某汽油发动机爆震问题分析与解决
10.16638/jki.1671-7988.2019.08.041
某汽油发动机爆震问题分析与解决
魏远飞，郭伟，侯邦明
（上汽大众汽车有限公司，上海201805）
摘要：汽油发动机爆震不仅影响发动机的性能，而且引起用户的噪声抱怨。文章结合某汽油发动机爆震异响实际案例，分析研究了发动机爆震的原因，并基于爆震控制的策略，通过台架标定，优化点火提前角，成功提供了汽油机爆震的解决方案。
关键词：汽油发动机；爆震；分析
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)08-130-03
Analysis and Resolution of a Gasoline Engine Knocking Problem
Wei Yuanfei, Guo Wei, Hou Bangming
( SAIC V olkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )
Abstract: 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-knocking problem is successfully resolved by optimizing ignition advance angle.
Keywords: Gasoline Engine; Knocking; Analysis
CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)08-130-03
发动机异响引言
由于汽油发动机自身因素和外部因素的影响，在使用的过程中发生爆震等现象，发动机爆震过程中往往伴有冲击波，从而发出尖锐的金属敲击声，也就是通常所说的“敲缸”现象。
汽油发动机爆震不仅影响发动机的性能，而且引起用户的噪声抱怨。随着中国汽车市场用户的成熟度越来越高，用户对噪声的要求越来越高，汽油发动机爆震异响问题成为一个需要解决的问题。本文结合某汽油发动机爆震异响实际案例，分析研究了发动机爆震的可能原因及解决方案。
1 汽油发动机爆震及影响因素
汽油是以气态与空气混合形成可燃混合气的，可燃混合气在一定的温度与压力作用下，其中的碳氢原子与空气中的氧发生激烈的化学反应，并伴随有放热和发光的效应，这一现象称为燃烧。汽油机正常燃烧时，火花塞点火后经过短暂的着火延迟，在电极间隙附近形成火焰核心，火焰从火焰核心以30～40 m/s的速度向四周的未燃混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。
爆震是汽油机中一种不正常的燃烧现象。在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气(末端混合气)被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度因热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心，产生后继性缸压振荡。即在正常火焰传播到以前先行发火自燃，发出极强的火光，燃烧温度常在4000℃以上，火焰传播速度达200～1000m/s以上，比正常燃烧的火焰传播速度高几十倍。高速传播的爆震燃烧使气缸内产生压力冲击波，并在气缸壁面上反射和反复冲击，造成强制振动并产生高频噪声，即产生爆震，也就是通常所说的敲缸现象。气缸内的燃烧压力如图1所示。
能够引发爆震的因素很多，通常认为以下因素与汽油机爆震现象相关：
作者简介：魏远飞（1982-），男，硕士研究生，工程师，现就职于上汽大众汽车有限公司。
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图1  正常燃烧与爆震燃烧压力对比
（1）点火角过于提前。为了使活塞在压缩冲程上止点后，一进入做功冲程能立即获得动力，通常都会在活塞到达上止点前提前点火( 因为从点火到完全燃烧需要一段时间) 。而过于提早的点火会使得活塞还在压缩冲程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。点火时间过于提前，是发动机产生爆震最主要的原因。各种型号的发动机都有其最佳的点火特性，应选择最佳的点火提前角，使发动机发挥其最大功率而达到降低油耗目的。
图2  点火提前角对爆震的影响
（2）燃油辛烷值过低。辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。高压缩比的发动机如果选用低标号汽油，则容易发生爆震。如果用户使用的汽油辛烷值和抗爆指数实际值比要求值偏低，也容易导致爆震发生。
（3）燃烧室积碳过多。积碳的形成是由于在发动机工作过程中，燃烧不完全的燃油和机油上窜到燃烧室参与燃烧，在氧气和高温的作用下凝聚在燃烧室壁面、火花塞电极和活塞顶部等处形成的胶质和碳质相结合的混合物。燃烧室的积碳过多，会使燃烧室容积减小，增加压缩比，易产生爆震。又会使积碳表面温度较高形成热点，容易在火焰传播到达之前点燃混合气引起表面点火，增加爆震倾向。因此，适当清除燃烧室、活塞顶部、气门头部等处积碳可减少爆震的产生。
2 汽油发动机爆震控制策略
为了提高汽车的动力性和经济性，通常的方法是在原有基础上增大点火提前角、增大压缩比，但这些技术上的改进在提高了性能的同时也大大的提高了发动机爆震的倾向。因此，在发动机台架标定时，往往需要通过爆震控制（点火提前角的调整）将发动机运行在爆震燃烧边界点（最佳点火提前角）以发挥发动机的最佳性能而又不对发动机造成损坏。最佳点火提前角的作用就是在各种不同工况下，使气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程。点火过早，活塞还在上行过程点火就出现燃烧气体膨胀力向下，而活塞向上行就会
出现爆震，效率降低，磨损加剧。点火过迟，气体做功效率低，排气声大。在爆震控制时，随着点火角向后推迟，爆震倾向逐渐降低，但是随着点火角的推迟，发动机的动力性、经济性也会同时下降，所以当ECU 监测到当前爆震倾向较弱
时，又会恢复推迟的点火提前角，最终将发动机的点火提前角稳定在靠近爆震线的非爆震区域边界，以求达到发动机最好的经济性和动力性。如图3蓝部分是爆震控制的理想区域。
图3  发动机爆震控制策略
3 爆震车辆数据采集和分析
为了分析确认问题，去经销商现场分析了典型爆震异响抱怨用户车辆，并采集了相关数据。对爆震异
响抱怨用户车辆进行测试分析发现，在爬坡工况发动机负荷rl_w 从14%升到51%的过程中，通过INCA 读取爆震识别确认信号B_kl 多
次置位1，数据显示有爆震发生；同时，在4km 路试过程中在驾驶座位上听到有46次清晰的“哒哒声”。如图4所示。
图4  爆震异响车辆数据采集
图5  爆震异响车辆积碳检查 将抱怨用户车辆发动机的火花塞拆下来检查，未发现火花塞有明显积碳；用内窥镜对抱怨用户发动机的燃烧室进行检查，燃烧室积碳轻微，未发现有明显积碳，如图5。且经销商反馈已经帮用户清洗过一次燃烧室后，仍然有爆震异响，因此，用户车辆爆震不是由于燃烧室积碳导致的。
从抱怨用户车辆抽取一小瓶汽油样品，根据GB17930- 2016对抽取汽油进行检测，所抽取汽油的辛烷值和抗爆指数均满足GB17930-2016的要求，如表1所示。因此，用户车辆爆震不是因为使用了辛烷值或抗爆指数不达标的劣质汽油导致的。
汽车实用技术
132表1 汽油辛烷值及抗爆指数检查
4 发动机台架标定数据分析及优化
如图6所示，为发动机台架实验室对正常发动机某缸的爆震扫描图，X轴为实际缸压传感器信号Peak（Bar），Y轴为爆震传感器信号计算出的信噪比值Rki，蓝虚横线为爆震识别阈值，蓝竖虚线：实际缸压判别为真则确认为真实爆震。第一象限区和第二象限区为正常区，第三象限为爆震区，第四象限为爆震误判区。
图6 正常发动机爆震扫描图
为了进一步分析发动机爆震异响的原因，通过随机抽取一台同车型批量发动机，在发动机台架实验室进行全面的爆震扫描，以获取发动机在负荷为50%时的爆震扫描图。经过对爆震扫描图分析发现，4缸在50%负荷区存在爆震，如图7所示。因此，该汽油发动机的点火提前角标定存在优化空间，点火提前角标定不够完善，是导致用户车辆爆震的原因。
图7 改进前，汽油发动机负荷50%时的爆震扫描图
表2 点火角进气温度调整标定
在发动机台架上，对点火提前角在不同进气温度（trans）和不同发动机转速（nmot_w）下进行点火提前角的调整标定，如表2所示，将用户容易发生抱怨的工况（800rpm-3000rpm）的点火提前角进行不同程度的调减。
将优化后的发动机软件在发动机试验台架上，对发动机进行台架爆震扫描，发现负荷50%的数据明显改善，如图8所示。
图8 优化后，汽油发动机负荷50%时的爆震扫描图
5 发动机软件优化后的实车效果验证
将在发动机试验台架进行优化标定后的发动机软件，在抱怨用户车上进行软件刷新前后对比试验，模拟用户抱怨典型工况，20度角爬坡，2000rpm加速使用工况，并录取噪声进行实车感知分析和噪声频谱对比分析发现：用户抱怨车在发动机软件刷新后，异响基本消除，如图9所示。
图9 软件优化前后的噪声数据对比分析
6 总结
随着中国市场用户的成熟度越来越高，用户对汽车品质的要求越来越高，发动机爆震问题成为发动机标定时需要重点考虑的一个问题。本文基于发动机台架标定试验，通过发动机台架扫描爆震图，确认发动机点火提前角标定不完善是发动机爆震异响的原因。然后，通过在发动机台架上制定调整发动机标定数据的优化方案，主要是调整发动机点火提前角。最终在抱怨用户车辆实车验证，成功解决了用户抱怨的发动机爆震异响问题。
参考文献
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