發動機燃燒過程監測和氣缸蓋墊壓力傳感器

本文介紹發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。

發動機燃燒過程電子控制及其意義

為了優化調節噴油參數和點火參數，發動機管理系統需要采集準確的燃燒過程數據。這涉及發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測，只是通過對轉矩、爆震等的監測，間接地監測燃燒過程。不過，有實驗證明，通過合適的傳感器技術，發動機電子控制將可被優化，即使在成批生產的汽車中也能做得到。

近年對直接監測燃燒過程參數的傳感器的研究，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、光學火焰傳感器。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、氣缸壓力峰值及其出現時的曲軸位置、平均有效壓力變動率及出現氣缸壓力峰值時的曲軸位置的變動率、指示功率、放熱率、分缸監測到的爆震、分缸監測到的缺火等。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“實現最佳轉矩的最小點火提前角”（MBT=Minimum spark timing for the Best Torque）控制。對應于氣缸壓力峰值的曲軸位置，可利用這一控制進行監測，并通過調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具有更高的優先權。爆震控制和MBT控制相結合，確定了最佳點火提前角。對柴油機燃燒過程的監測也有相近的效果。

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測氣缸壓力。關鍵是，該傳感器的構造適合于一般發動機而不必改動氣缸蓋，還有，該傳感器的構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變片以監測氣缸壓力，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勢，因其能夠直接測試缸內壓力。

為了消除發動機結構的影響，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）儀器公司正在開發一種帶有集成于其中的缸內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。在20年的研究工作中，試驗了新的晶體化合物，開發了新的晶體培育過程，現在已經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定性；沒有雙晶形成，這就是說，各個晶體區域在高溫下受到機械載荷時不發生極性的改變；在工業生產規模下晶體的培育過程具有可重現性；已經在高等級的壓電傳感器中制成樣件并且經受了實踐的考驗。

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。現代化的發動機結構由于采用了多氣門技術和復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動機的結構中鉆出專門為傳感器設置的孔。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量水平的壓力信號
- 實現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的使用壽命都大過或等同發動機使用壽命。

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

結語和展望

試驗結果表明：這種帶有壓力傳感器的密封墊能夠實現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動機電子控制系統加以補償。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測：發動機磨損或者噴油裝置、排氣再循環或者增壓壓力閉環控制的故障將可以立即根據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。即使其應用最初限于試驗臺上的運行，卻已經顯露出用于成批生產發動機的可能性。將來用于成批生產發動機的先決條件是，進行廣泛的、長時間的系統試驗，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。為了實現將來的高科技發動機，還必須對開發潛力進行進一步的研究，如：

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