基于爆震信號的發動機燃燒特性研究

爆炸聲是發動機工作中的不正常燃燒。它導致了發動機過度工作，功率下降，油耗效率降低。利用爆震傳感器,提取發動機爆震信號的特征,可以準確地判斷爆震是否發生和爆震強度的大小,進而控制發動機工作在最佳工況。1發動機爆炸1.1汽油燃燒火焰爆震是發動機運行時一種不正常燃燒的現象。發動機正常燃燒時,火花塞接到ECU的點火信號后,對可燃混合氣進行點火,火焰從火焰核心(離火花塞近的可燃混合氣)以30~40m/s的速度,向四周的未燃燒的混合氣區傳播,使燃燒室內混合氣循序燃燒,直至結束。汽油機發生爆震時,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,此處的局部溫度由于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,這時末端混合氣在正常火焰傳播到以前先行發火燃燒。這種自行發火燃燒會發出極強的火光,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數倍甚至數十倍。當正常燃燒和爆震兩個方向相反的燃燒壓力波相遇時,會產生劇烈的氣體震動,并發出特有的金屬撞擊聲,所以稱為“爆震”。輕微的爆震無法被人的感官所察覺,在此我們稱它為‘無感爆震’,因此當你能感覺得到引擎爆震所產生的噪音和震動時,這時的爆震情況已經嚴重得超乎你的想象,我們稱它為“有感爆震”。發生有感爆震時,發動機有噠噠的金屬敲擊發動機缸體的聲音,而且發動機各部件溫度急劇上升,油耗增大,發動機和車身能感到震動。1.2爆以進氣柱的振動引起發動機產生爆震會使發動機機工作粗爆,功率下降,燃油經濟性變差,嚴重時甚至會損害發動機相關零部件。(1)振動和噪音加大。發動機敲缸導致振動和噪音加大,特別是振動,會嚴重影響車輛的運行的平穩,怠速的時候發動機會嚴重抖動,使得舒適性急劇下降。由于這種非正常被點燃的可燃混合氣會放出超頻的能量,而且在氣缸內以高速傳播,這樣就產生了較大的壓力沖擊波,氣缸的體積又很小,這些沖擊波就在氣缸壁面上反復反射,造成強大的振動并產生高頻噪聲,同時這種振動波的力量,是與活塞運動方向相反的,也就是說此時活塞還未完成壓縮行程,仍在上行的時候,非正常點燃的混合氣產生的沖擊波會與活塞發生沖突,這樣會導致活塞敲擊缸體,即“敲缸”現象。(2)功率急劇下降和油耗量迅速上升。爆燃會產生帶有強大能量的壓力波,以很高的頻率對氣缸壁進行反復沖擊,這就使氣缸壁面的氣膜變薄,發動機產生的熱量就會很快的通過氣缸壁散發掉,造成氣缸的傳熱損失增大,從而導致發動機功率下降,燃料消耗率上升,同時導致汽油機過熱,冷卻水和機油溫度增高。另外,由于此時產生的能量是與活塞運動方向相反的,也就是說此時產生的是“副作用”的能量,這樣的能量不僅不能用來驅動汽車,相反會阻礙發動機的運轉,因此功率的急劇下降和油耗量的迅速上升就成了必然。(3)損害汽缸壁及其他零件。如果發動機持續產生爆震,不能得以很好的解決的話,還會嚴重損害發動機。當爆震時,會有大量的壓力沖擊波對氣缸壁進行反復敲擊,如此大能量的沖擊波反復敲擊,對氣缸壁油膜的破壞是相當大的,對氣缸壁的損害也是相當大的,如果爆震持續時間較長,程度較嚴重時就會損壞發動機的相關零部件。1.3燃燒油氣時因起源的原因發生爆震造成爆震最主要有以下幾點原因:(1)點火角過于提前。點火時間過于提前,是發動機發生爆震最主要的原因。為了使活塞在壓縮上止點結束后,一進入動力沖程能立即獲得動力,通常都會在活塞達到上止點前提前點火(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行程時,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。(2)發動機過度積碳。車子用久了以后,發動機氣缸內就可能產生積碳,尤其是常常在堵車嚴重的城市里行駛的車子,由于汽油不能夠充分燃燒,其中的碳原子和氧分子不能全部轉化CO(3)發動機溫度過高。發動機在太熱的環境使得進氣溫度過高,或是發動機冷卻水循環不良,都會造成發動機高溫而爆震。(4)空燃比不正確。過于稀的燃料空氣混合比,會使得燃燒溫度提升,而燃燒溫度提高,會造成發動機溫度提升,當然容易爆震。(5)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。壓縮比高的發動機,燃燒室的壓力較高,若是使用抗爆震性低的燃油,則容易發生爆震。2爆炸儀2.1爆震傳感器控制為了有效抑制爆震,從用戶因素來說,我們應該選用合適的汽油標號,定期清除積碳,采用合適的汽油添加劑,避免長時間高檔低速行駛;從發動機設計來說,最快速且有效的抑制爆震的方法,就是延后點火提前角,降低燃燒壓力。所以爆震傳感器動作原理是:當偵測到發動機爆震時,則將點火提前角延后到不會爆震的點火時機,待發動機不爆震時,再慢慢的將點火提前回復。爆震傳感器是利用加速度傳感器來量測發動機的加速度變化,也就是震動。在調校爆震傳感器器時,會把爆震的震動模式寫入ECU中,一旦爆震傳感器偵測出該震動模式,ECU則判定發動機爆震,隨即延后點火提前角。其簡單的示意圖見圖1。點火時間過早,是產生爆震的一個主要原因,圖2所示為爆震與點火時刻、發動機扭矩的關系。發動機發出最大扭矩的點火時刻MBT,是在開始產生爆震點火時刻(爆震極限)的附近。因此,在設定點火時刻時,需要留有離開爆震界限的余量。無爆震控制時,所留余量應大些,這時的點火時刻,比發出最大扭矩時的點火時刻滯后,所以扭矩有所降低。如果用爆震傳感器能檢測到爆震界限,那么就可以把點火時刻調到接近爆震極限的位置,就可以更有效地得到發動機的輸出功率。2.2爆震產生的磁心常見的爆震傳感器有兩種,一種是磁致伸縮式爆震傳感器,另一種是壓電式爆震傳感器。在實際應用中,運用最多的是壓電式爆震傳感器。(1)磁致伸縮式爆震傳感器。圖3所示為磁致伸縮式爆震傳感器的結構,該傳感器由殼體永久磁鐵、可被永久磁鐵勵磁的強磁體鐵心、纏繞在鐵心周圍的線圈等構成。發動機爆震時產生的壓力波,其頻率范圍約為1~10kHz。壓力波傳給氣缸,當發動機缸體振動時,在7kHz左右將發生共振,在強磁體鐵心上發生的壓縮變形,將使其磁通量發生變化。這樣,永久磁鐵通過鐵心的磁場變化,使鐵心周圍的感應電動勢發生變化。(2)壓電式爆震傳感器。圖4所壓電式爆震傳感器的結構,該傳感器由壓電元件、配重塊及導線等構成。當發動機缸體的振動傳到爆震傳感器殼體時,殼體與配重塊之間產生相對運動,從而使夾在中間的壓電元件所承受的推壓力變化。于是,隨著壓電元件承受推壓作用力而產生電壓。在控制組件上只檢出頻率達到7kHz左右時爆震所產生的電壓,通過該電壓值的大小可判定爆震強度。2.3不導通電阻,有爆震傳感器故障可以通過以下手段進行檢測:(1)爆震傳感器電阻的檢測。點火開關置于“OFF”位置,拔開爆震傳感器導線接頭。對于壓電式爆震傳感器,用萬用表檢測爆震傳感器的接線端子與外殼間的電阻,應為∞(不導通);若為0Ω(導通)則須更換爆震傳感器。對于磁致伸縮式爆震傳感器,可以用萬用表檢測線圈的電阻,其阻值應符合其技術要求的規定值,否則應更換傳感器。(2)爆震傳感器輸出信號的檢查。拔開爆震傳感器的連接插頭,在發動機怠速時,用萬用表電壓檔檢查爆震傳感器的接線端子與搭鐵間的電壓,應有脈沖電壓輸出。如沒有,應更換爆震傳感器。(3)其他有關電路的檢測。判斷傳感器出現的故障時,不應只考慮傳感器本身,而應考慮出現故障的整個電路。因此,在查找故障時,除了檢查傳感器之外,還要檢查線束、插接件以及傳感器與電控單元之間的有關電路。3爆震傳感器檢測筆者在工作中遇到一例由線路問題引起的發動機爆震傳感器故障。一臺LJ474Q3E2發動機在試驗室進行性能測試,試驗人員反映:發動機在高速運行時故障燈點亮,用故障診斷儀檢測為爆震傳感器故障。但更換爆震傳感器和發動機ECU后,故障仍未排除。在對故障進行驗證后發現:發動機轉速在4000~5000r/min時,發動機故障燈都會點亮,而且使用故障診斷儀可以調出發動機電腦中存儲了爆震傳感器的故障碼,故障碼可以清除,但運行發動機時還會再次出現。檢查中還發現,無論發動機故障燈是否點亮,發動機工作都很正常,加速順暢,當發動機故障燈點亮時,點火提前角的數值也正常。參考電路圖,爆震傳感器的工作電路比較簡單。雖然已經更換過發動機電腦和爆震傳感器,沒有排除故障,但是發動機電腦的工作條件是否正常還需要確認。于是筆者又靜態檢查了一遍發動機電腦的供電電源及搭鐵線,均無問題。為了排除由于臺架振動造成發動機ECU存儲爆震傳感器故障碼的可能性,將爆震傳感器從發動機缸體上拆下來,仍然連著發動機線束,但爆震傳感器的故障碼依然存在。考慮到如果發電機出現脈動電壓,會影響到發動機ECU的工作,因此又在發動機工作時動態檢查了一遍發動機ECU的供電電源、搭鐵線以及充電系統數據流,還是沒有發現問題。后來在此基礎上更換了發動機控制線束,故障終于排除了。故障雖然排除,但為了尋找原因,當再次檢查故障發動機控制線束時,筆者注意到爆震傳感器本身線路帶有屏蔽護套,屏蔽網線應該與搭鐵線導通。檢測發現,故障線束中爆震傳感器屏蔽網線與搭鐵線幾乎要斷