當前位置: 華文星空 > 汽車

賽車BACKFIRE(回火)瞬間收油的時候 為什麽引擎會燃燒不充分導致回火,請詳細說說當時工作狀態?

2019-06-26汽車

首先確認一下,這是在問「回火」還是指排氣放炮?

「回火」是指反向到進氣道裏燃燒,然後會從進汽側冒火。通常都是由於正時不正確引起的。

如果是指排氣放炮的話,那還確實挺常見的。一般會有幾種情況:

  1. 序列式變速箱升檔時,由ECU的升檔控制策略引起的排氣放炮現象
自然吸氣時代的DTM也會發生排氣放炮的情況

這個不管是自然吸氣賽車還是渦輪增壓的車都有可能會發生(有可能,不是一定)。造成的原因是控制序列式變速箱換擋的方式。

賽車使用的序列式變速箱,其齒輪動力傳遞使用的不是民用變速箱的同步器,而是一個非常古老的設計「狗牙」(Dog ring)。同步器允許比較平順的換擋,但那是對日常行駛的舒適性有貢獻,對賽車環境不利,因為同步器和狗牙相比有兩個重大不足:

  • 同步器接合的速度遠慢於狗牙,會導致比較長時間的動力中斷
  • 同步器操作需要斷開離合器,不允許車手(或車輛電控)在離合器接合的情況下換擋
  • 常見的序列式變速箱,不論是車手手動操作還是采用撥片訊號電控操作,一個升檔的完整過程大約80~90ms就能完成,其中機械部份從上一檔脫離到下一檔接合只有30~50ms,其他時間是用於接合後恢復動力的。並且任何人都可以穩定操作出這個時間。而民用手動變速箱,非常熟練的車手可以做到200ms的換擋時間,還不能保證穩定。

    變速箱說多了,我們現在來看怎麽控制升檔。下圖展示了狗牙環(dog ring)和同步環的對比。在狗牙結構中,齒輪本身帶有幾個方形的狗齒,而對應的狗牙環上也帶有幾個方形的狗齒。狗齒間透過其側面進行動力傳遞。

    狗牙結構的圖片描述

    狗牙結構在齒輪的狗牙和狗牙環的狗牙之間存在旋轉方向的間隙(下圖中畫圈的是咬合狀態,可以看到另一邊存在較大的空隙)。這也是為什麽狗牙結構能實作快速咬合的秘訣——只要兩側存在一個比較小的轉速差,只要用力推就能等到一個空隙把狗牙環硬推進去(事實上,狗牙結構不喜歡兩側完全同步,反而有可能造成dog to dog頂住無法進擋)。順便,這也是為什麽狗牙式變速箱也有個稱呼叫crash gearbox,它們的每次換擋都是極大的沖擊,會產生很多金屬碎屑,變速箱的維護保養需要很勤快。同時,在狗牙相互咬合的時候,如果發動機在進行大扭矩輸出,它們的推力面上會承受很大的力,此時的摩擦力會讓狗牙環無法從齒輪的狗牙上脫開。

    狗牙相互咬合時的狀態

    那從ECU控制的角度來說,不論是車手透過擋桿推拉,或者使用撥片換擋,為了實作最快速的換擋都會做我們叫做「flat shift」,也就是車手不擡油門,也不睬離合,而是透過給ECU訊號後由ECU來控制發動機的響應完成換擋。給ECU的輸入可以是換擋開關訊號(撥片換擋的情況下),也可以是來自應變片測得的手力訊號(車手操作換擋桿時)。

    換擋程式在發動機上執行的都是兩次扭矩反轉。第一次先切斷發動機動力,本質上讓發動機動力側的轉速略低於輸出側,將上一檔的狗牙環可以輕松的從上一檔齒輪的狗牙上脫開(我們叫extract);隨後需要加上動力,讓下一檔的發動機側的轉速略高於輸出側(記得嗎,狗牙不太喜歡同步),隨後下一檔的狗牙環就可以快速咬合下一檔齒輪的狗牙(我們叫engage)。

    而ECU在這個過程中做的事情呢,可以看下面這個時序。在Extract階段會執行一個轉速限制(limiter)+退點火+減噴油的策略,在engage階段會執行一個增加噴油並在目標轉速以上一定轉速進行limiter的策略。不同的車輛廠商和ECU廠商可能會在特定套用上會有一些區別,但是大差不差。事實上,即便是國內那幫入門級的更換序列式變速箱的飛度,它們的ECU也會執行這樣一套策略(只是簡化版可能不一定包含轉速limiter控制)。

    賽車ECU在升檔時的一個典型控制策略

    當然具體的標定就每個套用都不同了,途中顯示是減的地方有可能有時候是加。但是總體上,你可以想象這些地方可能會導致換檔時排氣放炮:

  • 在轉速limiter階段,如果限轉速的策略是只切點火而不切噴油,並且噴油量減少得不夠。確實我自己也會傾向於使用這個策略,因為持續的噴油可以幫助缸頭降溫。但是噴油量要降到很低才不會引發在排氣管內的燃燒(通常要到20%以下)。如果標定得不小心,很容易因此而導致排氣放炮,雖然實際上在賽車上這並不真的有什麽問題。
  • 發動機不處於限速狀態時的點火提前角和噴油補償。如果點火退很多,而engage階段的補償噴油又比較多的話,也會容易造成燃燒持續到排氣歧管裏
  • 由於燃油修正過稀而沒有被點燃,在排氣歧管裏累積後被點燃。這個就和發動機以及排氣歧管的結構有關了
  • 不過總的來說,這個其實挺正常,而且也不會造成什麽損壞。尤其是國內一批改了序列變速箱的入門級賽車,它們的ECU tuner五花八門,如果不仔細的話會非常容易導致放炮的。。。

    2. 針對渦輪增壓發動機的anti-lag(渦輪反遲滯)策略

    也就是很多拉力車迷和頭文字D迷們津津樂道的「偏時點火」或者「misfiring system」。當然現在的賽車策略已經和那個時代有了很大的變化了,我們一般統稱為anti-lag system,縮寫一般是ALS。所以下次在賽車方向盤上如果看到「ALS xxx」的話,不要疑惑,就是對這個系統進行調節的某些功能。

    那在講ALS之前呢,我們得先復習一下渦輪增壓發動機是怎麽工作的:

    渦輪增壓發動機的工作原理

    發動機的排氣(上圖中紅色部份)進入渦輪增壓器的「渦輪」部份,使用排氣能量「吹」渦輪轉動,帶動進氣側壓縮機從空濾那裏「吸」空氣,並在壓縮機裏增壓後送到發動機進氣歧管(上圖中藍色部份的氣流)。

    關鍵就在這裏:渦輪增壓器的能量完全來自排氣能量。需要有排氣的氣流,才能吹動渦輪增壓器工作。

    那就帶來一個問題,當車手松開油門(比如進彎減速時),發動機也停止了扭矩輸出,甚至有時會在減速工況處於完全不點火的狀態(賽車發動機標定常見)。因此排氣的氣流會很少,排氣能量很低,不足以吹動渦輪繼續轉動。渦輪增壓器的轉速會急劇降低。而車手在出彎加速時,渦輪需要首先重新建立起轉速,才能提供車手需要的進氣壓力,也才能有足夠的動力輸出。

    而渦輪增壓器的轉子是有一定轉動慣量的,要讓渦輪轉速快速起來的話需要比較大的排氣能量。而在渦輪建立起比較高的轉速能夠產生足夠大的進氣壓之前,發動機又不會有太大的排氣能量。這也就意味著車手再加速時會明顯感覺到需要等待渦輪重新建立壓力,也就是俗稱的「渦輪遲滯」。如果不想一些方法來處理,車手就會覺得車輛的加速「不跟腳」,也就是無法在油門開度和輸出扭矩間建立起一個可信任的關系。

    而這一點,同排量下需要做出的功率越大,就會導致渦輪增壓器越大,其轉動慣量也就越大,那也就可以預期出彎加速時的渦輪遲滯就越大。

    某大功率發動機在不換渦輪而降功率使用時(正常輸出500馬力,降至350馬力使用)渦輪會有嚴重的遲滯

    上圖不是渦輪遲滯的最好說明,但卻可以明確表達出轉動慣量的影響。該車由於某些原因需要降功率使用,但沒有更換渦輪。其低功率狀態的排氣能量下渦輪轉速上升及其緩慢。車手的感受就是明顯的渦輪遲滯。

    在現在的F1和部份渦輪增壓器帶有電機的車上,解決方法很簡單:直接讓電機把渦輪帶到需要的轉速就行了。

    但是大多數車(賽車)是沒有的,也就意味值工程師們需要找其他方法來實作對抗這個渦輪遲滯。於是ALS系統就出現了。

    至於為什麽大家習慣於叫他「偏時點火」,其實是來自於三菱的WRC拉力時代,還使用拉線節氣門時的稱呼。現在行業內都統稱ALS,一般有兩類執行方式:

    1. 最常見的(也是大多數賽事允許的),是在ALS工作期間加大節氣門開度(對應不同ALS等級會不同),向氣缸內噴射一定燃油(也是對應等級),並做非常晚的點火以確保部份燃燒在排氣器官內進行。燃燒不產生正扭矩,但可以用於維持渦輪的轉速在一定範圍內。
    2. 更有效可以避免產生正扭矩的方式,是透過所謂的"Fresh air"或者"Bypass valve",直接從進汽側節氣門前引新鮮空氣註入排氣歧管。這樣發動機不用開大節氣門,只需要執行多噴油和晚點火。缸內本來就沒有足夠的空氣供燃燒,大部份燃燒會在排氣歧管內進行。
    從進汽側取新鮮空氣註入排氣歧管的ALS方式

    出於成本原因,大部份比賽僅允許第一種形式(比如TCR)。第二種形式在成本接受度比較高的賽事中會使用,比如WRC。它們不是非此即彼的,而是相互配合。

    某ECU內建策略對ALS的執行框圖定義如下(大同小異),包括了兩種形式的控制。

    一個ALS系統執行策略的框圖

    當然,ALS也不是必須的。隨著工程師們對於渦輪和其工作原理的理解,比如在TCR的動力需求上(2.0T發動機輸出約350馬力)已經可以匹配到很少需要ALS甚至不需要的地步。當然在WRC這樣排量更小而功率更大的發動機上,ALS就會變得很有必要了。但是即便如此,工程師們對於ALS的標定也變得更精細了,現在很少會出現以前那種一團大火球了,基本上可以聽到ALS的聲音,能在排氣出口看到一閃而過的火光吧。

    另外,ALS的使用場景也不僅是行駛中。另一個需要ALS參與的是起步控制。這個在場地賽和拉力賽中都很重要,因為車輛在原地不帶負載時建立增壓是一件不透過ALS根本無法實作的事情。而如果設定正確,就會讓車手在起步時發動機已經能夠提供剛好夠輪胎使用的動力。

    某車在賽事中起步發車的數據。可以看到車輛啟動前已經有了2bar的進氣壓

    上圖中可以看到一台車在起步控制狀態下,在車輛有車速前發動機已經有了接近2bar的進氣壓。這在沒有ALS的時代(包括在拉線油門時代)可能是一件無法想象的事情。