某汽油發(fā)動機爆震問題分析與解決

魏遠飛，郭偉，侯邦明

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某汽油發(fā)動機爆震問題分析與解決

魏遠飛，郭偉，侯邦明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽油發(fā)動機爆震不僅影響發(fā)動機的性能，而且引起用戶的噪聲抱怨。文章結(jié)合某汽油發(fā)動機爆震異響實際案例，分析研究了發(fā)動機爆震的原因，并基于爆震控制的策略，通過臺架標定，優(yōu)化點火提前角，成功提供了汽油機爆震的解決方案。

汽油發(fā)動機；爆震；分析

引言

由于汽油發(fā)動機自身因素和外部因素的影響，在使用的過程中發(fā)生爆震等現(xiàn)象，發(fā)動機爆震過程中往往伴有沖擊波，從而發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲,也就是通常所說的“敲缸”現(xiàn)象。

汽油發(fā)動機爆震不僅影響發(fā)動機的性能，而且引起用戶的噪聲抱怨。隨著中國汽車市場用戶的成熟度越來越高，用戶對噪聲的要求越來越高，汽油發(fā)動機爆震異響問題成為一個需要解決的問題。本文結(jié)合某汽油發(fā)動機爆震異響實際案例，分析研究了發(fā)動機爆震的可能原因及解決方案。

1 汽油發(fā)動機爆震及影響因素

汽油是以氣態(tài)與空氣混合形成可燃混合氣的，可燃混合氣在一定的溫度與壓力作用下，其中的碳氫原子與空氣中的氧發(fā)生激烈的化學反應，并伴隨有放熱和發(fā)光的效應，這一現(xiàn)象稱為燃燒。汽油機正常燃燒時，火花塞點火后經(jīng)過短暫的著火延遲，在電極間隙附近形成火焰核心，火焰從火焰核心以30～40 m/s的速度向四周的未燃混合氣區(qū)傳播，使燃燒室內(nèi)混合氣循序燃燒，直至結(jié)束。

爆震是汽油機中一種不正常的燃燒現(xiàn)象。在汽油機燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^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，此處的局部溫度因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，形成一個或多個火焰核心，產(chǎn)生后繼性缸壓振蕩。即在正?；鹧?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火自燃，發(fā)出極強的火光，燃燒溫度常在4000℃以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_200～1000m/s以上，比正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀邘资?。高速傳播的爆震燃燒使氣缸?nèi)產(chǎn)生壓力沖擊波，并在氣缸壁面上反射和反復沖擊，造成強制振動并產(chǎn)生高頻噪聲，即產(chǎn)生爆震，也就是通常所說的敲缸現(xiàn)象。氣缸內(nèi)的燃燒壓力如圖1所示。

能夠引發(fā)爆震的因素很多，通常認為以下因素與汽油機爆震現(xiàn)象相關(guān)：

圖1 正常燃燒與爆震燃燒壓力對比

（1）點火角過于提前。為了使活塞在壓縮沖程上止點后，一進入做功沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞到達上止點前提前點火( 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沖程時，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。點火時間過于提前，是發(fā)動機產(chǎn)生爆震最主要的原因。各種型號的發(fā)動機都有其最佳的點火特性，應選擇最佳的點火提前角，使發(fā)動機發(fā)揮其最大功率而達到降低油耗目的。

圖2 點火提前角對爆震的影響

（2）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。高壓縮比的發(fā)動機如果選用低標號汽油，則容易發(fā)生爆震。如果用戶使用的汽油辛烷值和抗爆指數(shù)實際值比要求值偏低，也容易導致爆震發(fā)生。

（3）燃燒室積碳過多。積碳的形成是由于在發(fā)動機工作過程中，燃燒不完全的燃油和機油上竄到燃燒室參與燃燒，在氧氣和高溫的作用下凝聚在燃燒室壁面、火花塞電極和活塞頂部等處形成的膠質(zhì)和碳質(zhì)相結(jié)合的混合物。燃燒室的積碳過多，會使燃燒室容積減小，增加壓縮比，易產(chǎn)生爆震。又會使積碳表面溫度較高形成熱點，容易在火焰?zhèn)鞑サ竭_之前點燃混合氣引起表面點火，增加爆震傾向。因此，適當清除燃燒室、活塞頂部、氣門頭部等處積碳可減少爆震的產(chǎn)生。

2 汽油發(fā)動機爆震控制策略

為了提高汽車的動力性和經(jīng)濟性，通常的方法是在原有基礎(chǔ)上增大點火提前角、增大壓縮比，但這些技術(shù)上的改進在提高了性能的同時也大大的提高了發(fā)動機爆震的傾向。因此，在發(fā)動機臺架標定時，往往需要通過爆震控制（點火提前角的調(diào)整）將發(fā)動機運行在爆震燃燒邊界點（最佳點火提前角）以發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能而又不對發(fā)動機造成損壞。最佳點火提前角的作用就是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程。點火過早，活塞還在上行過程點火就出現(xiàn)燃燒氣體膨脹力向下，而活塞向上行就會出現(xiàn)爆震，效率降低，磨損加劇。點火過遲，氣體做功效率低，排氣聲大。在爆震控制時，隨著點火角向后推遲，爆震傾向逐漸降低，但是隨著點火角的推遲，發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性也會同時下降，所以當ECU監(jiān)測到當前爆震傾向較弱時，又會恢復推遲的點火提前角，最終將發(fā)動機的點火提前角穩(wěn)定在靠近爆震線的非爆震區(qū)域邊界，以求達到發(fā)動機最好的經(jīng)濟性和動力性。如圖3藍色部分是爆震控制的理想?yún)^(qū)域。

圖3 發(fā)動機爆震控制策略

3 爆震車輛數(shù)據(jù)采集和分析

為了分析確認問題，去經(jīng)銷商現(xiàn)場分析了典型爆震異響抱怨用戶車輛，并采集了相關(guān)數(shù)據(jù)。對爆震異響抱怨用戶車輛進行測試分析發(fā)現(xiàn)，在爬坡工況發(fā)動機負荷rl_w從14%升到51%的過程中，通過INCA讀取爆震識別確認信號B_kl多次置位1，數(shù)據(jù)顯示有爆震發(fā)生；同時，在4km路試過程中在駕駛座位上聽到有46次清晰的“噠噠聲”。如圖4所示。

圖4 爆震異響車輛數(shù)據(jù)采集

圖5 爆震異響車輛積碳檢查

將抱怨用戶車輛發(fā)動機的火花塞拆下來檢查，未發(fā)現(xiàn)火花塞有明顯積碳；用內(nèi)窺鏡對抱怨用戶發(fā)動機的燃燒室進行檢查，燃燒室積碳輕微，未發(fā)現(xiàn)有明顯積碳，如圖5。且經(jīng)銷商反饋已經(jīng)幫用戶清洗過一次燃燒室后，仍然有爆震異響，因此，用戶車輛爆震不是由于燃燒室積碳導致的。

從抱怨用戶車輛抽取一小瓶汽油樣品，根據(jù)GB17930- 2016對抽取汽油進行檢測，所抽取汽油的辛烷值和抗爆指數(shù)均滿足GB17930-2016的要求，如表1所示。因此，用戶車輛爆震不是因為使用了辛烷值或抗爆指數(shù)不達標的劣質(zhì)汽油導致的。

表1 汽油辛烷值及抗爆指數(shù)檢查

4 發(fā)動機臺架標定數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

如圖6所示，為發(fā)動機臺架實驗室對正常發(fā)動機某缸的爆震掃描圖，X軸為實際缸壓傳感器信號Peak（Bar），Y軸為爆震傳感器信號計算出的信噪比值Rki，藍色虛橫線為爆震識別閾值，藍色豎虛線：實際缸壓判別為真則確認為真實爆震。第一象限區(qū)和第二象限區(qū)為正常區(qū)，第三象限為爆震區(qū)，第四象限為爆震誤判區(qū)。

為了進一步分析發(fā)動機爆震異響的原因，通過隨機抽取一臺同車型批量發(fā)動機，在發(fā)動機臺架實驗室進行全面的爆震掃描，以獲取發(fā)動機在負荷為50%時的爆震掃描圖。經(jīng)過對爆震掃描圖分析發(fā)現(xiàn)，4缸在50%負荷區(qū)存在爆震，如圖7所示。因此，該汽油發(fā)動機的點火提前角標定存在優(yōu)化空間，點火提前角標定不夠完善，是導致用戶車輛爆震的原因。

圖7 改進前，汽油發(fā)動機負荷50%時的爆震掃描圖

表2 點火角進氣溫度調(diào)整標定

在發(fā)動機臺架上，對點火提前角在不同進氣溫度（trans）和不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速（nmot_w）下進行點火提前角的調(diào)整標定，如表2所示，將用戶容易發(fā)生抱怨的工況（800rpm-3000rpm）的點火提前角進行不同程度的調(diào)減。

將優(yōu)化后的發(fā)動機軟件在發(fā)動機試驗臺架上，對發(fā)動機進行臺架爆震掃描，發(fā)現(xiàn)負荷50%的數(shù)據(jù)明顯改善，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后，汽油發(fā)動機負荷50%時的爆震掃描圖

5 發(fā)動機軟件優(yōu)化后的實車效果驗證

將在發(fā)動機試驗臺架進行優(yōu)化標定后的發(fā)動機軟件，在抱怨用戶車上進行軟件刷新前后對比試驗，模擬用戶抱怨典型工況，20度角爬坡，2000rpm加速使用工況，并錄取噪聲進行實車感知分析和噪聲頻譜對比分析發(fā)現(xiàn)：用戶抱怨車在發(fā)動機軟件刷新后，異響基本消除，如圖9所示。

圖9 軟件優(yōu)化前后的噪聲數(shù)據(jù)對比分析

6 總結(jié)

隨著中國市場用戶的成熟度越來越高，用戶對汽車品質(zhì)的要求越來越高，發(fā)動機爆震問題成為發(fā)動機標定時需要重點考慮的一個問題。本文基于發(fā)動機臺架標定試驗，通過發(fā)動機臺架掃描爆震圖，確認發(fā)動機點火提前角標定不完善是發(fā)動機爆震異響的原因。然后，通過在發(fā)動機臺架上制定調(diào)整發(fā)動機標定數(shù)據(jù)的優(yōu)化方案，主要是調(diào)整發(fā)動機點火提前角。最終在抱怨用戶車輛實車驗證，成功解決了用戶抱怨的發(fā)動機爆震異響問題。

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Analysis and Resolution of a Gasoline Engine Knocking Problem

Wei Yuanfei, Guo Wei, Hou Bangming

( SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )

Gasoline engine knocking not only affects engine performance, but also causes user complaints. In this paper, the actual case of knocking noise of a gasoline engine is analyzed. Based on the strategy of knocking control, the gasoline engine-knockingproblem is successfully resolved by optimizing ignition advance angle.

Gasoline Engine; Knocking; Analysis

U464

A

1671-7988(2019)08-130-03

U464

A

1671-7988(2019)08-130-03

魏遠飛（1982-），男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于上汽大眾汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.041