PFI發動機超級爆震控制理論與策略研究

楊凱酬，石則強，張繼生

（1.北京北內創意電控發動機有限責任公司，北京 100176；2.中公高遠（北京）汽車檢測技術有限公司，北京 101103）

0 引言

渦輪增壓與缸內直噴技術相結合是改善汽油機燃油經濟性和降低排放的重要措施，而且可以在保障動力性的前提下使發動機小型化。然而，隨著這兩項技術的應用，這類發動機出現了一種新的異常燃燒現象——超級爆震。發生超級爆震時，發動機燃燒室內火焰前鋒傳播速度極快，缸內壓力和溫度急劇上升，并伴隨劇烈的壓力波動與極大的噪聲。超級爆震具有偶發隨機性，對發動機極具破壞性，會對活塞及其他燃燒室零部件造成十分嚴重的破壞[1-2]。

隨著渦輪增壓技術的不斷普及，大量PFI發動機采用渦輪增壓技術后，也能夠大幅提升發動機動力性，同時在經濟性與排放水平上也有不錯的表現，由于PFI發動機成本較低，渦輪增壓技術在PFI發動機上也得到了十分廣泛的應用。然而在開發階段以及售后市場反饋上，也出現了少量PFI增壓發動機活塞受損的現象，故障體現為活塞燒蝕、活塞裙部碎裂、活塞環斷裂等，經發動機廠技術專家判定為超級爆震導致。故現在對于發動機管理系統供應商來說，有必要對超級爆震控制的基礎模型以及控制策略做出一定程度的改善，以確保減少超級爆震發生的概率，還要在超級爆震發生后，盡量通過控制來降低其對發動機造成的損壞，保證發動機的工作壽命。本文將從發動機電控系統標定控制的角度上，來探究如何在PFI發動機上應對超級爆震。

1 控制理論

超級爆震目前在發動機試驗領域有很多種生成理論，導致其發生的原因目前比較受認可的主要有：過高的冷卻液溫度以及進氣溫度；發動機低轉速大負荷；缸內積碳嚴重；缸內器件高溫；機油引燃導致爆轟；進氣道及燃燒室空氣動力學設計不合理；活塞環間隙偏大等[3-4]。

眾多生成原因主要集中在缸內工作環境惡化以及發動機整體設計問題，故發動機管理系統在超級爆震的抑制及發生后的控制上也基于這些原理進行設計，主要的應對策略有：增加噴油；調整氣門正時，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為氣缸掃氣效果增強有助于降低缸內溫度，減小氣門重疊角的理論認為提高內部EGR率使得燃燒效率下降，缸內溫度隨之下降；限制發動機動力輸出；燃油多次噴射（主要針對GDI直噴發動機）等。

目前在發動機控制領域，對于超級爆震的控制相關內容，主要集中在超級爆震的監測、超級爆震發生后的實時控制策略、降低超級爆震發生概率的策略，下文會對所提及的這幾部分做出闡述。

2 超級爆震的監測

超級爆震現象的監測是實施相關控制策略的前提，超級爆震的監測手段多樣，在發動機開發階段，其中一種手段是采用可視化技術，包括光纖火花塞和光學發動機等，利用高速攝影來觀察缸內非正常燃燒現象，這種手段能比較準確地檢測早燃超級爆震發生的位置，但成本很高。另一種手段是采用缸內壓力傳感器，通過監測缸內爆發壓力，判斷是否有早燃超級爆震發生，這種手段只需要缸內壓力傳感器和燃燒分析儀，成本有所降低，也是大部分發動機臺架試驗階段超級爆震的監測方式[5]。

待發動機實裝車輛后，受限于高昂的使用成本，量產車幾乎不可能配備缸壓傳感器，故想要實現超級爆震的監測與控制，只能參考發動機爆震傳感器的壓力信號，對于不同的發動機，需要在臺架試驗階段模擬超級爆震，采集爆震傳感器信號，并通過數據對比確認超級爆震的壓力信號數值能夠與較為嚴重常規爆震有效地區分并標定其閾值，確保ECU能夠區分超級爆震與常規爆震的信號，兩者的控制邏輯之間才不會互相沖突，爆震信號壓力對比見圖1。同時要通過示波器讀取超級爆震與常規爆震的爆震窗口（只有爆震窗口內的信號才會被采集，可以顯著提高傳感器信噪比），分別標定兩種爆震的窗口起始點及窗口寬度，盡量減少其他噪聲對爆震傳感器信號的影響，圖2即為爆震信號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強度最高的區域，并排除了信號干擾區域（一般認為是氣門落座產生的噪聲），較大幅度地提升了整體信噪比。

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

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

只有精確的信號檢測才能實現精準控制，低成本監測超級爆震的技術方案還在不斷更新與進步。

3 超級爆震控制策略

在試驗理論章節中，已經提到了超級爆震的生成原因及一般應對方式，考慮到軟件控制層面無法對發動機設計相關缺陷進行調整，目前主流的應對策略還是通過降低缸內工作溫度來降低超級爆震發生的幾率，如果超級爆震特別嚴重，會考慮限值發動機扭矩輸出；同時考慮車輛銷售到不同區域后，油品差異性較大，系統會做出相應的針對措施，降低超級爆震發生對發動機造成的損害。

下面參考一臺PFI渦輪增壓發動機的控制策略，系統采用的控制策略主要為空燃比加濃控制策略，VVT（連續可變氣門相位）控制策略。

圖3為空燃比加濃控制策略，參考發動機不同的轉速和負荷采用不同的加濃空燃比（14.6為理論空燃比，即lambda=1），確保系統監測到超級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（參考坐標為發動機轉速和發動機負荷），系統監測到超級爆震后可以增大或者減小VVT開啟的角度從而實現氣門重疊角的變化，來輔助提升掃氣能力或者增大內部EGR率，使得缸內溫度下降。

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

圖5為系統監測到超級爆震后，發動機的扭矩輸出值（x軸為不同發動機轉速，z軸數值為發動機輸出扭矩），系統會根據標定中不同轉速對應的預設值進行扭矩控制（扭矩預設值需要考慮發動機的實際動力水平，確保減扭后車輛能夠保證基本的動力性），使得發動機工作能力大幅下降，從而保護發動機。

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

上述控制策略既可以單獨使用也可以組合使用，在運用相關策略之前需要進行大量的排放及道路試驗，確保相關策略不會嚴重增加發動機的排放水平以及車輛駕駛能力符合開發要求。

4 超級爆震學習控制

超級爆震發生后，系統能夠通過爆震傳感器監測到合理的壓力信號，基于預設的控制策略，實現精準的控制。然而對于一些工作環境比較惡劣的發動機，超級爆震發生的頻次明顯增加，相關控制策略雖能有效降低缸內溫度，實現超級爆震的快速控制響應，但卻無法有效降低超級爆震的發生頻率，對于發動機的保護力度有限，故EMS系統開發了超級爆震控制區域學習的功能，旨在更加全面地保護發動機。

圖6即為超級爆震控制區域學習功能的示意圖，圖中x軸為發動機轉速，y軸為發動機參考負荷，圖中1點為系統第一次監測到超級爆震后，會自動劃定一個小控制區，如果發動機運行中工況再次進入這個控制區，系統無論是否監測到超級爆震，都會直接觸發預設的超級爆震控制策略，提前降低缸內溫度，大幅降低超級爆震發生的概率。圖中2點為下一次監測到超級爆震的工況點，此時系統會將之前劃定的小控制區自動學習至圖中的大控制區，在發動機運行工況進入大控制區后，系統無論是否監測到超級爆震，同樣會直接觸發預設的超級爆震控制策略。超級爆震區域控制學習功能開啟后，超級爆震實際控制區域明顯增大，對發動機的保護作用明顯增強。

圖6 超級爆震控制區域學習示意圖Fig.6 Schematic diagram of super knock control area learning

考慮到開啟超級爆震區域控制學習功能后，發動機較長時間處在特殊控制區域，對車輛的動力性和駕駛性存在一定影響，故系統設定了功能退出邏輯，在超級爆震區域控制激活后，如果一定里程內控制區域未再擴大，同時并未監測到明顯的爆震信號，系統會認為發動機超級爆震發生頻率已顯著降低，系統可退出區域控制，若再次監測到超級爆震發生，系統會再次啟動相關功能，在保護發動機的同時，盡量較少超級爆震功能對發動機、車輛的負面影響

同時考慮到市售車輛油品質量問題，開發了劣質油品超級爆震控制功能，系統監測到每缸平均退角均滿足限值要求時，會觸發相關控制功能，劣質油品超級爆震控制策略同正常燃油類似，區別在于更大的保護力度以及更加苛刻的退出條件，確保發動機在加注品質較低燃油時也能較好地保護發動機，降低超級爆震帶來的損害。

5 結語

本文從控制理論、監測手段、控制策略、降低發生概率的方面分析了超級爆震的生成原因，以及相對應的控制方式與試驗方法。目前對于PFI渦輪增壓發動機，無論從市場反饋還是在試驗開發過程中都發現了不同程度的超級爆震現象，發動機管理系統必須要在超級爆震發生后減小其對發動機帶來的損害，同時要將相應的控制策略對發動機排放、動力性造成的負面影響降到最低，還要通過技術手段盡可能地降低超級爆震的發生概率，保護發動機的同時，盡量提高車輛的駕駛表現。

目前發動機管理系統可以做到對超級爆震的有效檢測和較為合理的控制，但上述提及的內容仍需要控制理論與策略的不斷完善，并進行大量科學的有效的試驗，方能找到最合理平衡的控制方式以滿足車輛開發的需求，同時持續改進技術，進一步提升發動機管理系統的精準控制能力。