发动机燃烧过程监测和气缸盖垫压力传感器 2011-06-03 22:47:32来源:互联网
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。

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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。