上海交通大学 硕士学位论文
姓名：刘强 申请学位级别：硕士
专业：车辆工程 指导教师：黄宏成;李威
摘 要
爆震是制约发动机提高性能、经济性的瓶颈，也是影响发动机寿命的重要因素。从火花点火式发动机被发明时起，人们就开始研究控制爆震的方法，经过100 多年的研究和发展，汽车工程师发明了许多爆震检测设备和方法，其中在汽车上应用最普遍的就是压电式爆震传感器及其专用处理芯片。
当今电子技术突飞猛进，发动机 ECU 的空闲时间越来越多，是考虑将爆震控制功能移植进控制器软件的时候了。取消爆震专用处理芯片，不仅可以降低发动机控制器的成本，还可以增强控制器软件的通用性。本文就是以此为目标的。
本文在对爆震的形成、检测方法和防治措施等爆震机理作了回顾和讨论的基础上，搭建了发动机爆震检测试验台，用于爆震传感器信号的采集，在此试验台上做了大量试验，采集了多组数据，分别用于爆震信号的分析和仿真模型的验证。
在对采集的压电式爆震传感器信号深入分析的基础上，总结出爆震信号的特性和爆震检测的方法，并使用Matlab/Simulink 工具建立了爆震专用处理芯片的仿真模型；然后利用采集的爆震传感器信号作为仿真模型的输入，对仿真模型进行了验证。验证结果表明，模型虽还需优化、细化；但已经具备实现专用处理芯片的基本功能；同时证明将爆震控制功能移植进发动机控制器软件的可行性。
关键词：爆震，压电，信号分析，模拟仿真
第一章绪论
有限的石油资源，加上越来越受到重视的汽车排气，中国政府制定了相应的节能减排计划。面对日益短缺的能源和严格的排放法规，发动机电子控制系统显得越来越重要。
1.1 发动机电子控制系统发展历程
如何使汽车更安全、更清洁、更舒适地满足人们的需求，一直是汽车设计师们的重要课题。早在1967 年，德国博世 (Bosch) 公司首先研制成功并开始批量生产进气管绝对压力控制空燃比的 D 型模拟电子控制汽油喷射系统，从而开创了电控汽油喷射的新时代。 1973 年，博世公司又开发出 L 型电控汽油喷射系统，用叶片式空气流量计直接测量进气空气体积来控制空燃比，比D 型间接控制的精度高，稳定性好。
1976 年博世公司又推出了用氧传感器提供空燃比反馈信号的闭循环控制系统，进一步提高了空燃比的反馈控制精度，使排气净化技术又提高了一步，使三效催化转换器的应用成为可能。
在电控燃油喷射的同时，点火装置也迈出了电子化的步伐。 1973 年美国通用汽车公司开始采用 IC( 集成电路 ) 点火装置。 1976 年，美国克莱斯勒汽车公司首先开发出模拟点火时刻电子控制系统 (ELBS) 。 1977 年美国通用汽车公司研制成功数字点火时刻控制系统 (MISAR)。同年，美国福特汽车公司开发了能同时控制点火、废气再循环和二次空气喷射的发动机电控系统 (EEC) 。
1979 年，博世公司开始生产集电控燃油喷射和点火于一体的 Motronic 数字式发动机集中控制系统。与此同时，美国和日本各大汽车公司也竞相开发出与各自车型配套的数字式发动机集中控制系统，例如 : 美国通用公司 DEFI 系统、福特公司EEC-II 系统、日产公司 ECCS 系统及丰田公司 TCCS 系统等。这些系统都能够对空燃比、点火时刻、怠速和废气再循环等方面进行集中控制，有的还具有备用电路和自诊断功能，控制精度越来越高，控制功能也更趋完善。
为了将电控系统进一步推广到普通轿车上，电控燃油单点喷射系统应运而生。
1980 年美国通用汽车公司首先研制成功一种结构简单、价格低廉的单点喷射系统—节流阀体喷射 (TBI) 系统。福特公司的中央燃油喷射 (CFI) 系统和博世公司的Mono-Jetronic 型低压 (0.1 MPa) 中央燃油喷射系统都属于这一类型。结构简单的单点喷射系统性能远优于化油器，生产成本略高于化油器。这就使得电控汽油喷射系统取代化油器成为必然趋势。统计资料表明，进入 90 年代，电控汽油喷射系统在世界各国都得到了普遍的推广应用。自此以后，发动机电控系统又经历了多点歧管喷射、缸内直喷到混合动力系统的发展过程。
发动机电子控制技术的发展过程与微机的发展是紧密相关的，随着微机制造技术的发展而逐步完善，它经历了 8 位微处理器， 8 位单片机， 16 位 /32 位单片机为控制器的三个发展阶段。到目前己形成以发动机电子控制器为核心的，包括制动器ABS 控制、安全气囊控制、车辆稳定控制、娱乐、通讯等多功能分布整车综合电控系统 。
随着控制的内容越来越多，系统越来越复杂，控制系统的扩展性、移植性以及控制系统不同模块之间的通讯问题变得越来越重要。为了改变这种状况， 1993 年德国汽车工业界提出了车内多控制单元的开放式分布控制，也就是 OSEK (Offene
System und deren Schnittstellen fur die Elektronic im Kraftfahrzeug) 体系，其含义是汽车电子系统的开放平台和统一接口。这个体系的最早倡导者有 : 宝马、博世、戴姆勒— 奔驰、欧宝、西门子、大众和卡尔斯鲁厄大学的工业信息技术研究所。法国的汽车制造商标致和雷诺于 1994 年加入了 OSEK 体系，并将法国汽车工业使用的VDX(Vehicle Distributed Executive) 系统也纳入了这一体系。在 1995 年召开的研讨会上，众多的厂商对 OSEK 和 VDX 的认识达成了共识，正式产生了当前流行于汽车行业内的汽车电子分布式控制的开放平台[1]。
1.2 发动机点火控制
点火控制是点火式发动机控制器的重要组成部分之一。点火系统的作用是在精确的时刻点燃可燃混合气，使其燃烧。火花点火式发动机由电火花点火，火花由火花塞电极之间形成电弧放电产生。在所有工况下稳定可靠的点火是确保催化转化器
无故障运行的关键。失火会引起未燃混合气在催化器内的后燃，导致催化器因温度过高而损坏[2]。
1.2.1 点火提前角对排放的影响
图1-1[3]给出了点火提前角对发动机排放的影响，其中αz 是点火提前角，Φa 是空燃比；(a)，(b)，(c)分别是排放污染物未然碳氢（HC），氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）与点火时刻的关系例图。
HC 在很大程度上是由于缝隙、积炭、机油等的吸收而使未燃混合气躲过了正常的燃烧火焰形成的。NOx 的生成机理主要与燃烧的最高温度，最高温度的持续时间以及氧气的浓度有关。当点火时刻推迟时，发动机排出的HC 和NOx 就会减少。由于点火延迟，气缸内燃烧时间缩短，后燃增加使排温上升；结果促进HC 在排气过程的氧化，使排出的HC 减少。对于NOx，则是由于最大燃烧温度的降低所致。
空燃比和点火提前角对排放与性能都有重要影响。在大部分运行时间，发动机电控系统将兼顾排放和性能，对它们进行折中的优化控制。但在必要的时候，也会暂时牺牲其中一方面而侧重另一方面，如在大部分的部分负荷工况主要追求排放效果，在全负荷工况主要追求动力性能。
发动机电控系统对点火的控制，通常包括点火能量的控制（闭合角控制）、点火提前角控制和爆震控制三个方面[3]。对点火能量的控制是通过点火初级回路闭合角的控制来进行的，目的是在发动机各工况下维持基本恒定的点火能量。点火提前角控制和爆震控制是本文的重点。
1.2.2 发动机点火提前角控制
汽油发动机获得最大功率或最佳燃油经济性的有效方法之一是增大点火提前角，但是点火提前角过大，发动机就可能会出现爆震。爆震，也叫敲缸或者爆燃，是汽油机运行过程中出现的一种异常燃烧现象，这种现象一般被认为是终燃混合气的自燃现象。由于严重的爆震会使发动机热效率下降，加速机械磨损，甚至造成发动机损坏，所以应避免发动机发生严重爆震。理论与实践证明：剧烈的爆震会使发动机的动力性和经济性严重恶化，而当发动机工作在爆震临界点或有轻微爆震时，发动机热效率最高，动力性和经济性最好[4]。
对点火提前角的控制是发动机点火控制中的基本功能，这个控制的基本形式为：点火提前角 = 基本点火提前角 + 校正量[3]
基本点火提前角与发动机的工况有关，爆震与点火时刻及发动机转矩的关系如图 1-2 所示。某些工况下增加点火角也没有爆震现象，随着点火的提前（点火提前角加大）发动机输出转矩也增大；但是如果继续增大点火提前角，发动机转矩反而会下降。精确的试验发现，当点火提前角不断变化时，在某个角度（曲轴转角）范围内发动机转矩基本保持不变（转矩变化幅度在0.5Nm 以内）。将发动机获得最大转矩时的最小点火提前角定义为MBT[3]。 为了避免可能产生的爆震，通常取该范围内的最小点火提前角——MBT 为基本点火提前角。某些工况点火提前角过大会引起发动机爆震，这种工况下发动机发出最大转矩的点火时刻 MBT 是在开始产生爆震的点火时刻前面一点。爆震的临界状态时发动机的点火提前角称为临界点火提前角，在图1-2 中称为“knock border line”。将发动机各工况的MBT 纪录在表格里，就是基本的点火角控制脉谱。
对基本点火提前角的校正量包含：冷却水温度的校正、进气温度的校正、怠速控制校正、启动校正和爆震校正等，本文重点讨论爆震对点火提前角的校正。
1.2.3 点火提前角爆震控制
在汽油机点火控制系统中，爆震的实时控制是其中重要组成部分。 爆震和点火控制密切相关，点火过于提前发动机就会出现爆震，消除爆震的简单易行办法就是推迟点火提前角。因此，利用点火提前角闭环控制能够有效的控制发动机爆震水平，使发动机工作在爆震的临界状态，从而能够获得最佳性能。点火提前角闭环控制利用爆震传感器的信号作为反馈信号。如果点火控制系统检测到爆震就逐步推迟点火，直到爆震完全消失为止；当爆震消失后并在若干循环内不再出现，控制系统会逐步将点火提前恢复到爆震发生前的水平。这样控制的根据是，爆震在一定程度上可视为随机现象，点火控制系统力求尽快恢复正常点火提前以保证发动机的性能和排放。出现爆震后的点火延迟方式可分为快校正、慢校正两种方式，它们按照爆震的强度决定延迟的角度[5]。一旦检测到爆震，快校正立即将点火推迟一定的角度，此角度与爆震的强度成比例。如果第二个循环再出现爆震，在再次快校正的基础上，慢校正将点火延迟一个较小的角度；这个过程一直进行到爆震完全消失为止。爆震消失若干循环后，快校正逐步减小直到零；如果还未检测到爆震，慢校正会逐渐减小直到零。如果将不同工况下的慢校正存储起来，可以作为爆震控制的自学习值使用。一般情况下爆震传感器的信号都不同程度的包含有噪声，首先要经过专用芯片的处理才能作为爆震控制的反馈输入。爆震信号专用处理芯片对爆震传感器信号进行分析处理，输出的一个代表发动机爆震强烈程度的模拟量称为爆震强度，作为爆震控制的反馈输入。
1.3 爆震信号处理芯片
1.3.1 爆震信号处理芯片的发展历史
点火控制装置的出现要早于发动机（动力系统）控制器：如前述美国通用和克莱斯勒汽车公司分别于1973 和1976 年发明了模拟点火控制装置，1977 年电子点火控制器出现。1978 年，Delco 公司推出了全功能的电子点火控制器[6]。这个控制器的输入是一个电磁式的爆震传感器，它有两通道，一个用来计算背景噪声，另一个用来计算爆震能量。通过对比两个通道的输出来检测爆震，并输出一个脉宽调制信号，用于爆震点火角控制。
1981 年，压电式爆震传感器和可编程发动机控制器出现。点火角控制模块被移植到了发动机控制器里；而爆震检测模块被单独封装，独立于发动机控制器，通过一个信号线发送脉宽调制信号给发动机控制器。
1986 年，爆震检测模块也被移植到发动机控制器里，缩小了体积。新一代的爆震信号处理芯片有了许多新功能：如数字带通滤波器、窗口截取、可通过SPI总线读取控制字、支持多路输入、支持非振动型传感器（如电离电流传感器）、提供诊断功能等。目前常用的芯片有Bosch CC192、Harris HIP9010和STM L9125等。
1.3.2 爆震信号处理芯片简介
以STM L9125 芯片为例，简单谈一下爆震处理芯片的原理，其原理框图如图 1-3[7]所示。其结构与世界上各公司生产的爆震处理专用芯片的原理大致相同，支持两路传感器，有可调的数字放大器、积分时间可调的积分器、中心频率可调的数字滤波器。从传感器输出的振动信号被送入专用芯片，专用芯片主要实现三项功能 : 电荷放大、带通滤波及积分。由于从传感器输出的信号很小，所以要对其进行电荷放大，才能用于专用芯片的处理。在芯片中有可编程通讯口，放大倍数是可通过编程调节的，还可以根据发动机爆震特征频率对芯片的中心频率进行选择，同时还通过通讯口对积分时间进行选择，然后再对信号进行整流积分后输出。输出为0～5V 的电压信号，这个电压信号代表了发动机爆震的强度。由于发动机控制器的内部集成有模数转换器，因此可以把从专用芯片输出的电压信号，经模数转换后送往 控制器主控芯片进行爆震评价。
1.4 本文研究内容
爆震控制模块已经是发动机控制器整体不可分割的一部分。随着电子技术的飞速发展，中央处理芯片 CPU 速度的大幅度提高，使得它的计算功能越来越强，在不增加控制项目的情况下，处理器的空闲时间也越多。在这种情况下，有可能让处理器直接计算处理振动传感器信号进行爆震检测，从而省去爆震专用芯片，降低产品成本。
本文主要研究内容如下：
1、首先回顾了爆震理论，包括爆震的产生、检测方法和防治措施。
2、然后讲述了爆震试验条件和方法，采集了大量的爆震传感器信号用于信号分析和仿真模型的试验验证。
3、对试验采集的爆震信号进行了深入分析，为下一步使用Simulink 编制正确的爆震芯片仿真模型打下基础。
4、建立Simulink 仿真模型，对爆震处理芯片实现仿真，并用试验采集的数据对仿真模型进行验证。
第二章发动机爆震机理与检测方法
为提高发动机性能，获得高功率、高转矩、低油耗都有赖于压缩比的提高。但压缩比的提高受到爆震的影响[8]，随着压缩比的提高，爆震的倾向也增加。爆震，是发动机运行过程中出现的一种异常燃烧现象。由于严重的爆震会引起发动机输出功率和热效率下降，气缸过热，零部件应力加大，加速机械磨损，甚至造成发动机损坏，所以发动机控制系统必须要有效控制爆震，即能获得高性能，又不造成损坏。
2.1 爆震的成因
爆震是正常火焰未到达前，由末端混合气自燃引起的非正常燃烧现象，伴有锐利的压力波动和噪声。爆震是一种异常燃烧现象，那么什么样的燃烧才是正常的呢？对火花点火式汽油机而言，正常的燃烧分为四个阶段[9]：
1. 火花点火后的点燃和内焰的形成期，这个阶段没有热量的释放和压力的升高；
2. 火焰形成期，焰峰加速传播，火焰表面积增大；
3. 火焰全面传播期，这个阶段从焰峰半径达到3cm 左右开始，焰峰以恒定的速度传播至整个燃烧室；
4. 火焰熄灭期，火焰到达冷的缸壁后熄灭。
爆震燃烧过程研究的历史几乎和火花点火发动机的历史同样长，但由于爆震现象非常复杂并且涉及很多因素，所以对爆震的机理目前还有不同的解释，其中主要有三种[10]:
1、自燃说
混合气点燃后，火焰以正常的传播速率向前推进，使得处于最后燃烧位置上的那部分末端混合气，在压缩终点温度的基础上进一步受到压缩和热辐射，加速其先期反应，并发出热量，使本身的温度不断升高，以致在正常火焰到达之前，末端混合气内部最适宜着火部位已出现一个或数个火焰中心，并从这个中心以 100-300m/s( 轻微爆震 ) 直到 800-1000m/s 或者更高的速率 ( 强烈爆震 ) 传播火焰，迅速将末端混合气燃烧完毕。燃烧过程末期的压力急剧上升，产生压力波，通过零部件产生金属敲击声，同时引起机体的强烈振动，此时就认为发生了爆震。
2、爆震说
对预混合气的燃烧，火焰在传播的过程中受到周围条件的限制，突然产生高压和高速传播现象，即正常的火焰前锋由于冲击波的高压提供的能量，从亚声速转变为超声速传播，燃烧反应异常猛烈，并产生强烈的冲击波。
3、火焰加速说
正常的火焰前锋加速到了很高的速率，但仍以亚声速传播，使得压力升高率迅速增大。
自燃说由于能够更好地解释各种试验的结果，认同度较高。 Konig 研究认为爆震起源于末端混合气放热中心——炽点，它们在已燃和未燃充分的紊流混合物中产生，是温度场和浓度场不均匀的产物，也包括碳沉积物和金属屑，分布在末端混合气中。在活塞和火焰前锋的压缩下，这些炽点的温度上升，经过各自的着火延迟期后，适合着火的炽点首先着火，之后能量的迅速释放形成冲击波并冲击临近的其它炽点，使它们的温度升高，着火延迟期大大缩短，促使临近的炽点着火。根据炽点的大小、特性、位置和着火延迟期对温度的敏感程度不同，形成雪崩式爆炸，从而产生轻微爆震到严重爆震之间的燃烧反应[11]。
1941 年 Miller 发明了高速摄影机，用高速摄影监测到超声速的爆震波后， Firey用冲击压力监测器又监测到了强烈的冲击波；支持了爆震说。自 60 年代以来，用超高速的纹影摄影 (5-20 万祯 / 秒 ) 和激光诊断，如 Rayleigh 散射法的研究发现，在紊流阶段已完全发展的火焰结构中，火焰前锋的厚度明显增加，锋面后有许多未燃混合气的“小岛”。燃烧室中紊流很强时，燃烧过程后期火焰前锋卷吸了大量的未燃混合气，加之有很多活性粒子，使这些混合气在瞬间燃烧，火焰传播速率和质量燃烧速率都很高。这些研究结果都支持了火焰加速说[12]。
三种学说都认为爆震时有特有的冲击波、机体振动和噪声是能量急剧释放的结果，爆震发生时火焰传播速率和燃烧率都很高，有压力的突升和振荡、较高的峰值压力和高速率的传热损失；区别在于急剧燃烧的发生和传播方式的不同。
2.2 爆震检测的一般方法
汽车工程师研究爆震至少有120年的历史了，他们做了大量的试验研究，通过分析多种来自内燃机的信号来识别爆震。这些信号有：汽缸内的压力[13,14,15,16]、缸体的震动、发动机噪声[17]、电离电流、燃烧气体光探测，甚至放热率[18,19]
。我们可以简单地将它们分为两类 : 测量缸内信号的直接法[20,21]和测量机体及外部信号的间接法。本文介绍常用的几种，缸压法和缸体震动法；以及有应用前景的电离电流法[22,23]。
2.2.1 监测缸体震动法
利用安装在气缸壁上的振动传感器监测发动机机体振动的间接测量法，是当前汽车生产厂家普遍应用的方法。实际使用的振动型爆震传感器又分为主要的两种，即共振电压式和宽幅非共振型爆震传感器。共振电压式传感器是应用传感器的固有频率与发动机爆震特征频率相符，当发动机发生爆震时，传感器输出较大的电压信号。但由于不同型号的发动机爆震特征频率各不相同，要求的传感器也各不相同，因此从整体上增加了产品的成本。宽幅非共振型爆震传感器在 20kHz 以下范围内没有共振点，具有平的输出特性，可检测具有很宽频带的发动机振动频率。用于不同发动机上时，在知道了发动机的特征频率之后，只需调整滤波器过滤频率即可使用，而不需更换传感器。这样这种传感器就可以大批量生产，成本降低、价格便宜；它具有测量范围宽、适用范围广，安装方便，等优点。压电式爆震传感器是一种非共振型爆震传感器，它利用的是压电效应的原理。某些晶体（如石英）的薄片受到压力或机械振动之后产生电荷的现象，称为压电效应。石英分子在电极上有明显的区别。在静止状态下（ A ），分子的电极方向是任意的，晶体对外表现为不带电。当石英承受机械力（振动或压力）时，分子的电极方向为石英承受的压力方向。该方向（ B ）在石英的两端产生电压，晶体的某两个表面上就会产生电荷（图 2-1），晶体受力产生的电荷量（输出电压）与外力大小成正比，即：Q = KF (2－1)[24]
其中： Q——晶体受力产生的电荷量
K——晶体的压电常数
F——作用在晶体上的力
本文试验采用的传感器是压电式爆震传感器，其结构如图 2-2 所示，主要有套筒、压电元件、惯性配重、塑料壳体和接线插座等组成。压电元件是爆震传感器的主要部件，制作成垫圈形状，在其两个侧面上安放有金属垫圈作为电极，并用导线引到接线插座上。惯性配重用来传递发动机振动产生的惯性力，惯性配重与塑料壳体之间安装有盘形弹簧，借弹簧张力将惯性配重、压电元件和垫圈等部件压紧在一起。传感器插座上有三根引线，其中两根为信号线，一根为屏蔽线。
当发动机缸体产生振动时，传感器套筒底座及惯性配重随之产生振动，套筒底座和配重的振动作用在压电元件上，压电元件的信号输出端就会输出与振动频率和振动强度有关的交变电压信号，如图 2-3 所示。
宽幅非共振型爆震传感器安装位置的选择要综合考虑。主要考虑因素有：各缸爆震振动传到该位置的强度应基本一致，而且该位置的发动机其它噪声应较小，同时还要避免使其处于高温或其它恶劣环境中，另外安装位置还要便于加工和维修。
因而各种汽车发动机选择的安装方案各不相同，有的选在进气管上，有的选在缸盖上，有的选在机缸体下部。为了更准确的探测各缸的爆震，可以在发动机上安装多个爆震传感器，如在直列六缸机上用两个传感器分别探测前三缸和后三缸的爆震，在 V 形发动机上每侧缸盖上各装一个传感器。
但是引起缸体振动的原因不仅仅是混合气燃烧，还有其它原因：比如进、排气门落座，曲轴、凸轮轴、活塞等运动件的碰撞拍击等，我们将它们统称为背景噪声。特别是在高转速的情况下，背景噪音引起的机体振动更加强烈，降低了信噪比，这都增加了爆震信号监测的难度。因此，必须将反应发动机振动频率的输出电压信号送至识别爆震的专用芯片中，判别是否有爆震发生。
2.2.2 监测汽缸内压力法
一般用于测量汽缸内压力的压力传感器也是利用压电效应。应用压力传感器的直接测量方法，监测发动机运行中汽缸内压力，测量到的典型信号请参考下图2-4[25]。因为这种方法直接测量气缸内压力，没有发动机的振动噪声，信噪比较高；能够提供很好的爆震监测处理信号。而且汽车工程师们还不断地将一些新的分析方法应用到爆震信号的分析中来[26]。
按照压力传感器安装的方法不同可分为以下三种：直接在燃烧室内安装压力传感器的方法、将压力传感器安装在特殊的火花塞上的方法和将燃烧室内压力通过管道引出再用传感器测量的方法。直接在燃烧室安装传感器时，首先要考虑的是传感器安装的位置，原则是将传感器安装在最容易出现爆震的位置。一般可以安装在燃烧室的余隙部位，由燃烧室的中间位置得到的信号信噪比相对较低。在火花塞上安装压力传感器的方法，因为改变了火花塞的特性，在高转速时容易引起发动机失火，所以一般只是作为备用方案。试验证明将汽缸内压力引出的方法由于管道内气体共振会影响爆震的识别，建议不使用此种方法[27]。
虽然这种监测发动机运行中汽缸内压力的方法得到的爆震信号信噪比较高，但是它要求每一缸都要安装传感器，而传感器的价格又相对较高，因此利用压力传感器监测爆震主要应用于研究过程中。目前，丰田公司是唯一一家在产品上安装缸内压力传感器以监测爆震的生产厂家。
2.2.3 监测燃烧气体的电离电流法
当前比较新颖的爆震检测方法是电离（Ion）电流法，它使用安装在燃烧室内的一对电极测量燃烧时产生的离子信号。如果使用火花塞作为电极，发火后在电极两端施加直流电压，就能得到与电极间隙间燃烧气体离子浓度成正比的电流，其中离子的浓度又与缸内的压力相关[6]。下图2-5 是参考文献[28]中收录的典型的电离电流的信号图。
相对于现在大量使用的非共振型爆震传感器这种新技术有诸多优点：
1) 测量到的电流信号与缸内压力相关，可以用来推测缸内压力；
2) 压力波样的电流信号经处理后有多用途，除了用于爆震检测外，还可用来判断相位、失火；
3) 可以使用现有的火花塞，不用外加传感器；
4) 电流信号没有发动机机械振动的干扰。
但是它也有几个缺点：高转速时，发动机燃烧不稳定，测量到的电流信号中夹杂有较多的燃烧噪声。还有，如果传感器安装在燃烧室的中心，那传感器的敏感度就下降。虽然有些缺点，但是相对于它的优点，这种技术是大有前景的！
2.3 爆震的控制措施
经过几十年的努力，汽车工程师找到了许多防止或减少发动机爆震的方法：
1. 发动机结构设计方面：
1) 恰当布置火花塞及合理设计燃烧室形状，缩短火焰传播距离，使火焰传播距离最小；
2) 合理设计余隙高度，使离火花塞最远处的可燃混合气冷却较好，降低末端混合气的温度；
3) 增加流动，不断改进燃烧室和进气系统以增加混合气的扰动，增加火焰传播速度，缩短末端混合气暴露在高温中的时间；另外，燃烧室扫气 ( 如加大进、排气重叠期 ) 的冷却作用可以减轻爆震；
4) 改善水套设计，使燃烧室温度场分布均匀，避免炽点的出现。
2. 燃烧方面：
Oppenheim 从爆震是由末端混合气自然的观点出发，提出了一项消除爆震有害后果的均匀燃烧技术。必须均匀的引起少量混合气的自燃，以不至于产生搅乱燃烧室内部状态的强烈压力波。Oppenheim 提出的均匀燃烧方法有燃烧射流、火焰射流点火及混入排气残余废气等措施[29,30]。
3. 燃料方面：
改进汽油炼制方法，在汽油中加入辛烷值高的含氧化合物以增强其抗爆性能。
4. 发动机电子控制方面：
在汽油机电子控制系统中，实现爆震的实时控制，就可以把点火时刻控制到接近爆震极限的位置，将使发动机性能达到最佳，充分发挥其潜力。
2.4 本章小结
本章首先回顾了爆震产生的机理，并将三种爆震假说作了对比总结。在此基础上，探讨现代常用的爆震检测方法，包括：用压电传感器测量缸体振动的间接法和用缸压传感器或电离电流传感器测量缸内信息的直接法；其中压电传感器的应用最
普遍，也是本文讨论的重点。最后，在爆震的控制预防方面作了分析。
第三章发动机爆震试验
3.1 AVL 燃烧分析仪介绍
本文试验使用了缸压传感器和 AVL 燃烧分析仪研究爆震。使用AVL 燃烧分析仪（Indiset）可以在线观察发动机爆震情况并作数据纪录，还可以分别或同时测量缸压传感器和加速度传感器的信号[31]。本文使用的是气缸内压力传感器系统，结构简图如图3-1[32]。
如上图所示, 压电式压力传感器测量系统基本上包括以下几个组成部分：
1. 压电式压力传感器（pressure transducer）
压电式压力传感器使用的是压电效应，如公式2－1 所示，传感器的输出与所受的力成比例，也就是与缸内压力成比例。
2. 传感器冷却（Transducer cooling）
用水冷却的压力传感器一般用于压力的精确测量，传感器在测量过程中被持续、稳定地冷却。冷却系统的稳定运行很重要，冷却水必须是蒸馏水或软化水，水压、水温和流量要稳定；不然，冷却水的波动会影响气缸内压力的测量。
3. 电荷放大器(charge amplifier)
压电传感器产生的电荷信号很微弱，要经过电荷放大器的处理转换成0-10 伏的电压信号。
4. 曲轴转角发生器(Angle Encoder)
本文试验使用的曲轴转角发生器是光栅式的，精度为0.1 度，其结构图如下图3-2[32]所示。
5. 在线监测(Analogue Display)
测量到的信号可以在线显示在显示器或示波器上，用于观察发动机爆震情况和监测测试系统。
6. 燃烧检测系统(Indicating system)
压力信号经放大器后，传输给燃烧检测系统。燃烧检测系统包括模数转换器（ADC）、基于曲轴转角的数据记录器（CAM-C）、快速存储器（RAM）和分析软件等。
3.2 试验条件
本文试验所使用的发动机为一个直列 4 缸多点歧管喷射汽油机，排量为1793cm3，发火顺序为：1-3-4-2，缸径和行程分别为81mm和87mm。试验使用的爆震传感器为Siemens VDO 公司生产的压电式爆震传感器。试验系统结构见图3-3所示。使用Kistler 的缸压传感器采集汽缸内压力信号，Kistler的转角发生器(Angular generator)采集曲轴转角信号，还同时采集压电式爆震传感器的信号（经发动机控制器内部放大器放大后的），利用AVL 燃烧分析仪(Indiset)纪录数据。
3.3 试验准备
1. 准备特殊的发动机缸盖：避开缸盖内的水套，在靠近燃烧室边缘的挤气容积附近钻孔，安装压力传感器。四个气缸每缸各安装一个。
2. 安装好曲轴转角发生器以后，利用AVL的上止点传感器确定物理上止点。用测功机倒拖发动机，将上止点传感器测量的活塞物理上止点信号传递给燃烧分析仪，燃烧分析仪对应此时的曲轴转角确定上止点位置。
3. 配置燃烧分析仪：根据采样定理，采样频率至少是要采集信号上限频率的两倍。已知的爆震信号的上限频率为30KHz左右，那么采样频率至少应该是60KHz。计算得知当发动机转速为1000rpm时，如果以0.1度曲轴转角采样，采样频率正好是60KHz。当发动机转速为3000rpm时，如果以0.2度曲轴转角采样，采样频率是90KHz。为满足采样精度要求同时考虑设备和数据处理的方便，确定采样频率为：发动机转速3000rpm以上，采样周期为每0.2度曲轴转角；3000rpm以下，为0.1度曲轴转角。每个工况各采集1000个工作循环。
3.4 试验方法
应用以上建立的试验系统，首先采集了大量数据用于爆震信号的分析，其中：
1. 由于汽油机在全负荷和70%的部分负荷之间最容易出现爆震，所以本文在1000rpm以上多个发动机转速的全负荷和75%的部分负荷条件下，分别采集了发动机出现爆震和没有爆震两种状态下的数据。出现爆震的状态由在爆震临界点火提前角的基础上增加3-5度得到，没有爆震的状态由在爆震临界点火提前角的基础上延迟2-4度得到。本文中使用的采集数据，如无特别说明发动机的负荷就是100%。
2. 由于燃料对发动机的爆震有较大的影响，本试验使用了常用的三种规格汽油——90号、93号和97号，来研究燃料对发动机爆震控制的影响。其中大部分试验都是使用93号汽油，如无特别说明就是使用93号汽油。然后，又采集了爆震传感器的信号用于仿真模型的验证，其中包括：
1. 发动机转速1000rpm以上多个转速的全负荷和75%的部分负荷条件下，有爆震和没有爆震时的爆震传感器信号。而且只使用了93号汽油。
2. 由于实际发动机控制器的采样频率是固定的，所以在此部分采样周期为0.2度曲轴转角（虽如此，在各转速下采样频率还是不同；这是本文需进一步改进的地方）。
3.5 试验数据
使用以上建立的试验系统采集数据，例如：1760rpm全负荷时采集用于仿真模型验证的数据如下表3-1。
其中： CrankAngle——曲轴转角（deg）
Time ——时间（ms）
KACC1 ——爆震传感器信号（V）
PCYLx ——气缸内压力（bar），x为气缸数（1，2，3，4）
将数据画成图后更为直观，如图3-4所示。
3.6 本章小结
首先介绍本文试验所用的主要试验设备——AVL燃烧分析仪，然后介绍本文试验所用的试验系统结构、试验条件等；试验发动机和试验系统的配置等准备工作；进一步介绍，本文试验的构想和数据的采集方法。还简单介绍了试验采集的数据，及命名规则。
第四章爆震信号分析
4.1 传感器的输出特性
通过分析采集的压电式爆震传感器信号发现，其随转速的升高而变大。原因是压电式爆震传感器测量的是发动机缸壁的振动，振动能量随转速的增加而增强，且大致与转速的平方成函数关系。
将同一缸不同转速下，连续采集的1000个循环的压电传感器信号按曲轴转角叠加在一起，如下图 4-1所示。其中左上方为1000rpm出现爆震时的信号叠加图，左下方为1000rpm无爆震时的信号叠加图；右上方为4000rpm出现爆震时的信号叠加图，右下方为4000rpm无爆震时的信号叠加图。
由图可以看出，无论是爆震循环还是非爆震循环，爆震传感器输出电压都随着转速的增大而增大。对非爆震循环来说，在同一转速下，各缸振动情况变化不大，随着转速的增加，振动能量增加较快。对于爆震循环，各缸振动情况的增加趋势基
本一致，但其差异比非爆震情况下的差异要大得多。
数据分析还发现，同转速下传感器的输出随负荷的上升也会增大，但是远没有随转速的变化而变的速度快。尤其在高转速时，发动机的振动能量随负荷变化的很小，主要受转速影响。
4.2 爆震窗口
间接法测量到的发动机机体振动信号，不仅仅是由燃烧引起的，还有其它因素，比如：气门落座，活塞、凸轮轴、曲轴等运动件的碰撞敲击引起的振动。这都增加了爆震信号检测的难度，特别是在发动机高速运转的情况下，运动件引起的机体振动更加强烈，因此机械振动噪声对爆震检测的干扰是不可忽视的，见图4-2。
从图中可见气阀关闭会引发高频振动,且强度不断变化,很容量引起误判，对爆震检测有很大干扰。为了提高识别精度，必须考虑这些因素对爆震检测的影响。从时间上考虑，活塞敲击噪声、爆震和气门噪声是先后发生的，可以通过设置一个合
适的爆震测量窗，来减小活塞敲击噪声和气门噪声对爆震检测的影响。爆震窗口的大小一般为从上止点开始到几十度的范围[27,33]。分别将采集的1000个循环的有、无爆震时的压电传感器信号按曲轴转角叠加在一起，可以更清楚的看出这一点。见图4-3，其中上方为有爆震时的压电传感器信号，下方为无爆震时的传感器信号。
某些特殊情况下如果无法完全将噪声排除在爆震窗口外，一部分在窗口内，一部分在窗口外；此时可以加大爆震窗口，将噪声完全包括，把它计算在爆震限值内，来提高检测精度。如果条件允许，如发动机安装有可变配气系统，可以考虑调整气门的开关相位，避开爆震检测窗口。
除此之外，汽油抗爆性对爆震窗口也有影响。由于不可能规定发动机严格使用一种规格的燃料，所以一个经得起市场考验的发动机控制器必须尽可能覆盖所有规格的燃料。本文分别使用90号和97号汽油作为最低和最高抗爆性燃料做了此项试验。分别将使用两种燃料在同一转速下出现爆震时，采集的1000个循环的压电传感器信号按曲轴转角叠加在一起分析，如图4-4所示。其中上方为1000rpm下使用97号汽油时采集数据的叠加图，下方为1000rpm使用90号汽油试验时的结果，对比分析可以发现：
使用抗爆性高的燃料时，发动机不容易出现爆震；点火角要适当提前发动机才能出现爆震，此时采集到的爆震传感器信号也相应提前。因此爆震窗口的开始角度应该使用抗爆性高的燃料来试验确定。
当更换低抗爆性的燃料时，为了避免损坏发动机，点火角必须要适当推迟。此
时采集到的传感器信号也同样推迟。所以爆震窗口的结束角度应该使用低抗爆性的
燃料来试验确定。
4.3 爆震特征频率
当发动机发生爆震时，自燃的末端混合气会在燃烧室内产生一个冲击波。这个压力冲击波在机体上激励出的频率与燃烧室的几何尺寸和汽缸内的声速有关。1936年，Draper提出了燃烧室的理想声学模型，它认为汽缸内的气体是均质的，燃烧室是声学上理想的圆柱形硬壁；并且忽略汽缸轴向的影响，理由是：爆震都发生在活塞上止点附近，此时燃烧室的轴向尺寸相对于径向尺寸可以忽略不计。Draper的特征频率公式[7,25]如下：
其中： fm, n ——特征频率Hz
C ——声速m/s
ρm, n ——振动模型系数
B ——缸径m
m,n ——轴向、径向系数
现代典型发动机的此特征频率都在5-7KHz的范围内 [25]。
将采集到有爆震时的1000个循环的压电传感器数据作FFT分析，然后按照缸压叠加起来；对同样条件下无爆震时的信号作相同处理，可以很明显的看出特征频率集中在7kHz左右。见图4-5，其中上方为出现爆震时压电传感器信号的FFT结果，下方为无爆震时信号的分析结果。
如需阅读全文，请加QQ：1954508907或邮件至office@ndttech.net索取！
鹏翔新闻
