汽油发动机爆震控制系统的设计

【摘要】介绍了汽油发动机爆震现象的产生原因、危害，爆震系统的控制原理、结构、及实现防止爆震的方法，设计出汽油发动机爆震控制系统。通过分析发动机爆震控制系统的特点，设计相应的控制策略。实验结果表明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】发动机；爆震控制；汽油喷射；点火提前角

1.引言

发动机的爆震就是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。爆震现象不仅对汽油发动机的组成结构产生很大的危害，而且还制约汽油机压缩比的提高，降低热利用率，降低燃油经济率。因此防爆震可以获得较好的汽油发动机的动力性和燃油经济性以及延长发动机的寿命。

2.发动机爆震控制系统的原理

爆震控制系统通过爆震传感器来检测爆震信号，并通过一定的判断算法对爆震进行判别。通过检测发动机工作工程中每个气缸的爆震强度，并根据爆震控制系统内的爆震指标修正下一个循环的点火提前来实现对爆震强度等级控制。爆震控制系统的原理图如图1所示。

图1 爆震控制系统原理图

一般传统发动机爆震控制，为了使其不产生爆震无论在任何工况下，其点火时刻都设定在微爆震（爆震边缘）的范围以内，这样必然会使发动机输出的功率降低，燃油消耗增加。试验表明，发动机爆震是在一定的负荷下发生的，一般中小负荷下不易发生爆震。尤其低负荷下，此时不适合采用控制爆震的方法来调整点火提前角，我们通常采用开环控制方案控制点火提前角。此时不用电控检测爆震传感器传来的信号，只按照控制系统中存储的相关信息及相关传感器控制点火提前角的大小。我们如何判断在某一时刻究竟采用开环控制还是闭环控制，只要电子控制对各相关传感器输送过来的信号加以处理分析从而实现对发动机的相关控制。

图2 爆震控制系统组成

图3 爆震控制过程

3.发动机爆震控制系统的设计

3.1 系统硬件设计

爆震控制系统由爆震传感器，检测电路，控制电路和执行器组成，如图2所示。在爆震发生时，能测出通过的原件声波。压电陶瓷片是爆震传感器的主要元件，当它受到机械震动时会发出电压信号，只要处理结果确定发生爆震后，控制电路即根据给定的程序由执行器推迟点火时间。没有爆震发生就增加点火提前角使其接近微爆震，使发动机达到最大输出功率，控制过程如图3所示。

3.2 爆震控制系统程序设计

虽然在非爆震情况下爆震信号处理芯片的积分电压大约为1V，但是在0.18～12V上下有微小的波动，况且发动机的工作环境决定其易受许多因素影响比如发动机较长时间运行、机械磨损、更换燃油、转速和负荷变化等，发动机的振动情况都会发生变化，甚至在同等级爆震强度时传感器测得的信号大小也会发生变化。为了更加精确的判断，下面我们选用一种能随发动机工作条件改变的爆震判定的计算方法。

将临界电压值Xref设为连续N个（取为8）正常燃烧循环爆震信号处理芯片积分电压平均值

式中x[N-m]表示各正常燃烧循环中心频率下，爆震信号处理芯片对爆震信号积分后的电压值。这样每计算出一个循环的振幅值x[N]的N分之一，就减去最前面的x[1]/N，再加上本循环前的Xref，重新进行计算，就可以不断地更新Xref。在发动机刚进入某一稳态工况运行时，发生爆震的几率很小，所以刚开始的N个循环不必进行爆震判断，而是将其积分电压N分之一相加，作为N个循环爆震信号处理芯片积分电压平均参考值Xref。在N个循环之后，如果某一循环被判断为爆震燃烧循环，则不进行Xref的更新计算，下次燃烧循环积分电压平均参考值沿用以前的Xref。爆震发生时，将芯片的积分电压X与前面连续N个（取为8）正常燃烧循环的爆震临界值Xref进行对比，计算k=X/Xref。

爆震控制系统程序流程图如图4所示。

图4 爆震控制系统程序流程图

4.结果分析

根据以上程序在试验台架上做发动机爆震控制实验，对发动机的负荷，点火提前角以及转速等进行全面控制，验证该系统用于发动机爆震控制系统的实际效果。我们从发动机的排放排放量来看，实验结果如图5和图6所示。要尽量使发动机燃烧处于临界的轻微爆震，只要通过爆震控制系统最大限度地增大点火提前角即可。针对目前的爆震控制系统的检测判断模型，可以实施一定的强化措施，即一方面增大基本点火提前角，另一方面适当加大爆震临界值。但是，在现在追求充分燃烧的同时，必须兼顾发动机的机械强度和安全性，不断加强和完善控制系统，实现更准确对爆震燃烧的控制。

图5 中等负荷下HC排放比

图6 中等负荷下CO排放对比

5.结论

强爆震对发动机有极大损害，而微爆震态燃油消耗最佳。利用爆震传感器和以上控制策略，实验证明汽车电子控制系统可以同时达到避免强爆震和最佳燃油利用率目标以及实现提高发动机的经济性和排放性的作用。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造[M].人民交通出版社，2008.

[2]卓斌.现代汽油机电控系统的爆震检和控制[J].车用发动机，2000，3.

[3]刘永长.内燃机原理[M].武汉：华中科技大学出版社， 2008.

作者简介：王丙涛（1991—），男，河南濮阳人，研究方向：汽车运用工程。

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