PFI發(fā)動(dòng)機(jī)超級(jí)爆震控制理論與策略研究

楊凱酬，石則強(qiáng)，張繼生

（1.北京北內(nèi)創(chuàng)意電控發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，北京 100176；2.中公高遠(yuǎn)（北京）汽車檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 101103）

0 引言

渦輪增壓與缸內(nèi)直噴技術(shù)相結(jié)合是改善汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的重要措施，而且可以在保障動(dòng)力性的前提下使發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。然而，隨著這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，這類發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了一種新的異常燃燒現(xiàn)象——超級(jí)爆震。發(fā)生超級(jí)爆震時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)火焰前鋒傳播速度極快，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，并伴隨劇烈的壓力波動(dòng)與極大的噪聲。超級(jí)爆震具有偶發(fā)隨機(jī)性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極具破壞性，會(huì)對(duì)活塞及其他燃燒室零部件造成十分嚴(yán)重的破壞[1-2]。

隨著渦輪增壓技術(shù)的不斷普及，大量PFI發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓技術(shù)后，也能夠大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性與排放水平上也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，由于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)成本較低，渦輪增壓技術(shù)在PFI發(fā)動(dòng)機(jī)上也得到了十分廣泛的應(yīng)用。然而在開發(fā)階段以及售后市場(chǎng)反饋上，也出現(xiàn)了少量PFI增壓發(fā)動(dòng)機(jī)活塞受損的現(xiàn)象，故障體現(xiàn)為活塞燒蝕、活塞裙部碎裂、活塞環(huán)斷裂等，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)廠技術(shù)專家判定為超級(jí)爆震導(dǎo)致。故現(xiàn)在對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)供應(yīng)商來說，有必要對(duì)超級(jí)爆震控制的基礎(chǔ)模型以及控制策略做出一定程度的改善，以確保減少超級(jí)爆震發(fā)生的概率，還要在超級(jí)爆震發(fā)生后，盡量通過控制來降低其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損壞，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壽命。本文將從發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)標(biāo)定控制的角度上，來探究如何在PFI發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)對(duì)超級(jí)爆震。

1 控制理論

超級(jí)爆震目前在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域有很多種生成理論，導(dǎo)致其發(fā)生的原因目前比較受認(rèn)可的主要有：過高的冷卻液溫度以及進(jìn)氣溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷；缸內(nèi)積碳嚴(yán)重；缸內(nèi)器件高溫；機(jī)油引燃導(dǎo)致爆轟；進(jìn)氣道及燃燒室空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)不合理；活塞環(huán)間隙偏大等[3-4]。

眾多生成原因主要集中在缸內(nèi)工作環(huán)境惡化以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)問題，故發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在超級(jí)爆震的抑制及發(fā)生后的控制上也基于這些原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的應(yīng)對(duì)策略有：增加噴油；調(diào)整氣門正時(shí)，其中增大氣門重疊角與減小氣門重疊角的理論都有，增大氣門重疊角的理論認(rèn)為氣缸掃氣效果增強(qiáng)有助于降低缸內(nèi)溫度，減小氣門重疊角的理論認(rèn)為提高內(nèi)部EGR率使得燃燒效率下降，缸內(nèi)溫度隨之下降；限制發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出；燃油多次噴射（主要針對(duì)GDI直噴發(fā)動(dòng)機(jī)）等。

目前在發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域，對(duì)于超級(jí)爆震的控制相關(guān)內(nèi)容，主要集中在超級(jí)爆震的監(jiān)測(cè)、超級(jí)爆震發(fā)生后的實(shí)時(shí)控制策略、降低超級(jí)爆震發(fā)生概率的策略，下文會(huì)對(duì)所提及的這幾部分做出闡述。

2 超級(jí)爆震的監(jiān)測(cè)

超級(jí)爆震現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)是實(shí)施相關(guān)控制策略的前提，超級(jí)爆震的監(jiān)測(cè)手段多樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，其中一種手段是采用可視化技術(shù)，包括光纖火花塞和光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)等，利用高速攝影來觀察缸內(nèi)非正常燃燒現(xiàn)象，這種手段能比較準(zhǔn)確地檢測(cè)早燃超級(jí)爆震發(fā)生的位置，但成本很高。另一種手段是采用缸內(nèi)壓力傳感器，通過監(jiān)測(cè)缸內(nèi)爆發(fā)壓力，判斷是否有早燃超級(jí)爆震發(fā)生，這種手段只需要缸內(nèi)壓力傳感器和燃燒分析儀，成本有所降低，也是大部分發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)階段超級(jí)爆震的監(jiān)測(cè)方式[5]。

待發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)裝車輛后，受限于高昂的使用成本，量產(chǎn)車幾乎不可能配備缸壓傳感器，故想要實(shí)現(xiàn)超級(jí)爆震的監(jiān)測(cè)與控制，只能參考發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器的壓力信號(hào)，對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，需要在臺(tái)架試驗(yàn)階段模擬超級(jí)爆震，采集爆震傳感器信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)超級(jí)爆震的壓力信號(hào)數(shù)值能夠與較為嚴(yán)重常規(guī)爆震有效地區(qū)分并標(biāo)定其閾值，確保ECU能夠區(qū)分超級(jí)爆震與常規(guī)爆震的信號(hào)，兩者的控制邏輯之間才不會(huì)互相沖突，爆震信號(hào)壓力對(duì)比見圖1。同時(shí)要通過示波器讀取超級(jí)爆震與常規(guī)爆震的爆震窗口（只有爆震窗口內(nèi)的信號(hào)才會(huì)被采集，可以顯著提高傳感器信噪比），分別標(biāo)定兩種爆震的窗口起始點(diǎn)及窗口寬度，盡量減少其他噪聲對(duì)爆震傳感器信號(hào)的影響，圖2即為爆震信號(hào)與爆震窗口的示意圖，由圖可見爆震窗口有效涵蓋了爆震信號(hào)強(qiáng)度最高的區(qū)域，并排除了信號(hào)干擾區(qū)域（一般認(rèn)為是氣門落座產(chǎn)生的噪聲），較大幅度地提升了整體信噪比。

圖1 超級(jí)爆震缸壓示意圖Fig.1 Schematic diagram of super knock cylinder pressure

圖2 爆震信號(hào)及爆震窗口示意圖Fig.2 Schematic diagram of knock signal and knock window

只有精確的信號(hào)檢測(cè)才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，低成本監(jiān)測(cè)超級(jí)爆震的技術(shù)方案還在不斷更新與進(jìn)步。

3 超級(jí)爆震控制策略

在試驗(yàn)理論章節(jié)中，已經(jīng)提到了超級(jí)爆震的生成原因及一般應(yīng)對(duì)方式，考慮到軟件控制層面無法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)缺陷進(jìn)行調(diào)整，目前主流的應(yīng)對(duì)策略還是通過降低缸內(nèi)工作溫度來降低超級(jí)爆震發(fā)生的幾率，如果超級(jí)爆震特別嚴(yán)重，會(huì)考慮限值發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出；同時(shí)考慮車輛銷售到不同區(qū)域后，油品差異性較大，系統(tǒng)會(huì)做出相應(yīng)的針對(duì)措施，降低超級(jí)爆震發(fā)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的損害。

下面參考一臺(tái)PFI渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略，系統(tǒng)采用的控制策略主要為空燃比加濃控制策略，VVT（連續(xù)可變氣門相位）控制策略。

圖3為空燃比加濃控制策略，參考發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷采用不同的加濃空燃比（14.6為理論空燃比，即lambda=1），確保系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震后可以通過加濃空燃比使得缸溫快速下降。

圖3 空燃比加濃控制策略Fig.3 Air fuel ratio enrichment control strategy

圖4為部分工況VVT控制策略（參考坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷），系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震后可以增大或者減小VVT開啟的角度從而實(shí)現(xiàn)氣門重疊角的變化，來輔助提升掃氣能力或者增大內(nèi)部EGR率，使得缸內(nèi)溫度下降。

圖4 部分工況VVT控制策略Fig.4 VVT control strategy under partial working conditions

圖5為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出值（x軸為不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，z軸數(shù)值為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)標(biāo)定中不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行扭矩控制（扭矩預(yù)設(shè)值需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際動(dòng)力水平，確保減扭后車輛能夠保證基本的動(dòng)力性），使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作能力大幅下降，從而保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖5 超級(jí)爆震扭矩輸出限制Fig.5 Super knock torque output limit

上述控制策略既可以單獨(dú)使用也可以組合使用，在運(yùn)用相關(guān)策略之前需要進(jìn)行大量的排放及道路試驗(yàn)，確保相關(guān)策略不會(huì)嚴(yán)重增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平以及車輛駕駛能力符合開發(fā)要求。

4 超級(jí)爆震學(xué)習(xí)控制

超級(jí)爆震發(fā)生后，系統(tǒng)能夠通過爆震傳感器監(jiān)測(cè)到合理的壓力信號(hào)，基于預(yù)設(shè)的控制策略，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。然而對(duì)于一些工作環(huán)境比較惡劣的發(fā)動(dòng)機(jī)，超級(jí)爆震發(fā)生的頻次明顯增加，相關(guān)控制策略雖能有效降低缸內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)超級(jí)爆震的快速控制響應(yīng)，但卻無法有效降低超級(jí)爆震的發(fā)生頻率，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)力度有限，故EMS系統(tǒng)開發(fā)了超級(jí)爆震控制區(qū)域?qū)W習(xí)的功能，旨在更加全面地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6即為超級(jí)爆震控制區(qū)域?qū)W習(xí)功能的示意圖，圖中x軸為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，y軸為發(fā)動(dòng)機(jī)參考負(fù)荷，圖中1點(diǎn)為系統(tǒng)第一次監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震后，會(huì)自動(dòng)劃定一個(gè)小控制區(qū)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中工況再次進(jìn)入這個(gè)控制區(qū)，系統(tǒng)無論是否監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震，都會(huì)直接觸發(fā)預(yù)設(shè)的超級(jí)爆震控制策略，提前降低缸內(nèi)溫度，大幅降低超級(jí)爆震發(fā)生的概率。圖中2點(diǎn)為下一次監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震的工況點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將之前劃定的小控制區(qū)自動(dòng)學(xué)習(xí)至圖中的大控制區(qū)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)入大控制區(qū)后，系統(tǒng)無論是否監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震，同樣會(huì)直接觸發(fā)預(yù)設(shè)的超級(jí)爆震控制策略。超級(jí)爆震區(qū)域控制學(xué)習(xí)功能開啟后，超級(jí)爆震實(shí)際控制區(qū)域明顯增大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)作用明顯增強(qiáng)。

圖6 超級(jí)爆震控制區(qū)域?qū)W習(xí)示意圖Fig.6 Schematic diagram of super knock control area learning

考慮到開啟超級(jí)爆震區(qū)域控制學(xué)習(xí)功能后，發(fā)動(dòng)機(jī)較長時(shí)間處在特殊控制區(qū)域，對(duì)車輛的動(dòng)力性和駕駛性存在一定影響，故系統(tǒng)設(shè)定了功能退出邏輯，在超級(jí)爆震區(qū)域控制激活后，如果一定里程內(nèi)控制區(qū)域未再擴(kuò)大，同時(shí)并未監(jiān)測(cè)到明顯的爆震信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)超級(jí)爆震發(fā)生頻率已顯著降低，系統(tǒng)可退出區(qū)域控制，若再次監(jiān)測(cè)到超級(jí)爆震發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)再次啟動(dòng)相關(guān)功能，在保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，盡量較少超級(jí)爆震功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、車輛的負(fù)面影響

同時(shí)考慮到市售車輛油品質(zhì)量問題，開發(fā)了劣質(zhì)油品超級(jí)爆震控制功能，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到每缸平均退角均滿足限值要求時(shí)，會(huì)觸發(fā)相關(guān)控制功能，劣質(zhì)油品超級(jí)爆震控制策略同正常燃油類似，區(qū)別在于更大的保護(hù)力度以及更加苛刻的退出條件，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在加注品質(zhì)較低燃油時(shí)也能較好地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，降低超級(jí)爆震帶來的損害。

5 結(jié)語

本文從控制理論、監(jiān)測(cè)手段、控制策略、降低發(fā)生概率的方面分析了超級(jí)爆震的生成原因，以及相對(duì)應(yīng)的控制方式與試驗(yàn)方法。目前對(duì)于PFI渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，無論從市場(chǎng)反饋還是在試驗(yàn)開發(fā)過程中都發(fā)現(xiàn)了不同程度的超級(jí)爆震現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)必須要在超級(jí)爆震發(fā)生后減小其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的損害，同時(shí)要將相應(yīng)的控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放、動(dòng)力性造成的負(fù)面影響降到最低，還要通過技術(shù)手段盡可能地降低超級(jí)爆震的發(fā)生概率，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，盡量提高車輛的駕駛表現(xiàn)。

目前發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可以做到對(duì)超級(jí)爆震的有效檢測(cè)和較為合理的控制，但上述提及的內(nèi)容仍需要控制理論與策略的不斷完善，并進(jìn)行大量科學(xué)的有效的試驗(yàn)，方能找到最合理平衡的控制方式以滿足車輛開發(fā)的需求，同時(shí)持續(xù)改進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制能力。