汽车发动机的爆震分析与控制

收稿日期:2000-12-10

作者简介:万曼影(1952- ),女,副教授,从事动力与能源工程教学与科研工作。

文章编号:1006 1355(2001)03 0042-05

汽车发动机的爆震分析与控制

万曼影,王俊雄,邓真全,施锡钜

(上海交通大学 动力与能源工程学院,上海 200030)

摘要:本文对发动机爆震现象的产生原因、检测手段和利用电子控制系统防止爆震的方法进行了剖析研究。简述了电控系统的组成、控制原理和控制软件。电子控制使汽车发动机的动力性能、经济性和排放污染得到了很大的改善。

关键词:汽油喷射;爆震;电子控制系统;车用发动机;怠速;点火提前角中图分类号:T B 533+.2 文献标识码:A

Vehicle engine knock analysis and control

WAN Man y ing WANG Jun x iong DEN G Zhen quan SH I X i j u

(Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200030,China)

Abstract:This paper analyses the cause of knock phenomena of vehicle eng ine,its detec tion method and the w ay to avoid it by Electronic Control Unit (ECU )for vehicle engines.A brief discussion about the ECU structure,control principle and softw are are presented.T hrough the electronic control,the dynamic perform ance,fuel economy,and exhaust emission of the engine are considerably improved.

Key words:fuel injection;eng ine knock;electronic control unit;vehicle eng ine;ig nition advancing angle;idle speed

引 言

汽车电子控制系统使整车的动力性能、燃油经济性和可靠性有很大的提高。这项技术最先于1957年在美国研制成功,但当时由于电子管的可靠性差,未能得到推广。随着大规模集成电路和微处理器技术的发展,对车用发动机的多参数综合控制成为可能。且由于可靠性和价格的优势,电控燃油喷射的应用日益普遍。电子控制系统由安装在发电机上的各传感器、电子控制单元(ECU )和执行器组成,主要控制喷油器、点火线圈、怠速旁通阀、电动燃油泵等。控制参数分别为循环喷油量、点火时间和长度、怠速旁通阀开度。ECU 根据控制要求对不同传感器进行采样,按一定的控制规律输出控制

参数,使发动机工作在最佳状态。这其中包括

由进气量和氧传感器反映的来控制循环喷油量,由霍尔传感器来控制旁通阀开度,也包括对点火提前角影响极大的爆震信号。本文主要讨论发动机爆震现象的产生原因,检测手段,利用电子控制系统防止爆震和获取最佳燃油利用率的方法。

1 发动机爆震产生原因

汽车发动机是利用火花塞跳火将混合气点燃,使火焰在混合气内不断传播进行燃烧。如果点火时间过早或油品质不好,火焰在传播途中当压力异常升高时,一些部位的混合气不等火焰传到,就自己着火燃烧,造成瞬时爆发燃烧,由此引起的气体冲击波冲击汽缸壁产生金属敲击声,这

种现象称为爆震。爆震引起的主要危害有:一是噪音,二是振动。振动很可能使发动机损坏,特别在大负荷条件下,这种可能性更大。

爆震与点火时刻存在着密切关系。点火提前角越大,燃烧的最大压力也越大,就越容易产生爆震(图1中B 点)。爆震还与燃烧抗爆性、喷油量、汽缸温度、转速、

负荷等多种因素相关。

图1 点火时刻与气缸压力曲线的关系

爆震并非仅仅有害。试验证明,发动机发出最大扭矩的点火时刻是在开始产生爆震点火时刻的附近,发生轻微爆震时燃油利用率最佳。曲线A 为无燃烧时压力曲线,曲线B 为爆震出现时压力曲线,曲线C 为理想压力曲线,曲线D 远离无爆震,但效率不高。

2 发动机爆震检测

汽车发动机震动噪声主要来自受到气体作用力及往复惯性力和离心力,处于变速运动中的活塞 曲柄 连杆机构,尽管采取了动平衡,曲轴扭矩减震器,润滑等许多措施,仍有可观的噪声。在频谱图中,有一个与气体作用力相关的主峰,与往复惯性力和离心力相关的小峰以及其它一些谐波成分。爆震也是一种气体作用力,异常之处是其窄时段与强冲击,震动即高振幅宽频带噪声,仅发生于点火时刻前后。在频谱图中,主峰位置几乎不变,但峰值更高,谐波成分更多。(图2)根据其异常特征,可以设计

传感器和信号滤波器,将爆震信号从其它震动

信号中分离出来。

图2 爆震噪声频谱分布图

爆震传感器的功能是将发动机震动转换成

电压信号,以检测发动机的爆震强度。当发动机产生设定的爆震强度时,爆震传感器输出最大电压信号,用以表示发动机异常振动。爆震传感器的种类较多,现在采用最多的是宽幅共振电压式传感器,其输出特性如图3

所示。虽然其输出的峰值电压较低,但可在较大的振荡频率范围内检测共振电压,当发动机发生轻微爆震时,此传感器就可输出较大的电压信号,使微机及早检测到发动机爆震的产生。由于宽幅式共振传感器具有感测频率范围较广的优点,因此它适应于检测随发动机转速变化而产生的不同爆震频率,及不同发动机所具有的不同的爆震频率(图3)。

图3 爆震传感器的特性

发动机的振动频繁而剧烈,为了只检测爆震信号,防止发生错误的爆震判别,因而只限于辨别发动机点火后爆震发生时的振动。在这个范围内,爆震传感器的信号才被输入比较电路