某汽油发动机异常早燃信号问题的分析解决_马瑞瑄.pdf

年第期某汽油发动机异常早燃信号问题的分析解决马瑞瑄，钮海雷，张帅，杨红天（长城汽车股份有限公司，蜂巢易创科技有限公司，河北 保定 ）摘要：保护发动机的早燃控制策略是通过爆震传感器采集到相对一般爆震的振幅增大的信号，该信号的积分值超出早燃阈值，及该信号发生在判定早燃时间窗口区域内。本文论述了一种因发动机排气歧管垫片热胀冷缩后，产生异常振动，爆震传感器将该振动信号误判为早燃导致的振动信号。通过对排气歧管垫片进行优化设计，最终解决了异常振动的产，为其他汽油发电机早燃问题、排气歧管振动问题的排查解决通过了参考依据。关键词：汽油发动机；早燃；排气歧管垫片；振动中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：马瑞瑄（），男，山西省长治市，回族，高级工程师，本科，主要从事发动机设计开发。引言为满足着市场的需要，汽油发动机的性能要求越来越高，同时为了实现油耗、和排放法规发动机小型化的设计路线也在同步发展，升功率、升扭矩为代表的发动机动力性指标不断向上提升。为了实现发动机高动力性指标，汽油发动机在接近压缩冲程终了到火花塞点火前的气缸压缩压力和燃烧室内混合气温度都是大大提升，为早燃现象的发生创造了必要条件。早燃在高性能汽油发动机工作时是一种常见的异常燃烧现象，混合气在火花塞点火之前开始着火燃烧，主要出现在发动机低速大负荷工况，但在一些瞬态工况和高速大负荷工况也会出现偶发早燃现象。发动机发生早燃现象时将导致气缸内的混合气压力瞬时大幅升高，爆发压力会超出发动机设计燃烧时的最大爆发压力，同时会伴随高频振荡。早燃现象一旦出现，会对发动机整个燃烧室组成结构造成极大的危害，对火花塞、缸盖、气门、活塞、活塞环、活塞销等核心零部件可靠性造成影响。而早燃现象在汽油发动机工作时又是偶发性现象，又受到润滑油成分、燃油成分、火花塞热值、燃烧室结构、进气温度、气门导热等多因素的影响。为了有效降低早燃发生频次、避免连续早燃，保护发动机的控制策略是有效措施之一。保护发动机的控制策略是通过爆震传感器采集到相对一般爆震的振幅增大的信号，该信号的积分值超出早燃阈值，及该信号发生在判定早燃时间窗口区域内，识别为早燃现象发生，然后通过调整混合气、调整点火角、调整 等措施抑制早燃的继续发生。问题描述本文中所涉及的发动机为某 四缸增压汽油发动机，该发动机满足国六排放法规要求，表为该发动机的主要参数。表发动机主要参数项目参数排量 压缩比：燃油牌号 额定转速 额定功率 最大扭矩 发动机排温 该发动机在进行正常开发试验的过程中多台发动机存在多次偶发性触发早燃阈值，控制策略进行相应的目标空燃比加浓。问题验证排查结合机理及开发经验，早燃现象主要发生在发动机外特性及其附近工况。本文所出现的问题的工况主要是在发动机转速 、中高负荷，且早燃现象主要发生在发动机变工况阶段，距离对应转速下的外特性负荷还有 以上的余量。DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.031内燃机与配件 发动机硬件及试验边界排查对导致发动机发生早燃现象的可能因素进行排查。分析发动机试验过程数据未出现异常水温、燃油温度、机油温度、排气温度等过热现象；对发动机使用的燃油成分、机油成分进行理化分析后未发现有异常；对发动机机油消耗、混合气控制、点火能量方面进行排查未发现异常；对发生早燃现象的发动机本体所装配的爆震传感器、水温传感器、进气温压传感器、点火线圈本等电控原件体进行测试，各项指标均满足设计范围；对试验环境所涉及的环境温度、环境湿度、环境压力等数据进行分析未发现有异常；对问题发动机本体进行拆解进行发动机各系统硬件分析，主要检测了火花塞、曲轴箱通风系统、缸体、缸盖、活塞、气门、缸盖垫片、活塞环等相关零部件未发生异常，且组成燃烧室的各零部件表面也无易导致热点的尖角、毛刺等突出部分，燃烧室表面也没有过热痕迹，缸体与爆震传感器结合面相关加工尺寸满足设计要求；对发动机缸盖、缸体的冷却水道、油道进行了多段刨切检测，未发现局部堵塞、壁面厚度不均现象。以上排查未发现发动机本体异常。发动机早燃专项试验结合早燃发生机理，问题实际发生工况对发动机进行了早燃专项验证试验，该试验工作所使用发动机均为之前排查试验记录中存在早燃计数的发动机。正常边界外特性稳态早燃验证早燃现象主要发生在低速大负荷工况，结合问题发生转速，设定转速，并在每个转速下的全负荷工况连续运行 个循环，发动机的环境温度、环境湿度、燃油温度等环境边界按 汽车发动机性能试验方法 控制，确认早燃发生批次。经过试验验证，在最为容易发生早燃的各个工况条件下均未出现早燃计数。表为发动机试验工况。表发动机试验工况序号转速负荷连续运行时间 全负荷 高进气温度高水温外特性稳态早燃验证通过提高发动机进气温度，发动机机体温度，形成更严酷的环境评价改款发动机发生早燃的频次。本次试验策划是在正常试验边界基础上各个工况进气温度（中冷器后温度）分别原温度基础上增加 ；同时为提高发动机机体温度，通过提升发动机出水温度到 （原试验发动机出水温度控制在）来实现。经过试验验证，在特定的高进气温度高水温外特性稳态工况，发动机在各个工况条件下均未出现早燃计数。正常试验边界、高进气温度高水温动态早燃验证结合问题发生转速，发动机转速连续反复的由怠速转速拉升 至 ，拉 升 目 标 负 荷 分 别 为 ，四个工况分别进行早燃循环验证；每个工况正常边界条件（出水温度、中冷后温度）进行一次验证，高水温高进气温度（出水温度 ，中冷后温度 ）分别验证一次。经过试验验证，在正常试验边界控制、高进气温度高水温动态工况下，发动机在各个工况条件均未出现早燃计数。基于正常边界外特性稳态早燃验证、高进气温度高水温外特性稳态早燃验证及高进气温度高水温动态早燃验证试验结果分析，发动机发生真实早燃的可能性非常低，应该是由某异常的振动信号或异常点火线圈电磁干扰到爆震传感器在发动机早燃预设窗口触动早燃阈值导致误判为早燃。发动机异常信号查找发动机发生的早燃计数都是偶发性的，在通过反复的专项试验验证均没有发生早燃计数。该异常信号应该是随机发生，同时考虑到发动机预设的早燃窗口只是发动机压缩冲程终了附近到火花塞点火前非常短的区间，如果干扰信号产生如未落在早燃窗口期间，就不会触发早燃计数。通过认为调整控制策略，放开早燃窗口区间为发动机工作全时段，试验过程中连接爆震音箱识别是否有真实的振动，还是由异常点火线圈电磁信号干扰。同步对发动机爆震传感器及其线束使用屏蔽材料实现电磁信号屏蔽措施保护。在进行正常试验边界动态早燃验证试验过程中出现了多次早燃计数，发生的时刻存在随机性，在进气冲程、中小负荷均有早燃计数。在早燃计数的同时爆震音箱伴随的出现异响声。结合试验验证的结果分析可知发动机存在异常振动导致了前期试验出现早燃现象，可以排除是由于异常点火线圈电磁干扰到爆震传感器导致早燃发生。为排 查 振 动 源，在 发 动 机 进 排 气 侧 分 别 布 置 两 个振动传感器。在出现早燃计数时刻，对振动传感器所采集到的振动信号进行分析，发现发动机排气侧的振动信号明显异常，排气侧振动幅值大于进气侧数倍。振动数据具体见图，表进排气振动幅值对比。对发动机排气侧异常振动源排查，在发动机缸盖排气侧缸盖、缸体分别布置两个 振动传感器。在出现早燃计数时刻，对 振动传感器所采集到的振动信号进行分析，发现发动机缸盖处的振动信号明显异常，缸盖处振动幅值大出缸体处数倍，振动源应该存在于缸盖处附近。振动数 据 具 体 见 表 排 气 侧 缸 盖、缸 体 振 动 幅 值对比。图 年第期表进排气振动幅值对比进气侧振动幅值传感器传感器排气侧振动幅值传感器传感器向 向 向 表排气侧缸盖、缸体振动幅值对比排气侧缸盖振动幅值传感器传感器排气侧缸体振动幅值传感器传感器向 向 向 确定产生异常振动零部件异常振动信号产生与缸盖排气侧附近，产生振动时刻的随机性以及结合振动幅值大小，初步锁定薄壁金属件产生的异常振动。对符合以上特征的零部件排气歧管垫片、整车排气系统进行确认性验证试验。由于排气系统为高温件，无法振动传感器安装在排气系统上，更换整车排气系统为实验室排气工装管路（铸管）。经试验验证任然存在因信号误判导致的异常早燃计数，并且爆震音箱伴随着出现异响声。通过此次验证可以排除异响源是整车排气系统。将原机排气歧管垫片拆除，换装为临时采用耐高温的石棉垫材料改制的排气歧管垫片。经试验验证未出现早燃计数，且爆震音箱伴未出现异响声。通过此次验证可以确定发动机排气歧管垫片是产生异常振动信号误判导致的异常早燃计数的振动源。图为发动机原机的排气歧管安装组成图发动机排气歧管安装组成制定优化方案排气歧管垫片安装在排气歧管与缸盖排气侧之间，通过耐高温紧固件将三者紧固起到密封作用。原机排气歧管垫片为双层耐高温不锈钢片结构。工作环境非常恶劣，长时间受到发动机排出的高温废气的冲击和腐蚀。结合排气歧管垫片的工作环境、本体三层不锈钢结构初步分析为排气歧管垫片热胀冷缩带动排气垫片各层翘曲，发动机运行中垫片局部应力不断累计，突然应力释放，引起振动。图为排气歧管垫片结构。在发动机上安装原机排气歧管垫片，将紧固件的安装力矩由 调整至 减小垫片间的摩擦力进行试验验证。经试验验证未出现早燃计数，且爆震音箱伴未出现异响声。通过此次验证可以确定发动机排气歧管垫片是由于垫片局部应力不断累计，突然应力释放，产生异常振动，通过减小排气歧管垫片间的摩擦力可以避免异常振动问题发生。图排气歧管垫片结构通过在排气歧管垫片表面增加 耐温涂层，在保证垫片可靠性的同时，可以减小排气歧管垫片的摩擦力。经试验验证未出现早燃计数，且爆震音箱伴未出现异响声。该方案可以有效的避免排气歧管垫片在热胀冷缩时产生的异常振动。结语经过上述专项试验验证，可以确定发动机运行过程中出现多次偶发性触发早燃阈值，控制策略进行相应的目标空燃比加浓的现象，并不是发生真实早燃现象，是由于不锈钢材质的排气歧管垫片在热胀冷缩使局部应力不断累计，突然应力释放，产生异常振动。该振动的产生是随机性的发生，同时导致发动机爆震传感器在早燃信号窗口期将该振动信号误判为早燃导致的振动信号，且该振动信号的振动幅值超出了早燃振动信号阈值。通过在排气歧管垫片表面增加 耐温涂层，可以有效的避免排气歧管垫片在热胀冷缩时产生的异常振动。参考文献：马俊杰，史程中，成海元，尹建东，沈源，王瑞平早燃对汽油机的影响及早燃控制措施 小型内燃机与车辆技术，（）：吴威，龙林，思聪，潘中明，吴翔早燃敏感性与控制策略的试验研究 小型内燃机与车辆技术，（）：申立影，教传海，李国强某汽油增压发动机早燃的解决方案 中国汽车工程学会年会论文集，：齐运亮，徐雅齐，王志，王建昕模拟早燃弓丨起的汽油机 爆 震 特 性 工 程 热 物 理 学 报，（）：