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汽车发动机的爆震分析与控制


汽车发动机的爆震分析与控制
文章编号: 1006 1355( 2001) 03 0042- 05

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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
WA N Man y ing WA NG Jun x iong DEN G Zhen quan SH I X i j u ( Shanghai Jiao T ong University , Shanghai 200030, China) Abstract: T his paper analyses t he cause of knock phenomena of vehicle eng ine, it s det ec t ion met hod and the w ay t o avoid it by Electronic Cont rol Unit ( ECU ) for vehicle engines. A brief discussion about the ECU st ruct ure, cont rol principle and sof tw are are present ed. T hrough the electronic control, t he dynamic perf orm ance, f uel economy, and exhaust emission of t he engine are considerably improved. Key words: fuel inject ion; eng ine knock; elect ronic cont rol unit ; vehicle eng ine; ig nition advancing angle; idle speed




汽车电子控制系统使整车的动力性能、 燃

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。

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
收稿日期: 2000- 12- 10 作者简介: 万曼影( 1952-

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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

) , 女, 副教授, 从事动力与能源工程教学与科研工作。

2001 年 6 月















第3期

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。

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
图1 点火时刻与气缸压力曲线的关系

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) 。

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。

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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
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

汽车发动机的爆震分析与控制 ( 见图 4) 。

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图 6 爆震强度的判断

现代发动机爆震控制系统, 由爆震传感器检
图4 爆震判断范围

测爆震强度, 在产生爆震前, 微机自动减少点火提 前角, 使点火时刻保持在爆震边界曲线的附近, 提 高发动机的功率, 降低燃料的消耗( 见图 7) 。

在图 5 中, 来自爆震传感器的信号, 含有各 种频率的电压信号, 首先须经滤波电路, 将爆震 信号与其他振动信号分离, 只允许特定范围频 率的爆震信号通过滤波电路, 再将此信号的最 大值与爆震强度基准值进行比较, 如大于基准 值, 则将 爆震信号电压 输入微机, 表示发生 爆 震, 由微机进行处理。

图7

爆震控制的点火提前角

试验表明, 当发动机的负荷低于一定值时, 一般不出现爆震。这时不宜采用控制爆震的方 法来调整点火提前角, 可采用开环控制方案控 制点火提前角。即, 此时微机不再检测分析爆
图5 爆震信号的判断

震传感器输入信号, 只按 ROM 中存储的信息 及有关传感器控制点火提前的大小。显然, 要 判断在某一时刻究竟采用开环控制抑或闭环控 制, 可由微机对反映负荷的传载器送来的信号 进行分析予以实现。

爆震强度以超过基准值的次数计量, 其次 数越多, 则爆震强度越大; 次数越少, 爆震强度 越小( 如图 6 所示) 。

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发动机爆震控制
图 8 爆震反馈控制原理图

传统发动机爆震控制, 为了使其在最恶劣 的条件下, 也不致产生爆震, 其点火时刻均设定 在爆震边缘的范围以内, 使其离开爆震界限并 存在较大的余量。这样势必会降 低发动机 效 率, 使发动机输出功率下降, 燃料消耗增加。

图 8 所示为发动机爆震控制系统原理图。 当发动机产生爆震时, 微机通过爆震传感器的 输入信号和比较电路判别出发动机产生爆震,

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并依据爆震强度输入信号, 由微机控制延迟点 火提前角的大小。当爆震现象消失时, 微机恢 复正常的点火提前角的控制。 当微机进行闭环控制时, 其实际点火提前 角的控制如 图 9 所 示。当任何一 缸产生爆 震 时, 微机立即减少一定的点火提前角。当次缸 依据点火顺序再产生爆震时, 同样再减少点火 提前角。以此类推, 逐渐减少点火提前角。当 发动机不产生爆震时, 则在一定时间内, 维持当 前的点火提前角。在此期间, 若有爆震发生, 也 同样减少点火提前角; 若无爆震发生, 则又逐渐 地增大点火提前角, 一直到产生爆震时, 又恢复 前述的反馈控制。

为大功率工况等。不同的工况, 采用不同的控 制规律。氧传感器用于喷油量的闭环控制。蓄 电池电压大小, 对喷油器的特性有较大的影响, ECU 利用测得的电压值, 对喷射脉冲的宽度进 行修正。爆震传感器是一个可调带通放大器, 且只在每缸的上止点前后工作, 再通过阀值比 较电路, 确定是否存在爆震。爆震传感器是点 火提前角闭环控制的基础( 图 10) 。

图 10

汽油喷射发动机电控系统的组成

目前汽油喷射发动机多采用电控多点喷射 系统。每个汽缸配备一个电控喷油器, 喷油量
图9 点火提前角的控制

与来自 ECU 的控制脉冲的宽度成正比。点火 线圈初级线圈的接通和断开受到 ECU 的控制, 接通时间越长, 点火能量越大, 断开时刻对应点 火时刻。点火线圈的高压电脉冲通过分电器分 配到四个气缸的火花塞。 ECU 通过专用电缆与各传感器和执行器 相连。为防止线缆断裂、 传感器失灵、 检测电路 发生故障等意外情况, 系统内装有一个安全电 路, 以保护发动机。一旦出现这些情况, 安全电 路将点火时刻延迟, 并且接通仪表警告灯, 警告 驾驶员爆震控制系统发生了故障。 控制软件必须考虑各种可能性, 其特点是 程序量大。它由一个主控程序、 各功能子程序 和一些中断服务程序组成。对于每个工况, 都 包括喷油量计算和点火时刻计算, 它们是定时 进行的, 即每 0. 01s 计算一次。而控制作用是 在规定的曲轴位置实现的。 喷油量、 点火提前角的控制都是在开环控 制的基础上增加闭环控制。所谓开环控制是根 据各传感器的输入值, 通过查表, 计算得到各控

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发动机的多参数综合控制
除了爆震, 电子控制系统还必须监控其它

信号与工况, 根据当前状态选择合适的控制策 略, 以达到任何情况下的最优控制。这就需要 用进气压力传感器测量进气空气流量以确定喷 油量; 用温度传感器测量进气温度和冷却水温 度。冷却水温度反映的是汽缸温度, 对发动机 燃烧过程有较大的影响, 通常, 应据此对喷油量 和点火时刻进行修正。霍尔转速传感器同时也 是曲轴位置传感器, 它安装在分电器内。分电 轴每转一转, 它发出四个脉冲, 其中一个脉冲的 占空比与其它三个有明显的不同, 用于标识第 一缸上止点的位置。每一脉冲的下降沿作为每 一缸测量和控 制的时间基准。CPU 根据各下 降沿之间的时间差, 推算出发动机的转速。节 气门位置传感器位置及其变化速率信号用于确 定发动机的工况, 例如: 提气门突然打开表示突 加速工况; 节气门关闭为怠速工况; 节气门全开

汽车发动机的爆震分析与控制 制量的基本量和增量。闭环控制时再根据控制 目标确定各控制量 的修正值。在 一定的条 件 下, 喷油量的控制目标是利用氧传感器使空燃 比达到理想值, 使排放污染最小。点火提前角 的控制目标是利用爆震传感器使发动机工作在 微弱爆震状态。从而达到最佳燃油利用率。 参考文献:
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结束语
强爆震对发动机有极大损害, 而微爆震态 燃油消耗最佳。利用爆震传感器和控制手段, 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。发动机的多参数综合控 制可以监控多种信号和工作状态, 并根据当前 状态选择最佳的控制策略, 从而确保在任何情 况下都能达到最佳控制。

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第一届中德声学创新技术研讨会在北京举行
2000 年 10 月 21 日在 北京举行了为期一天的第一届中德声学创新技术研讨会。这是高校、 科研单位以及 工业 界和商业界的新论坛, 为科学技术和经济发展之间建立 起一个桥梁, 以促进交流现 代知识、 新技术和 创新产品 方面 的经验。这次活动由 德国弗朗霍夫应用科学研究促进协 会( FHG) 和中 国科学 院主办, 得到 中国科 学发展 基金会、 中德中心、 北京科学技术研究院以及国内著名 大学等单位的支持。 为期一天的会议共有交流发言 14 篇, 涉及无纤维化新材料( 尤其是微 穿孔板) 之发展及 应用, 人 居声环境 的改 善, 音乐表演场所的研究与设计经验, 新型平面式吸声元件的 消声室, 有源噪声 控制技 术, 环 境和小 区噪声 的 CA D 设计方法, 以及未来 声设计!的先进工具、 方法和数据库等。研讨会内容丰富而安排紧凑, 出席者达 150 余人。 中科院声学所马大猷院士在开幕词中综述了历史上几位著名科学家之成就及 背景, 阐明应用科 学与基础 科学 的密切关系。并指出应用科学有很强的目的性, 往往是 工业与生产中需要解决的问题, 因此 与工业系统 紧密结合, 这一经验非常重要。同济大学声学所王季卿教授在闭幕式上, 作 了题为 声学创 新的现状与 展望! 的发言。期 望二 十一世纪是和平与繁荣的时代, 人类的生产质量将不断 提高, 许多方面需要声学创 新的服务, 预期下 一世纪将 会有 更大之发展和进步。 ( 本刊讯)

房屋隔声学的新挑战讲座研讨会
香港理工大学建筑设备工程系和机械系于 2001 年 3 月 2 日假座香港九龙 日航酒店 大厅举行为 期一天的 声学 讲座研讨会。是为香港工程技术人员继续教学而举 办的。每 年一次, 今年 是第三 次。本次以 房屋隔声 学的新 挑 战! 为主题。虽然听讲费不低( 每人一千港元) , 参加 者相当 踊跃, 达 150 余人。一些 私人顾 问公司 员工虽 不多, 亦 会派出多人参加听讲, 可见大家对学术交流活动的 重视。讲 座组织者 邀请了 香港以 外的三 位声学 家主讲, 上下 午 各作一讲。计有英国 利物 浦大 学 G ibbs 教授: 建筑 物中 结构 声的 传 递! 和 建 筑 物中 低频 声 的传 递! ; 英 国伦 敦 A RU P 公司声学部主任 Cowell: 建 筑设备声的正面价值! 和 ? 偏振# 声 场和通风策 略!; 上海 同济大学王 季卿教授: 室内噪声评价的进展! 和 学校教室声学问题! 。另有 AR UP 公司 蔡工程师: 交 通大楼 扩声系 统的语言 清晰度 设 计! 及香港理工大学陈维田博士: 香 港房 屋环 境评估 法中 的新评 价标 准!。 每讲 45 分 钟, 留有 讨论 时间, 安排 紧 凑。 ( 本刊讯)


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