發(fā)動機燃燒過程監(jiān)測和氣缸蓋墊壓力傳感器

本文介紹發(fā)動機燃燒過程電子控制及其意義、氣缸蓋墊壓力傳感器的原理以及集成于氣缸蓋墊的壓力傳感器。

發(fā)動機燃燒過程電子控制及其意義

為了優(yōu)化調(diào)節(jié)噴油參數(shù)和點火參數(shù)，發(fā)動機管理系統(tǒng)需要采集準確的燃燒過程數(shù)據(jù)。這涉及發(fā)動機燃燒過程的多個電子控制項目，諸如燃油定量、點火定時、噴油定時、EGR、增壓壓力、汽油機稀薄燃燒、分缸斷油和摻燒甲醇電子控制等。這些項目很少使用傳感器來直接監(jiān)測，只是通過對轉(zhuǎn)矩、爆震等的監(jiān)測，間接地監(jiān)測燃燒過程。不過，有實驗證明，通過合適的傳感器技術(shù)，發(fā)動機電子控制將可被優(yōu)化，即使在成批生產(chǎn)的汽車中也能做得到。

近年對直接監(jiān)測燃燒過程參數(shù)的傳感器的研究，主要集中在以下幾種傳感器：火焰前鋒傳感器、離子間隙傳感器、氣缸壓力傳感器、光學(xué)火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｆ渲?，氣缸壓力傳感器提供的信息最有意義和豐富，這些信息包括：壓縮壓力、燃燒起點、氣缸壓力峰值及其出現(xiàn)時的曲軸位置、平均有效壓力變動率及出現(xiàn)氣缸壓力峰值時的曲軸位置的變動率、指示功率、放熱率、分缸監(jiān)測到的爆震、分缸監(jiān)測到的缺火等。氣缸壓力信號不僅可用于通過燃油定量、點火定時、噴油定時、EGR、增壓壓力、汽油機稀薄燃燒、分缸斷油和摻燒甲醇等電子控制實現(xiàn)對燃燒過程的電子控制，而且可用于缺火的故障診斷。

汽油機燃燒過程電子控制的典型實例是“實現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)矩的最小點火提前角”（MBT=Minimum spark timing for the Best Torque）控制。對應(yīng)于氣缸壓力峰值的曲軸位置，可利用這一控制進行監(jiān)測，并通過調(diào)整點火提前角令峰值保持在確定的曲軸位置。值得注意的是，爆震控制比MBT具有更高的優(yōu)先權(quán)。爆震控制和MBT控制相結(jié)合，確定了最佳點火提前角。對柴油機燃燒過程的監(jiān)測也有相近的效果。

氣缸蓋墊壓力傳感器的原理

有多種方案和多種傳感器可用來監(jiān)測氣缸壓力。關(guān)鍵是，該傳感器的構(gòu)造適合于一般發(fā)動機而不必改動氣缸蓋，還有，該傳感器的構(gòu)造和靈敏度特性曲線具備以下特點：接近燃燒室壁的溫度；火花塞的緊固力矩；即使在周圍充滿機油和燃燒氣體的情況下也具有良好的耐久性。早年曾有人嘗試在缸蓋螺栓上貼應(yīng)變片以監(jiān)測氣缸壓力，但這有失于各缸壓力對傳感器信號的貢獻率難以被區(qū)分。另一種方案是，用于汽油機的火花塞型和用于柴油機的熾熱塞型氣缸壓力傳感器，目前，這種傳感器的基本構(gòu)造已差不多完成，其中采用了壓電元件作為傳感元件；但是，這種氣缸壓力傳感器的運作都要依靠間接測試密封間隙的運動。相比之下，集成于氣缸蓋墊的壓力傳感器則有較大的優(yōu)勢，因其能夠直接測試缸內(nèi)壓力。

為了消除發(fā)動機結(jié)構(gòu)的影響，埃爾靈.克林額公司、德廷根/埃姆斯（Dettingen/Erms）公司和瑞士溫特圖爾（Winterthur）的奇士樂（Kistler）儀器公司正在開發(fā)一種帶有集成于其中的缸內(nèi)壓力傳感器的氣缸蓋墊。這種帶壓力傳感器的氣缸蓋墊對壓電傳感器本身提出了很高的要求，特別是，要將傳感器做得非常小，同時還要保證盡可能高的信號增益和對橫向影響的不敏感性，這是一項極大的挑戰(zhàn)。在20年的研究工作中，試驗了新的晶體化合物，開發(fā)了新的晶體培育過程，現(xiàn)在已經(jīng)有一個晶體家族可供使用。這些晶體起名“壓電之星”，從1998年開始在奇士樂公司進行培育，并且加工成為傳感元件。

這些壓電之星晶體的性能為：高的壓電靈敏度（比石英高五倍）；諸如靈敏度、線性度和無滯后性等重要性能對溫度和時間的高度穩(wěn)定性；沒有雙晶形成，這就是說，各個晶體區(qū)域在高溫下受到機械載荷時不發(fā)生極性的改變；在工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模下晶體的培育過程具有可重現(xiàn)性；已經(jīng)在高等級的壓電傳感器中制成樣件并且經(jīng)受了實踐的考驗。

壓電式壓力傳感器在火花塞和熾熱塞中進行試驗，已經(jīng)成功地制成了第一個直徑為3mm的縮微型試驗元件的樣品，這個樣品能夠直接用螺紋擰入密封間隙之中，見圖2和圖3。其中工作條件最為惡劣的零件是傳感器膜片，特殊的安裝條件可抵受很高的機械負荷和熱負荷，因而傳感器膜片除了決定測試精度以外，通常還決定了傳感器的使用壽命。

壓力傳感器集成于氣缸蓋墊

從原理上說，信號質(zhì)量主要受到傳感器位置的影響。在燃燒室上布置一個密封得好的傳感器，對燃燒壓力最為有利?，F(xiàn)代化的發(fā)動機結(jié)構(gòu)由于采用了多氣門技術(shù)和復(fù)雜昂貴的氣缸蓋通道，所以幾乎沒有空間可以安裝傳感器。金屬層迭式氣缸蓋密封墊作為靠近燃燒室設(shè)置的功能性元件而成為壓力傳感器的替代性的安裝地點，以這種方式能夠避免在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)中鉆出專門為傳感器設(shè)置的孔。將壓力傳感器集成于氣缸蓋墊的目的是：

- 獲得能夠滿足示功圖要求的質(zhì)量水平的壓力信號
- 實現(xiàn)盡可能小的安裝厚度，也就是說，沒有傳感元件
- 形成對橫向影響盡可能低的敏感性，也就是說，傳感器對于密封墊的熱耦合和機械耦合盡可能地低
- 造成對維護的友好性，也就是說，不必拆卸氣缸蓋就能夠裝入和拆下傳感器
- 使得所有的零部件以及整個系統(tǒng)的使用壽命都大過或等同發(fā)動機使用壽命。

由于受傳感器結(jié)構(gòu)尺寸限制（直徑3.6mm，包括傳感器殼體在內(nèi)），只能要求提高安裝厚度。為了使發(fā)動機的壓縮比保持不變，將發(fā)動機氣缸體的高度減去了一點，其大小相當于和成批生產(chǎn)所用的氣缸蓋墊的厚度差。

結(jié)語和展望

試驗結(jié)果表明：這種帶有壓力傳感器的密封墊能夠?qū)崿F(xiàn)對燃燒方法更加準確的控制――這主要用于共軌噴油或者泵噴嘴噴油的柴油機。噴油單元的零部件必定有加工公差，由此引起的各個氣缸的全負荷噴油量的偏差能夠通過發(fā)動機電子控制系統(tǒng)加以補償。全負荷峰值壓力離開機械負荷極限的“安全距離”可以明顯地縮小。利用壓力曲線可以對燃燒過程進行分缸監(jiān)測：發(fā)動機磨損或者噴油裝置、排氣再循環(huán)或者增壓壓力閉環(huán)控制的故障將可以立即根據(jù)非典型的峰值壓力而得到識別。

這種概念基本上適合于通過氣缸蓋墊采集氣缸壓力。即使其應(yīng)用最初限于試驗臺上的運行，卻已經(jīng)顯露出用于成批生產(chǎn)發(fā)動機的可能性。將來用于成批生產(chǎn)發(fā)動機的先決條件是，進行廣泛的、長時間的系統(tǒng)試驗，并且進一步減小安裝厚度，例如通過將密封功能和殼體功能組合在一起，以及減少橫向力的影響。為了實現(xiàn)將來的高科技發(fā)動機，還必須對開發(fā)潛力進行進一步的研究，如：

- 將該系統(tǒng)用于改善各缸壓力的均衡分布
- 改進車載故障診斷OBD
- 該系統(tǒng)用于精確地根據(jù)排放要求對燃燒過程進行優(yōu)化的潛力。