基于爆震信號的發(fā)動機(jī)燃燒特性研究

基于爆震信號的發(fā)動機(jī)燃燒特性研究

爆炸聲是發(fā)動機(jī)工作中的不正常燃燒。它導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)過度工作，功率下降，油耗效率降低。利用爆震傳感器,提取發(fā)動機(jī)爆震信號的特征,可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生和爆震強(qiáng)度的大小,進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)工作在最佳工況。1發(fā)動機(jī)爆炸1.1汽油燃燒火焰爆震是發(fā)動機(jī)運(yùn)行時一種不正常燃燒的現(xiàn)象。發(fā)動機(jī)正常燃燒時,火花塞接到ECU的點(diǎn)火信號后,對可燃混合氣進(jìn)行點(diǎn)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(qū)傳播,使燃燒室內(nèi)混合氣循序燃燒,直至結(jié)束。汽油機(jī)發(fā)生爆震時,在汽油機(jī)燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程中,遠(yuǎn)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(chǎn)生自發(fā)反應(yīng),形成一個或多個火焰核心,這時末端混合氣在正常火焰?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火燃燒。這種自行發(fā)火燃燒會發(fā)出極強(qiáng)的火光,燃燒溫度常在4000℃以上,火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)200~1000m/s以上,比正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀邤?shù)倍甚至數(shù)十倍。當(dāng)正常燃燒和爆震兩個方向相反的燃燒壓力波相遇時,會產(chǎn)生劇烈的氣體震動,并發(fā)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(dāng)你能感覺得到引擎爆震所產(chǎn)生的噪音和震動時,這時的爆震情況已經(jīng)嚴(yán)重得超乎你的想象,我們稱它為“有感爆震”。發(fā)生有感爆震時,發(fā)動機(jī)有噠噠的金屬敲擊發(fā)動機(jī)缸體的聲音,而且發(fā)動機(jī)各部件溫度急劇上升,油耗增大,發(fā)動機(jī)和車身能感到震動。1.2爆以進(jìn)氣柱的振動引起發(fā)動機(jī)產(chǎn)生爆震會使發(fā)動機(jī)機(jī)工作粗爆,功率下降,燃油經(jīng)濟(jì)性變差,嚴(yán)重時甚至?xí)p害發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件。(1)振動和噪音加大。發(fā)動機(jī)敲缸導(dǎo)致振動和噪音加大,特別是振動,會嚴(yán)重影響車輛的運(yùn)行的平穩(wěn),怠速的時候發(fā)動機(jī)會嚴(yán)重抖動,使得舒適性急劇下降。由于這種非正常被點(diǎn)燃的可燃混合氣會放出超頻的能量,而且在氣缸內(nèi)以高速傳播,這樣就產(chǎn)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(fù)反射,造成強(qiáng)大的振動并產(chǎn)生高頻噪聲,同時這種振動波的力量,是與活塞運(yùn)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(diǎn)燃的混合氣產(chǎn)生的沖擊波會與活塞發(fā)生沖突,這樣會導(dǎo)致活塞敲擊缸體,即“敲缸”現(xiàn)象。(2)功率急劇下降和油耗量迅速上升。爆燃會產(chǎn)生帶有強(qiáng)大能量的壓力波,以很高的頻率對氣缸壁進(jìn)行反復(fù)沖擊,這就使氣缸壁面的氣膜變薄,發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量就會很快的通過氣缸壁散發(fā)掉,造成氣缸的傳熱損失增大,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降,燃料消耗率上升,同時導(dǎo)致汽油機(jī)過熱,冷卻水和機(jī)油溫度增高。另外,由于此時產(chǎn)生的能量是與活塞運(yùn)動方向相反的,也就是說此時產(chǎn)生的是“副作用”的能量,這樣的能量不僅不能用來驅(qū)動汽車,相反會阻礙發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),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(fā)動機(jī)持續(xù)產(chǎn)生爆震,不能得以很好的解決的話,還會嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動機(jī)。當(dāng)爆震時,會有大量的壓力沖擊波對氣缸壁進(jìn)行反復(fù)敲擊,如此大能量的沖擊波反復(fù)敲擊,對氣缸壁油膜的破壞是相當(dāng)大的,對氣缸壁的損害也是相當(dāng)大的,如果爆震持續(xù)時間較長,程度較嚴(yán)重時就會損壞發(fā)動機(jī)的相關(guān)零部件。1.3燃燒油氣時因起源的原因發(fā)生爆震造成爆震最主要有以下幾點(diǎn)原因:(1)點(diǎn)火角過于提前。點(diǎn)火時間過于提前,是發(fā)動機(jī)發(fā)生爆震最主要的原因。為了使活塞在壓縮上止點(diǎn)結(jié)束后,一進(jìn)入動力沖程能立即獲得動力,通常都會在活塞達(dá)到上止點(diǎn)前提前點(diǎn)火(因?yàn)閺狞c(diǎn)火到完全燃燒需要一段時間)。而過于提早的點(diǎn)火,會使得活塞還在壓縮行程時,大部分油氣已經(jīng)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(fā)動機(jī)過度積碳。車子用久了以后,發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)就可能產(chǎn)生積碳,尤其是常常在堵車嚴(yán)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(zhuǎn)化CO(3)發(fā)動機(jī)溫度過高。發(fā)動機(jī)在太熱的環(huán)境使得進(jìn)氣溫度過高,或是發(fā)動機(jī)冷卻水循環(huán)不良,都會造成發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)溫度提升,當(dāng)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(biāo),辛烷值越高,抗爆震性越強(qiáng)。壓縮比高的發(fā)動機(jī),燃燒室的壓力較高,若是使用抗爆震性低的燃油,則容易發(fā)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(yīng)該選用合適的汽油標(biāo)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(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)來說,最快速且有效的抑制爆震的方法,就是延后點(diǎn)火提前角,降低燃燒壓力。所以爆震傳感器動作原理是:當(dāng)偵測到發(fā)動機(jī)爆震時,則將點(diǎn)火提前角延后到不會爆震的點(diǎn)火時機(jī),待發(fā)動機(jī)不爆震時,再慢慢的將點(diǎn)火提前回復(fù)。爆震傳感器是利用加速度傳感器來量測發(fā)動機(jī)的加速度變化,也就是震動。在調(diào)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(fā)動機(jī)爆震,隨即延后點(diǎn)火提前角。其簡單的示意圖見圖1。點(diǎn)火時間過早,是產(chǎn)生爆震的一個主要原因,圖2所示為爆震與點(diǎn)火時刻、發(fā)動機(jī)扭矩的關(guān)系。發(fā)動機(jī)發(fā)出最大扭矩的點(diǎn)火時刻MBT,是在開始產(chǎn)生爆震點(diǎn)火時刻(爆震極限)的附近。因此,在設(shè)定點(diǎn)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(yīng)大些,這時的點(diǎn)火時刻,比發(fā)出最大扭矩時的點(diǎn)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(diǎn)火時刻調(diào)到接近爆震極限的位置,就可以更有效地得到發(fā)動機(jī)的輸出功率。2.2爆震產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用中,運(yùn)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(jié)構(gòu),該傳感器由殼體永久磁鐵、可被永久磁鐵勵磁的強(qiáng)磁體鐵心、纏繞在鐵心周圍的線圈等構(gòu)成。發(fā)動機(jī)爆震時產(chǎn)生的壓力波,其頻率范圍約為1~10kHz。壓力波傳給氣缸,當(dāng)發(fā)動機(jī)缸體振動時,在7kHz左右將發(fā)生共振,在強(qiáng)磁體鐵心上發(fā)生的壓縮變形,將使其磁通量發(fā)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(yīng)電動勢發(fā)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(jié)構(gòu),該傳感器由壓電元件、配重塊及導(dǎo)線等構(gòu)成。當(dāng)發(fā)動機(jī)缸體的振動傳到爆震傳感器殼體時,殼體與配重塊之間產(chǎn)生相對運(yùn)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(chǎn)生電壓。在控制組件上只檢出頻率達(dá)到7kHz左右時爆震所產(chǎn)生的電壓,通過該電壓值的大小可判定爆震強(qiáng)度。2.3不導(dǎo)通電阻,有爆震傳感器故障可以通過以下手段進(jìn)行檢測:(1)爆震傳感器電阻的檢測。點(diǎn)火開關(guān)置于“OFF”位置,拔開爆震傳感器導(dǎo)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(yīng)為∞(不導(dǎo)通);若為0Ω(導(dǎo)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(yīng)符合其技術(shù)要求的規(guī)定值,否則應(yīng)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(fā)動機(jī)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(yīng)有脈沖電壓輸出。如沒有,應(yīng)更換爆震傳感器。(3)其他有關(guān)電路的檢測。判斷傳感器出現(xiàn)的故障時,不應(yīng)只考慮傳感器本身,而應(yīng)考慮出現(xiàn)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(guān)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(fā)動機(jī)爆震傳感器故障。一臺LJ474Q3E2發(fā)動機(jī)在試驗(yàn)室進(jìn)行性能測試,試驗(yàn)人員反映:發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)行時故障燈點(diǎn)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(fā)動機(jī)ECU后,故障仍未排除。在對故障進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn):發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在4000~5000r/min時,發(fā)動機(jī)故障燈都會點(diǎn)亮,而且使用故障診斷儀可以調(diào)出發(fā)動機(jī)電腦中存儲了爆震傳感器的故障碼,故障碼可以清除,但運(yùn)行發(fā)動機(jī)時還會再次出現(xiàn)。檢查中還發(fā)現(xiàn),無論發(fā)動機(jī)故障燈是否點(diǎn)亮,發(fā)動機(jī)工作都很正常,加速順暢,當(dāng)發(fā)動機(jī)故障燈點(diǎn)亮?xí)r,點(diǎn)火提前角的數(shù)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(jīng)更換過發(fā)動機(jī)電腦和爆震傳感器,沒有排除故障,但是發(fā)動機(jī)電腦的工作條件是否正常還需要確認(rèn)。于是筆者又靜態(tài)檢查了一遍發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)ECU存儲爆震傳感器故障碼的可能性,將爆震傳感器從發(fā)動機(jī)缸體上拆下來,仍然連著發(fā)動機(jī)線束,但爆震傳感器的故障碼依然存在?？紤]到如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)脈動電壓,會影響到發(fā)動機(jī)ECU的工作,因此又在發(fā)動機(jī)工作時動態(tài)檢查了一遍發(fā)動機(jī)ECU的供電電源、搭鐵線以及充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流,還是沒有發(fā)現(xiàn)問題。后來在此基礎(chǔ)上更換了發(fā)動機(jī)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(dāng)再次檢查故障發(fā)動機(jī)控制線束時,筆者注意到爆震傳感器本身線路帶有屏蔽護(hù)套,屏蔽網(wǎng)線應(yīng)該與搭鐵線導(dǎo)通。檢測發(fā)現(xiàn),故障線束中爆震傳感器屏蔽網(wǎng)線與搭鐵線幾乎要斷