焰核心以30～40 m/s的速度向四周的未燃混合氣區傳播，使燃燒室內混合氣循序燃燒，直至結束。

爆震是汽油機中一種不正常的燃燒現象。在汽油機燃燒室內火焰傳播過程中，遠離火花塞的未燃混合氣(末端混合氣)被已燃混合氣的膨脹所壓縮，此處的局部溫度因熱輻射作用而超過燃料的自燃溫度，從而產生自發反應，形成一個或多個火焰核心，產生后繼性缸壓振蕩。即在正常火焰傳播到以前先行發火自燃，發出極強的火光，燃燒溫度常在4000℃以上，火焰傳播速度達200～1000m/s以上，比正常燃燒的火焰傳播速度高幾十倍。高速傳播的爆震燃燒使氣缸內產生壓力沖擊波，并在氣缸壁面上反射和反復沖擊，造成強制振動并產生高頻噪聲，即產生爆震，也就是通常所說的敲缸現象。氣缸內的燃燒壓力如圖1所示。

能夠引發爆震的因素很多，通常認為以下因素與汽油機爆震現象相關：

圖1 正常燃燒與爆震燃燒壓力對比

（1）點火角過于提前。為了使活塞在壓縮沖程上止點后，一進入做功沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞到達上止點前提前點火( 因為從點火到完全燃燒需要一段時間) 。而過于提早的點火會使得活塞還在壓縮沖程時，大部分油氣已經燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃，而造成爆震。點火時間過于提前，是發動機產生爆震最主要的原因。各種型號的發動機都有其最佳的點火特性，應選擇最佳的點火提前角，使發動機發揮其最大功率而達到降低油耗目的。

圖2 點火提前角對爆震的影響

（2）燃油辛烷值過低。辛烷值是燃油抗爆震的指標，辛烷值越高，抗爆震性越強。高壓縮比的發動機如果選用低標號汽油，則容易發生爆震。如果用戶使用的汽油辛烷值和抗爆指數實際值比要求值偏低，也容易導致爆震發生。

（3）燃燒室積碳過多。積碳的形成是由于在發動機工作過程中，燃燒不完全的燃油和機油上竄到燃燒室參與燃燒，在氧氣和高溫的作用下凝聚在燃燒室壁面、火花塞電極和活塞頂部等處形成的膠質和碳質相結合的混合物。燃燒室的積碳過多，會使燃燒室容積減小，增加壓縮比，易產生爆震。又會使積碳表面溫度較高形成熱點，容易在火焰傳播到達之前點燃混合氣引起表面點火，增加爆震傾向。因此，適當清除燃燒室、活塞頂部、氣門頭部等處積碳可減少爆震的產生。

2 汽油發動機爆震控制策略

為了提高汽車的動力性和經濟性，通常的方法是在原有基礎上增大點火提前角、增大壓縮比，但這些技術上的改進在提高了性能的同時也大大的提高了發動機爆震的傾向。因此，在發動機臺架標定時，往往需要通過爆震控制（點火提前角的調整）將發動機運行在爆震燃燒邊界點（最佳點火提前角）以發揮發動機的最佳性能而又不對發動機造成損壞。最佳點火提前角的作用就是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程。點火過早，活塞還在上行過程點火就出現燃燒氣體膨脹力向下，而活塞向上行就會出現爆震，效率降低，磨損加劇。點火過遲，氣體做功效率低，排氣聲大。在爆震控制時，隨著點火角向后推遲，爆震傾向逐漸降低，但是隨著點火角的推遲，發動機的動力性、經濟性也會同時下降，所以當ECU監測到當前爆震傾向較弱時，又會恢復推遲的點火提前角，最終將發動機的點火提前角穩定在靠近爆震線的非爆震區域邊界，以求達到發動機最好的經濟性和動力性。如圖3藍色部分是爆震控制的理想區域。

圖3 發動機爆震控制策略

3 爆震車輛數據采集和分析

為了分析確認問題，去經銷商現場分析了典型爆震異響抱怨用戶車輛，并采集了相關數據。對爆震異響抱怨用戶車輛進行測試分析發現，在爬坡工況發動機負荷rl_w從14%升到51%的過程中，通過INCA讀取爆震識別確認信號B_kl多次置位1，數據顯示有爆震發生；同時，在4km路試過程中在駕駛座位上聽到有46次清晰的“噠噠聲”。如圖4所示。

圖4 爆震異響車輛數據采集

圖5 爆震異響車輛積碳檢查

將抱怨用戶車輛發動機的火花塞拆下來檢查，未發現火花塞有明顯積碳；用內窺鏡對抱怨用戶發動機的燃燒室進行檢查，燃燒室積碳輕微，未發現有明顯積碳，如圖5。且經銷商反饋已經幫用戶清洗過一次燃燒室后，仍然有爆震異響，因此，用戶車輛爆震不是由于燃燒室積碳導致的。

從抱怨用戶車輛抽取一小瓶汽油樣品，根據GB17930- 2016對抽取汽油進行檢測，所抽取汽油的辛烷值和抗爆指數均滿足GB17930-2016的要求，如表1所示。因此，用戶車輛爆震不是因為使用了辛烷值或抗爆指數不達標的劣質汽油導致的。

表1 汽油辛烷值及抗爆指數檢查

4 發動機臺架標定數據分析及優化

如圖6所示，為發動機臺架實驗室對正常發動機某缸的爆震掃描圖，X軸為實際缸壓傳感器信號Peak（Bar），Y軸為爆震傳感器信號計算出的信噪比值Rki，藍色虛橫線為爆震識別閾值，藍色豎虛線：實際缸壓判別為真則確認為真實爆震。第一象限區和第二象限區為正常區，第三象限為爆震區，第四象限為爆震誤判區。

為了進一步分析發動機爆震異響的原因，通過隨機抽取一臺同車型批量發動機，在發動機臺架實驗室進行全面的爆震掃描，以獲取發動機在負荷為50%時的爆震掃描圖。經過對爆震掃描圖分析發現，4缸在50%負荷區存在爆震，如圖7所示。因此，該汽油發動機的點火提前角標定存在優化空間，點火提前角標定不夠完善，是導致用戶車輛爆震的原因。

圖7 改進前，汽油發動機負荷50%時的爆震掃描圖

表2 點火角進氣溫度調整標定

在發動機臺架上，對點火提前角在不同進氣溫度（trans）和不同發動機轉速（nmot_w）下進行點火提前角的調整標定，如表2所示，將用戶容易發生抱怨的工況（800rpm-3000rpm）的點火提前角進行不同程度的調減。

將優化后的發動機軟件在發動機試驗臺架上，對發動機進行臺架爆震掃描，發現負荷50%的數據明顯改善，如圖8所示。

圖8 優化后，汽油發動機負荷50%時的爆震掃描圖

5 發動機軟件優化后的實車效果驗證

將在發動機試驗臺架進行優化標定后的發動機軟件，在抱怨用戶車上進行軟件刷新前后對比試驗，模擬用戶抱怨典型工況，20度角爬坡，2000rpm加速使用工況，并錄取噪聲進行實車感知分析和噪聲頻譜對比分析發現：用戶抱怨車在發動機軟件刷新后，異響基本消除，如圖9所示。

圖9 軟件優化前后的噪聲數據對比分析

6 總結

隨著中國市場用戶的成熟度越來越高，用戶對汽車品質的要求越來越高，發動機爆震問題成為發動機標定時需要重點考慮的一個問題。本文基于發動機臺架標定試驗，通過發動機臺架掃描爆震圖，確認發動機點火提前角標定不完善是發動機爆震異響的原因。然后，通過在發動機臺架上制定調整發動機標定數據的優化方案，主要是調整發動機點火提前角。最終在抱怨用戶車輛實車驗證，成功解決了用戶抱怨的發動機爆震異響問題。

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Analysis and Resolution of a Gasoline Engine Knocking Problem

Wei Yuanfei, Guo Wei, Hou Bangming

( SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )

Gasoline engine knocking not only affects engine performance, but also causes user complaints. In this paper, the actual case of knocking noise of a gasoline engine is analyzed. Based on the strategy of knocking control, the gasoline engine-knockingproblem is successfully resolved by optimizing ignition advance angle.

Gasoline Engine; Knocking; Analysis

U464

A

1671-7988(2019)08-130-03

U464

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1671-7988(2019)08-130-03

魏遠飛（1982-），男，碩士研究生，工程師，現就職于上汽大眾汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.041