发动机燃烧过程监测和气缸盖垫压力传感器

一线天

本文介绍发动机燃烧过程电子控制及其意义、气缸盖垫压力传感器的原理以及集成于气缸盖垫的压力传感器。
　　发动机燃烧过程电子控制及其意义
　　为了优化调节喷油参数和点火参数，发动机管理系统需要采集准确的燃烧过程数据。这涉及发动机燃烧过程的多个电子控制项目，诸如燃油定量、点火定时、喷油定时、EGR、增压压力、汽油机稀薄燃烧、分缸断油和掺烧甲醇电子控制等。这些项目很少使用传感器来直接监测，只是通过对转矩、爆震等的监测，间接地监测燃烧过程。不过，有实验证明，通过合适的传感器技术，发动机电子控制将可被优化，即使在成批生产的汽车中也能做得到。

　　近年对直接监测燃烧过程参数的传感器的研究，主要集中在以下几种传感器：火焰前锋传感器、离子间隙传感器、气缸压力传感器、光学火焰传感器。其中，气缸压力传感器提供的信息最有意义和丰富，这些信息包括：压缩压力、燃烧起点、气缸压力峰值及其出现时的曲轴位置、平均有效压力变动率及出现气缸压力峰值时的曲轴位置的变动率、指示功率、放热率、分缸监测到的爆震、分缸监测到的缺火等。气缸压力信号不仅可用于通过燃油定量、点火定时、喷油定时、EGR、增压压力、汽油机稀薄燃烧、分缸断油和掺烧甲醇等电子控制实现对燃烧过程的电子控制，而且可用于缺火的故障诊断。
　　汽油机燃烧过程电子控制的典型实例是“实现最佳转矩的最小点火提前角”（MBT=Minimum spark timing for the Best Torque）控制。对应于气缸压力峰值的曲轴位置，可利用这一控制进行监测，并通过调整点火提前角令峰值保持在确定的曲轴位置。值得注意的是，爆震控制比MBT具有更高的优先权。爆震控制和MBT控制相结合，确定了最佳点火提前角。对柴油机燃烧过程的监测也有相近的效果。

　　气缸盖垫压力传感器的原理
　　有多种方案和多种传感器可用来监测气缸压力。关键是，该传感器的构造适合于一般发动机而不必改动气缸盖，还有，该传感器的构造和灵敏度特性曲线具备以下特点：接近燃烧室壁的温度；火花塞的紧固力矩；即使在周围充满机油和燃烧气体的情况下也具有良好的耐久性。早年曾有人尝试在缸盖螺栓上贴应变片以监测气缸压力，但这有失于各缸压力对传感器信号的贡献率难以被区分。另一种方案是，用于汽油机的火花塞型和用于柴油机的炽热塞型气缸压力传感器，目前，这种传感器的基本构造已差不多完成，其中采用了压电元件作为传感元件；但是，这种气缸压力传感器的运作都要依靠间接测试密封间隙的运动。相比之下，集成于气缸盖垫的压力传感器则有较大的优势，因其能够直接测试缸内压力。
　　为了消除发动机结构的影响，埃尔灵.克林额公司、德廷根/埃姆斯（Dettingen/Erms）公司和瑞士温特图尔（Winterthur）的奇士乐（Kistler）仪器公司正在开发一种带有集成于其中的缸内压力传感器的气缸盖垫。这种带压力传感器的气缸盖垫对压电传感器本身提出了很高的要求，特别是，要将传感器做得非常小，同时还要保证尽可能高的信号增益和对横向影响的不敏感性，这是一项极大的挑战。在20年的研究工作中，试验了新的晶体化合物，开发了新的晶体培育过程，现在已经有一个晶体家族可供使用。这些晶体起名“压电之星”，从1998年开始在奇士乐公司进行培育，并且加工成为传感元件。
　　这些压电之星晶体的性能为：高的压电灵敏度（比石英高五倍）；诸如灵敏度、线性度和无滞后性等重要性能对温度和时间的高度稳定性；没有双晶形成，这就是说，各个晶体区域在高温下受到机械载荷时不发生极性的改变；在工业生产规模下晶体的培育过程具有可重现性；已经在高等级的压电传感器中制成样件并且经受了实践的考验。
　　压电式压力传感器在火花塞和炽热塞中进行试验，已经成功地制成了第一个直径为3mm的缩微型试验元件的样品，这个样品能够直接用螺纹拧入密封间隙之中，见图2和图3。其中工作条件最为恶劣的零件是传感器膜片，特殊的安装条件可抵受很高的机械负荷和热负荷，因而传感器膜片除了决定测试精度以外，通常还决定了传感器的使用寿命。

　　压力传感器集成于气缸盖垫
　　从原理上说，信号质量主要受到传感器位置的影响。在燃烧室上布置一个密封得好的传感器，对燃烧压力最为有利。现代化的发动机结构由于采用了多气门技术和复杂昂贵的气缸盖通道，所以几乎没有空间可以安装传感器。金属层迭式气缸盖密封垫作为靠近燃烧室设置的功能性元件而成为压力传感器的替代性的安装地点，以这种方式能够避免在发动机的结构中钻出专门为传感器设置的孔。将压力传感器集成于气缸盖垫的目的是：
　　- 获得能够满足示功图要求的质量水平的压力信号
　　- 实现尽可能小的安装厚度，也就是说，没有传感元件
　　- 形成对横向影响尽可能低的敏感性，也就是说，传感器对于密封垫的热耦合和机械耦合尽可能地低
　　- 造成对维护的友好性，也就是说，不必拆卸气缸盖就能够装入和拆下传感器
　　- 使得所有的零部件以及整个系统的使用寿命都大过或等同发动机使用寿命。
　　由于受传感器结构尺寸限制（直径3.6mm，包括传感器壳体在内），只能要求提高安装厚度。为了使发动机的压缩比保持不变，将发动机气缸体的高度减去了一点，其大小相当于和成批生产所用的气缸盖垫的厚度差。
　　结语和展望
　　试验结果表明：这种带有压力传感器的密封垫能够实现对燃烧方法更加准确的控制――这主要用于共轨喷油或者泵喷嘴喷油的柴油机。喷油单元的零部件必定有加工公差，由此引起的各个气缸的全负荷喷油量的偏差能够通过发动机电子控制系统加以补偿。全负荷峰值压力离开机械负荷极限的“安全距离”可以明显地缩小。利用压力曲线可以对燃烧过程进行分缸监测：发动机磨损或者喷油装置、排气再循环或者增压压力闭环控制的故障将可以立即根据非典型的峰值压力而得到识别。
　　这种概念基本上适合于通过气缸盖垫采集气缸压力。即使其应用最初限于试验台上的运行，却已经显露出用于成批生产发动机的可能性。将来用于成批生产发动机的先决条件是，进行广泛的、长时间的系统试验，并且进一步减小安装厚度，例如通过将密封功能和壳体功能组合在一起，以及减少横向力的影响。为了实现将来的高科技发动机，还必须对开发潜力进行进一步的研究，如：
　　- 将该系统用于改善各缸压力的均衡分布
　　- 改进车载故障诊断OBD
　　- 该系统用于精确地根据排放要求对燃烧过程进行优化的潜力。

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