摘 要

爆震是火花点火汽油机一种不正常燃烧现象，是制约汽油机小型化和改善动力与经济性能的一个很大障碍。在燃烧循环过程中，一部分末端混合气在火焰前锋正常到达之前发生自燃，燃烧过程末期的缸内压力急剧上升，产生的压力波通过零部件产生金属敲击声，导致一系列汽油机工作不正常的后果。

为了提高汽油机各方面性能，本文研究了爆震实时监测及抑制方法，开发了爆震实时监测及抑制的两个关键部分：爆震判断模块和爆震抑制模块，能持续监测爆震是否发生，并且通过调节汽油机运行状态，抑制汽油机的超级爆震，降低汽油机的燃油消耗，提高汽油机的安全性与经济性。

准确的爆震强度评估是判定汽油机是否发生爆震燃烧的前提。本监测系统和抑制方法中，基于爆震传感器采取机体振动信号的汽油机爆震检测是目前应用范围最广的爆震检测方法，振动信号的低信噪比使得爆震信号识别与获取准确性难以保障。同时，控制单元的单一执行命令并不能很好的针对不同爆震强度进行调节，容易过分的避免爆震，导致燃油经济性降低。本论文针对机体振动信号进行识别获取爆震信号并控制执行机构进行爆震调节的方法进行系统研究，旨在提高爆震强度判别精度，并在保证经济性的同时有效抑制爆震发生。

关键词：汽油机；爆震强度；监测系统；抑制方法

Abstract

Knocking is an abnormal combustion phenomenon of spark ignition gasoline engine, which is a major obstacle to the miniaturization of gasoline engines and improvement of power and economic performance. During the combustion cycle, a part of the end-gas mixture spontaneously ignites before the flame front reaches normally, the cylinder pressure at the end of the combustion process rises sharply, and the generated pressure wave generates a metal knocking sound through the parts, resulting in a series of gasoline engine operation is not normal consequences.

In order to improve the performance of all aspects of gasoline engine, this paper studied the real-time monitoring and suppression methods of detonation, and developed two key parts of real-time monitoring and suppression of detonation: knock determination module and knock suppression module, which can continuously monitor the occurrence of detonation. And by adjusting the running status of the gasoline engine, the super knocking of the gasoline engine is suppressed, the fuel consumption of the gasoline engine is reduced, and the safety and economy of the gasoline engine are improved.

Accurate knock intensity assessment is a prerequisite for determining whether a gasoline engine has detonated and burned. In the monitoring system and the suppression method, the knock detection of the gasoline engine based on the knock signal of the knock sensor is the most widely used knock detection method. The low signal to noise ratio of the vibration signal makes it difficult to identify and obtain the knock signal. At the same time, the single execution command of the control unit can not be adjusted for different knock intensity well, and it is easy to avoid knocking excessively, resulting in lower fuel economy. This dissertation systematically studies the method of identifying the vibration signal of the body and obtaining the knock signal and controlling the knocking adjustment of the implementing agency. The purpose is to improve the accuracy of the knock intensity determination, and to effectively suppress the occurrence of knock while ensuring the economy.

Key Words：gasoline engine; knocking intensity; monitoring system; inhibition method

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的目的意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 3

第二章 超级爆震监测系统结构研究 5

2.1 超级爆震监测系统问题提出 5

2.1.1一种基于离子电流的汽油机爆震检控系统及方法 5

2.1.2一种基于气缸压力测量的超级爆震监测系统 6

2.2 一种新型超级爆震监测系统研究 9

第三章 超级爆震抑制方法研究 17

3.1 超级爆震抑制方法问题提出 17

3.1.1一种具有连续可变压缩比的汽油机 17

3.1.2多种汽油机超级爆震抑制方法讨论 20

3.2 一种新型超级爆震抑制方法研究 23

第四章 总结与展望 27

4.1 全文总结 27

4.2 本文的创新之处 27

4.3 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的意义

进入新世纪以来，随着石油资源的日益紧缺，各国对环境更加重视，汽油机的小型化技术应运而生，使汽油机的工作稳定性、燃油经济性以及排放性能得到改善。但是，随着汽油机小型强化程度的不断提高，产生爆震燃烧的趋势也大幅增加^[1]。爆震作为火花点火汽油机特有的一种非正常燃烧现象，其发生是一个极其复杂的物理化学过程。但是当汽油机工作在发生爆震临界状态时，汽油机燃烧速率提高，燃烧过程更接近定容过程，使其热效率会得到明显改善，有助于其动力性能、排放性能的改善。

如果汽油机发生强烈爆震，汽油机性能会迅速恶化，会引起一系列的问题：

1. 当发生爆震时，末端混合气自燃使缸内压力和压力升高率过大，缸内产生强烈的冲击波，使机体产生剧烈振动，并引发噪声，严重影响汽油机工作的平稳性。
2. 汽油机发生爆震时，燃烧爆发压力会急剧上升，超过汽油机部件所能承受的最大值，会导致汽油机材料疲劳失效、融化，造成汽油机损坏。
3. 爆震发生时，会在缸内产生高温，导致燃烧产物发生裂解，加速离解成 CO, H₂, NO等吸附在燃烧室内，促使积碳形成，影响活塞环、气门和火花塞正常工作^[2]。

汽油机燃烧室内的爆震燃烧过程是一种复杂的物理化学现象，爆震过程中产生的湍流燃烧是一种发生在多维空间的多相流问题，会受到各种周边环境因素的影响，同时爆震往往会对汽油机造成不可逆的损伤，因此试验手段很难对爆震现象进行详细研究。经过长时间探索与发展，现代汽油机有很多爆震控制装置，但控制的原理、方法和精度一直不能达到最理想的状态。目前，通过在研究爆震信号的获取方法、爆震信号的强度判定和对爆震的抑制方法的基础上，本文提出一种汽油机爆震监测系统及抑制方法，可以持续、精确地检测爆震是否发生，并且通过调节汽油机运行状态，抑制汽油机的爆震，降低汽油机的燃油消耗，提高汽油机的安全性与经济性^[3]。

1.2 国内外研究现状

早在上个世纪，科学家们就已经发现了汽油机爆震现象的存在。尽管汽油机小型化技术使汽油机的燃油经济性、排放性能和运行可靠性得到改善，但是爆震的存在使汽油机小型化技术存在很大缺陷^[4]，因此对汽油机超级爆震的监测系统和抑制方法一直是研究的重点。为了有效抑制汽油机超级爆震的发生，对汽油机超级爆震进行精确监测和采取完善的抑制方法十分必要的，因此有一个运行稳定、性能优异的超级爆震监测系统和一个逻辑清晰、考虑全面、性能优异的超级爆震抑制方法是极其重要的前提。因此，近年来大批人重点研究超级爆震监测系统和抑制方法，并取得很大进展。

对于超级爆震监测系统的研究，目前应用最广泛的汽油机爆震监测手段主要是基于气缸压力测量的超级爆震监测系统、基于燃烧噪声测量的超级爆震监测系统、基于机体振动测量的超级爆震监测系统等。这些超级爆震监测系统结构简单，成本低，并且效果也比较理想，因此使用较为普遍。对于基于气缸压力测量的超级爆震监测系统，丰田汽车公司^[5]通过研究，设计出了利用缸压传感器对燃烧室力波动信号进行检测，通过外部检测电路进行信号处理，得出发生爆震时，燃烧室内压力变化；对于基于机体振动测量的超级爆震监测系统，北汽福田汽车公司^[6]提出了用振动传感器提取气缸爆震时缸体振动的信号，分析气缸缸体的振动特性，基于燃烧状态闭环控制方法；同时，对于基于燃烧噪声测量的超级爆震监测系统，将宽带声学传感器设置在气缸盖上，测得缸内爆震燃烧的声波，并通过信号处理系统和爆震控制系统，实现对缸内燃烧状态的检测。

进入新世纪以来，随着汽油机应用越来越广泛，汽油机爆震燃烧带来的危害日益突出，国内各汽油机企业和研究所对汽油机爆震燃烧越来越重视，陆续从国外引入爆震燃烧分析设备，这些设备测量精度高、工作稳定性好，为我国抑超级爆震监测系统和抑制方法的研究起到了积极推动作用。肖兵等人^[7]基于离散傅立叶变换研制出一种汽油机爆震强度模式识别的算法，有效的解决了汽车发动机爆震检测是一维时变信号模式地识别问题，并采用递阶特征判别和判决阈值自调整策略；姜卓等人^[8]研制的新型的爆震控制电路采用高性能的混合模拟和数字电路，论述了上海交通大学内燃机研究所开发的新型电控系统中对爆震的检测和控制，包括爆震信号的采集、输入及处理、机械结构振动对爆震信号的干扰分析、爆震判断临界强度的确定及检测为爆震时的控制策略；段晖辉等人^[9]基于上海大众汽油机控制系统研制出一种集中式电子控制系统，该系统通过数字电路，利用设定好的滤波电路的带宽、基准电压及峰值检测时刻的触发进行爆震的监测和判定；李继军等人^[10]研制了一种汽油机爆震自动控制系统，该系统将应用带通滤波后具有爆震频率特征的缸内压力波峰值作为衡量爆震强度的指标，通过实验判别爆震发生的阈值，釆用统计方法确定爆震强度，依靠控制点火提前角使发动机工作在轻微爆震状态，从而使其经济性和动力性得到提高。

目前国内外还提出不少效果明显的超级爆震监测系统，例如基于燃烧光强测量的超级爆震监测系统，利用光纤传感器对缸内燃烧进行信号获取，可以利用得出的压力和光强信号对燃烧参数进行采集，并通过信号识别与处理系统，将爆震信号传入电控单元进行爆震判定^[11]。

对于超级爆震抑制方法的研究，目前应用最广泛的汽油机爆震抑制手段主要是降低混合气体浓度、减小输出负荷、推迟点火正时、优化气门正时扫气策略、优化进气行程燃油喷射策略、推迟排气门关闭时刻、采用混合气分层燃烧技术等措施。这些超级爆震抑制方法实施容易，成本低，并且效果也比较理想，因此使用较为普遍。

我国的汽油机爆震控制系统的设计与开发和国外设计还有很大的差距。对于汽油机爆震控制系统市场有特征明显，大多数的汽油机爆震控制系统由博世、德尔福等少数几家外国公司掌握，仅仅极少部分汽油机爆震控制系统由国内公司进行生产。开发出拥有自主知识产权、性能良好、工作稳定的汽油机爆震监测系统和抑制方法是汽油机技术发展的关键问题^[12]。

1.3 课题研究内容

超级爆震是限制火花点火汽油机功率提高和经济性改善的一个重要因素，因此，对汽油机超级爆震进行精确监测和采取完善的抑制方法是应对汽油机爆震的有效手段。由于超级爆震监测精度主要取决于爆震监测系统的精度，超级爆震抑制方法完善程度主要取决于方法的控制逻辑是否清晰合适，这其中涉及到各方面因素的影响。因此，想要正确对待汽油机超级爆震的现象，应综合考虑各方面因素后，提出完备的汽油机超级爆震监测系统和抑制方法。

本文在几下几个方面对汽油机超级爆震的控制进行讨论研究：

1. 介绍近几年对于汽油机超级爆震控制的研究方向和内容，分析各汽油机超级爆震监测系统和抑制方法的优缺点，对各系统和方法进行对比分析，突出超级爆震监测系统和抑制方法对汽油机发展所具有的重大作用。
2. 在分析了各类汽油机超级爆震监测系统和抑制方法的基础上，综合考虑各方面的因素，提出一种火花点火式汽油机超级爆震监测系统及抑制方法，此超级爆震监测系统及抑制方法根据汽油机各项运行参数，通过对汽油机超级爆震强度的判定并采取相应措施进行抑制，有效减少超级爆震的发生，提高汽油机的经济性、可靠性及安全性。
3. 对比提出的汽油机超级爆震监测系统和抑制方法与现有系统和方法的优劣势，分析提出的汽油机超级爆震监测系统的结构特征和抑制方法的控制逻辑。超级爆震监测系统突出监测过程的高精度和工作过程中的稳定性，电控单元基于汽油机缸体振动特征，对爆震信号进行采集分析并判定汽油机是否发生超级爆震。超级爆震抑制方法的控制逻辑特征在于根据爆震强度对汽油机进行多级调节抑制汽油机超级爆震的方法，执行机构根据控制信号对汽油机运行工况进行调节，避免超级爆震的发生。
4. 分析汽油机爆震的原因，决定汽油机爆震是否发生的因素有许多，其中有较大影响的包括：较大的点火提前角将导致末端混合气温度和压力升高过快，易导致末端混合气自燃引起爆震；汽油辛烷值过小，燃料抗爆性能差，遇到中高温度和压力易发生爆震燃烧；由于汽油机长时间的使用，燃烧室内壁易形成积碳，积碳周边混合气会受到更大的温度传导；汽油机冷却系统非正常工作，导致燃烧室壁温度过高，末端混合气易发生自燃，导致汽油机爆震^[13]。本文提出的方法综合考虑以上各方面因素，在保证汽油机各方面性能不受影响的前提下，提供一种新型火花点火式汽油机超级爆震监测及抑制方法，这种超级爆震监测系统及抑制方法逻辑清晰、考虑全面、性能优异，相比于以往的超级爆震监测系统及抑制方法有很大的提升，相信有广泛的使用空间。

第二章 超级爆震监测系统结构研究

现代汽车越来越多的将汽油机作为动力源，因为汽油机作为一种通过燃料在燃烧室内燃烧将化学能转化为动能输出的机械装置，有着高升功率、低噪声及质量轻巧等优点。汽油机的小型化可以有效提升汽油机性能、提高热效率、降低排放。但是，随着小型强化程度的提高，汽油机产生爆震燃烧的趋势也大幅增加。爆震燃烧将导致一系列不正常的后果，对汽油机的的性能、可靠性及安全性都会产生不良影响，是目前增压汽油机提升功率和降低燃油消耗率遇到的主要障碍。要注意的是，为了对汽油机的超级爆震采取有效的抑制手段，有一个运行稳定、性能优异的超级爆震监测系统是极其重要的前提。因此，近年来大批人重点研究超级爆震监测系统，并取得很大进展，下文将对几个比较典型的超级爆震监测系统进行分析。

2.1 超级爆震监测系统问题提出

2.1.1一种基于离子电流的汽油机爆震检控系统及方法

经过长时间的研究与试验，目前研究出很多先进的汽油机超级爆震监测系统，这其中的一个研究热点就是基于燃烧缸内离子电流的超级爆震监测系统，它具有低成本、监控准确等优点，具有代表性的是同济大学于2015年研制的一种基于离子电流的汽油机爆震检控系统及方法。

图2.1 基于离子电流信号的爆震检测系统

如图2.1，其中：1离子电流探针，2离子电流检测电路，3模数转换器，4微控制器芯片，5微控制器，6信号处理器，7曲轴位置传感器，8凸轮轴相位传感器，9喷油传感器，10信号采集处理模块，11喷油驱动电路，12喷油器^[14]。

整个系统组成如图2.1所示，5微控制器和10信号采集处理模块的主要连接方式如下：5微控制器的组成包括3模数转换器和4微控制器芯片，其中4微控制器芯片作为关键部件，分别与3模数转换器、10信号采集处理模块、11喷油驱动电路连接，所述的3模数转换器与运算放大器的输出端连接。10信号采集处理模块的组成包括6信号处理器、7曲轴位置传感器、8凸轮轴相位传感器、9喷油传感器，其中的6信号处理器分别与5微控制器、7曲轴位置传感器、8凸轮轴相位传感器以及9喷油传感器连接。

图2.2 电流检测电路的部件连接图

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