發(fā)動機(jī)燃燒過程監(jiān)測和氣缸蓋墊壓力傳感器 2011-06-03 22:47:32來源:互聯(lián)網(wǎng)
本文介紹發(fā)動機(jī)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(jī)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(diǎn)火參數(shù)，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)需要采集準(zhǔn)確的燃燒過程數(shù)據(jù)。這涉及發(fā)動機(jī)燃燒過程的多個電子控制項(xiàng)目，諸如燃油定量、點(diǎn)火定時、噴油定時、EGR、增壓壓力、汽油機(jī)稀薄燃燒、分缸斷油和摻燒甲醇電子控制等。這些項(xiàng)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(shí)驗(yàn)證明，通過合適的傳感器技術(shù)，發(fā)動機(jī)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?。其中，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(diǎn)、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(diǎn)火定時、噴油定時、EGR、增壓壓力、汽油機(jī)稀薄燃燒、分缸斷油和摻燒甲醇等電子控制實(shí)現(xiàn)對燃燒過程的電子控制，而且可用于缺火的故障診斷。

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汽油機(jī)燃燒過程電子控制的典型實(shí)例是“實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)矩的最小點(diǎn)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(jìn)行監(jiān)測，并通過調(diào)整點(diǎn)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(diǎn)火提前角。對柴油機(jī)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(jī)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(diǎn)：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(jī)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(xiàn)率難以被區(qū)分。另一種方案是，用于汽油機(jī)的火花塞型和用于柴油機(jī)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(yùn)作都要依靠間接測試密封間隙的運(yùn)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(jī)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(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。在20年的研究工作中，試驗(yàn)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(jìn)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(jī)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(shí)踐的考驗(yàn)。