魏遠(yuǎn)飛，郭偉，侯邦明

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某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震問(wèn)題分析與解決

魏遠(yuǎn)飛，郭偉，侯邦明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)爆震異響實(shí)際案例，分析研究了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的原因，并基于爆震控制的策略，通過(guò)臺(tái)架標(biāo)定，優(yōu)化點(diǎn)火提前角，成功提供了汽油機(jī)爆震的解決方案。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；爆震；分析

引言

由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)自身因素和外部因素的影響，在使用的過(guò)程中發(fā)生爆震等現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震過(guò)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(shuō)的“敲缸”現(xiàn)象。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而且引起用戶的噪聲抱怨。隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)用戶的成熟度越來(lái)越高，用戶對(duì)噪聲的要求越來(lái)越高，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震異響問(wèn)題成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。本文結(jié)合某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震異響實(shí)際案例，分析研究了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的可能原因及解決方案。

1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)湓优c空氣中的氧發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，并伴隨有放熱和發(fā)光的效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為燃燒。汽油機(jī)正常燃燒時(shí)，火花塞點(diǎn)火后經(jīng)過(guò)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(jī)中一種不正常的燃燒現(xiàn)象。在汽油機(jī)燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)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，此處的局部溫度因熱輻射作用而超過(guò)燃料的自燃溫度，從而產(chǎn)生自發(fā)反應(yīng)，形成一個(gè)或多個(gè)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(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)鞑ニ俣雀邘资丁８咚賯鞑サ谋鹑紵箽飧變?nèi)產(chǎn)生壓力沖擊波，并在氣缸壁面上反射和反復(fù)沖擊，造成強(qiáng)制振動(dòng)并產(chǎn)生高頻噪聲，即產(chǎn)生爆震，也就是通常所說(shuō)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(rèn)為以下因素與汽油機(jī)爆震現(xiàn)象相關(guān)：

圖1 正常燃燒與爆震燃燒壓力對(duì)比

（1）點(diǎn)火角過(guò)于提前。為了使活塞在壓縮沖程上止點(diǎn)后，一進(jìn)入做功沖程能立即獲得動(dòng)力，通常都會(huì)在活塞到達(dá)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(shí)間) 。而過(guò)于提早的點(diǎn)火會(huì)使得活塞還在壓縮沖程時(shí)，大部分油氣已經(jīng)燃燒，此時(shí)未燃燒的油氣會(huì)承受極大的壓力自燃，而造成爆震。點(diǎn)火時(shí)間過(guò)于提前，是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震最主要的原因。各種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)都有其最佳的點(diǎn)火特性，應(yīng)選擇最佳的點(diǎn)火提前角，使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮其最大功率而達(dá)到降低油耗目的。

圖2 點(diǎn)火提前角對(duì)爆震的影響

（2）燃油辛烷值過(guò)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)。高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)如果選用低標(biāo)號(hào)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(shí)際值比要求值偏低，也容易導(dǎo)致爆震發(fā)生。

（3）燃燒室積碳過(guò)多。積碳的形成是由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，燃燒不完全的燃油和機(jī)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(guò)多，會(huì)使燃燒室容積減小，增加壓縮比，易產(chǎn)生爆震。又會(huì)使積碳表面溫度較高形成熱點(diǎn)，容易在火焰?zhèn)鞑サ竭_(dá)之前點(diǎn)燃混合氣引起表面點(diǎn)火，增加爆震傾向。因此，適當(dāng)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(dòng)機(jī)爆震控制策略

為了提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，通常的方法是在原有基礎(chǔ)上增大點(diǎn)火提前角、增大壓縮比，但這些技術(shù)上的改進(jìn)在提高了性能的同時(shí)也大大的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的傾向。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定時(shí)，往往需要通過(guò)爆震控制（點(diǎn)火提前角的調(diào)整）將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在爆震燃燒邊界點(diǎn)（最佳點(diǎn)火提前角）以發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能而又不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損壞。最佳點(diǎn)火提前角的作用就是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢(shì)最大段處于活塞做功下降行程。點(diǎn)火過(guò)早，活塞還在上行過(guò)程點(diǎn)火就出現(xiàn)燃燒氣體膨脹力向下，而活塞向上行就會(huì)出現(xiàn)爆震，效率降低，磨損加劇。點(diǎn)火過(guò)遲，氣體做功效率低，排氣聲大。在爆震控制時(shí)，隨著點(diǎn)火角向后推遲，爆震傾向逐漸降低，但是隨著點(diǎn)火角的推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性也會(huì)同時(shí)下降，所以當(dāng)ECU監(jiān)測(cè)到當(dāng)前爆震傾向較弱時(shí)，又會(huì)恢復(fù)推遲的點(diǎn)火提前角，最終將發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)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(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。如圖3藍(lán)色部分是爆震控制的理想?yún)^(qū)域。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)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(rèn)問(wèn)題，去經(jīng)銷商現(xiàn)場(chǎng)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(duì)爆震異響抱怨用戶車輛進(jìn)行測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，在爬坡工況發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷rl_w從14%升到51%的過(guò)程中，通過(guò)INCA讀取爆震識(shí)別確認(rèn)信號(hào)B_kl多次置位1，數(shù)據(jù)顯示有爆震發(fā)生；同時(shí)，在4km路試過(guò)程中在駕駛座位上聽(tīng)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(dòng)機(jī)的火花塞拆下來(lái)檢查，未發(fā)現(xiàn)火花塞有明顯積碳；用內(nèi)窺鏡對(duì)抱怨用戶發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室進(jìn)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(guò)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(dǎo)致的。

從抱怨用戶車輛抽取一小瓶汽油樣品，根據(jù)GB17930- 2016對(duì)抽取汽油進(jìn)行檢測(cè)，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?yàn)槭褂昧诵镣橹祷蚩贡笖?shù)不達(dá)標(biāo)的劣質(zhì)汽油導(dǎo)致的。

表1 汽油辛烷值及抗爆指數(shù)檢查

4 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

如圖6所示，為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室對(duì)正常發(fā)動(dòng)機(jī)某缸的爆震掃描圖，X軸為實(shí)際缸壓傳感器信號(hào)Peak（Bar），Y軸為爆震傳感器信號(hào)計(jì)算出的信噪比值Rki，藍(lán)色虛橫線為爆震識(shí)別閾值，藍(lán)色豎虛線：實(shí)際缸壓判別為真則確認(rèn)為真實(shí)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(jìn)一步分析發(fā)動(dòng)機(jī)爆震異響的原因，通過(guò)隨機(jī)抽取一臺(tái)同車型批量發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面的爆震掃描，以獲取發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷為50%時(shí)的爆震掃描圖。經(jīng)過(guò)對(duì)爆震掃描圖分析發(fā)現(xiàn)，4缸在50%負(fù)荷區(qū)存在爆震，如圖7所示。因此，該汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角標(biāo)定存在優(yōu)化空間，點(diǎn)火提前角標(biāo)定不夠完善，是導(dǎo)致用戶車輛爆震的原因。

圖7 改進(jìn)前，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷50%時(shí)的爆震掃描圖

表2 點(diǎn)火角進(jìn)氣溫度調(diào)整標(biāo)定

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，對(duì)點(diǎn)火提前角在不同進(jìn)氣溫度（trans）和不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（nmot_w）下進(jìn)行點(diǎn)火提前角的調(diào)整標(biāo)定，如表2所示，將用戶容易發(fā)生抱怨的工況（800rpm-3000rpm）的點(diǎn)火提前角進(jìn)行不同程度的調(diào)減。

將優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)軟件在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架爆震掃描，發(fā)現(xiàn)負(fù)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(dòng)機(jī)負(fù)荷50%時(shí)的爆震掃描圖

5 發(fā)動(dòng)機(jī)軟件優(yōu)化后的實(shí)車效果驗(yàn)證

將在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定后的發(fā)動(dòng)機(jī)軟件，在抱怨用戶車上進(jìn)行軟件刷新前后對(duì)比試驗(yàn)，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(jìn)行實(shí)車感知分析和噪聲頻譜對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：用戶抱怨車在發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比分析

6 總結(jié)

隨著中國(guó)市場(chǎng)用戶的成熟度越來(lái)越高，用戶對(duì)汽車品質(zhì)的要求越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震問(wèn)題成為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問(wèn)題。本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架掃描爆震圖，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角標(biāo)定不完善是發(fā)動(dòng)機(jī)爆震異響的原因。然后，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上制定調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)的優(yōu)化方案，主要是調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角。最終在抱怨用戶車輛實(shí)車驗(yàn)證，成功解決了用戶抱怨的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震異響問(wèn)題。

[1] 顧柏良.BOSCH 汽車工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2004.

[2] 金露平.關(guān)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2019(01).

[3] 肖廣朋,李昕,張震.某GDI汽油機(jī)整車燃燒分析與研究[J].汽車工業(yè)研究,2017（07）.

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

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1671-7988(2019)08-130-03

魏遠(yuǎn)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