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赛车BACKFIRE(回火)瞬间收油的时候 为什么引擎会燃烧不充分导致回火,请详细说说当时工作状态?

2019-06-26汽车

首先确认一下,这是在问「回火」还是指排气放炮?

「回火」是指反向到进气道里燃烧,然后会从进汽侧冒火。通常都是由于正时不正确引起的。

如果是指排气放炮的话,那还确实挺常见的。一般会有几种情况:

  1. 序列式变速箱升档时,由ECU的升档控制策略引起的排气放炮现象
自然吸气时代的DTM也会发生排气放炮的情况

这个不管是自然吸气赛车还是涡轮增压的车都有可能会发生(有可能,不是一定)。造成的原因是控制序列式变速箱换挡的方式。

赛车使用的序列式变速箱,其齿轮动力传递使用的不是民用变速箱的同步器,而是一个非常古老的设计「狗牙」(Dog ring)。同步器允许比较平顺的换挡,但那是对日常行驶的舒适性有贡献,对赛车环境不利,因为同步器和狗牙相比有两个重大不足:

  • 同步器接合的速度远慢于狗牙,会导致比较长时间的动力中断
  • 同步器操作需要断开离合器,不允许车手(或车辆电控)在离合器接合的情况下换挡
  • 常见的序列式变速箱,不论是车手手动操作还是采用拨片信号电控操作,一个升档的完整过程大约80~90ms就能完成,其中机械部分从上一档脱离到下一档接合只有30~50ms,其他时间是用于接合后恢复动力的。并且任何人都可以稳定操作出这个时间。而民用手动变速箱,非常熟练的车手可以做到200ms的换挡时间,还不能保证稳定。

    变速箱说多了,我们现在来看怎么控制升档。下图展示了狗牙环(dog ring)和同步环的对比。在狗牙结构中,齿轮本身带有几个方形的狗齿,而对应的狗牙环上也带有几个方形的狗齿。狗齿间通过其侧面进行动力传递。

    狗牙结构的图片描述

    狗牙结构在齿轮的狗牙和狗牙环的狗牙之间存在旋转方向的间隙(下图中画圈的是咬合状态,可以看到另一边存在较大的空隙)。这也是为什么狗牙结构能实现快速咬合的秘诀——只要两侧存在一个比较小的转速差,只要用力推就能等到一个空隙把狗牙环硬推进去(事实上,狗牙结构不喜欢两侧完全同步,反而有可能造成dog to dog顶住无法进挡)。顺便,这也是为什么狗牙式变速箱也有个称呼叫crash gearbox,它们的每次换挡都是极大的冲击,会产生很多金属碎屑,变速箱的维护保养需要很勤快。同时,在狗牙相互咬合的时候,如果发动机在进行大扭矩输出,它们的推力面上会承受很大的力,此时的摩擦力会让狗牙环无法从齿轮的狗牙上脱开。

    狗牙相互咬合时的状态

    那从ECU控制的角度来说,不论是车手通过挡杆推拉,或者使用拨片换挡,为了实现最快速的换挡都会做我们叫做「flat shift」,也就是车手不抬油门,也不睬离合,而是通过给ECU信号后由ECU来控制发动机的响应完成换挡。给ECU的输入可以是换挡开关信号(拨片换挡的情况下),也可以是来自应变片测得的手力信号(车手操作换挡杆时)。

    换挡程序在发动机上执行的都是两次扭矩反转。第一次先切断发动机动力,本质上让发动机动力侧的转速略低于输出侧,将上一档的狗牙环可以轻松的从上一档齿轮的狗牙上脱开(我们叫extract);随后需要加上动力,让下一档的发动机侧的转速略高于输出侧(记得吗,狗牙不太喜欢同步),随后下一档的狗牙环就可以快速咬合下一档齿轮的狗牙(我们叫engage)。

    而ECU在这个过程中做的事情呢,可以看下面这个时序。在Extract阶段会执行一个转速限制(limiter)+退点火+减喷油的策略,在engage阶段会执行一个增加喷油并在目标转速以上一定转速进行limiter的策略。不同的车辆厂商和ECU厂商可能会在特定应用上会有一些区别,但是大差不差。事实上,即便是国内那帮入门级的更换序列式变速箱的飞度,它们的ECU也会执行这样一套策略(只是简化版可能不一定包含转速limiter控制)。

    赛车ECU在升档时的一个典型控制策略

    当然具体的标定就每个应用都不同了,途中显示是减的地方有可能有时候是加。但是总体上,你可以想象这些地方可能会导致换档时排气放炮:

  • 在转速limiter阶段,如果限转速的策略是只切点火而不切喷油,并且喷油量减少得不够。确实我自己也会倾向于使用这个策略,因为持续的喷油可以帮助缸头降温。但是喷油量要降到很低才不会引发在排气管内的燃烧(通常要到20%以下)。如果标定得不小心,很容易因此而导致排气放炮,虽然实际上在赛车上这并不真的有什么问题。
  • 发动机不处于限速状态时的点火提前角和喷油补偿。如果点火退很多,而engage阶段的补偿喷油又比较多的话,也会容易造成燃烧持续到排气歧管里
  • 由于燃油修正过稀而没有被点燃,在排气歧管里累积后被点燃。这个就和发动机以及排气歧管的结构有关了
  • 不过总的来说,这个其实挺正常,而且也不会造成什么损坏。尤其是国内一批改了序列变速箱的入门级赛车,它们的ECU tuner五花八门,如果不仔细的话会非常容易导致放炮的。。。

    2. 针对涡轮增压发动机的anti-lag(涡轮反迟滞)策略

    也就是很多拉力车迷和头文字D迷们津津乐道的「偏时点火」或者「misfiring system」。当然现在的赛车策略已经和那个时代有了很大的变化了,我们一般统称为anti-lag system,缩写一般是ALS。所以下次在赛车方向盘上如果看到「ALS xxx」的话,不要疑惑,就是对这个系统进行调节的某些功能。

    那在讲ALS之前呢,我们得先复习一下涡轮增压发动机是怎么工作的:

    涡轮增压发动机的工作原理

    发动机的排气(上图中红色部分)进入涡轮增压器的「涡轮」部分,使用排气能量「吹」涡轮转动,带动进气侧压缩机从空滤那里「吸」空气,并在压缩机里增压后送到发动机进气歧管(上图中蓝色部分的气流)。

    关键就在这里:涡轮增压器的能量完全来自排气能量。需要有排气的气流,才能吹动涡轮增压器工作。

    那就带来一个问题,当车手松开油门(比如进弯减速时),发动机也停止了扭矩输出,甚至有时会在减速工况处于完全不点火的状态(赛车发动机标定常见)。因此排气的气流会很少,排气能量很低,不足以吹动涡轮继续转动。涡轮增压器的转速会急剧降低。而车手在出弯加速时,涡轮需要首先重新建立起转速,才能提供车手需要的进气压力,也才能有足够的动力输出。

    而涡轮增压器的转子是有一定转动惯量的,要让涡轮转速快速起来的话需要比较大的排气能量。而在涡轮建立起比较高的转速能够产生足够大的进气压之前,发动机又不会有太大的排气能量。这也就意味着车手再加速时会明显感觉到需要等待涡轮重新建立压力,也就是俗称的「涡轮迟滞」。如果不想一些方法来处理,车手就会觉得车辆的加速「不跟脚」,也就是无法在油门开度和输出扭矩间建立起一个可信任的关系。

    而这一点,同排量下需要做出的功率越大,就会导致涡轮增压器越大,其转动惯量也就越大,那也就可以预期出弯加速时的涡轮迟滞就越大。

    某大功率发动机在不换涡轮而降功率使用时(正常输出500马力,降至350马力使用)涡轮会有严重的迟滞

    上图不是涡轮迟滞的最好说明,但却可以明确表达出转动惯量的影响。该车由于某些原因需要降功率使用,但没有更换涡轮。其低功率状态的排气能量下涡轮转速上升及其缓慢。车手的感受就是明显的涡轮迟滞。

    在现在的F1和部分涡轮增压器带有电机的车上,解决方法很简单:直接让电机把涡轮带到需要的转速就行了。

    但是大多数车(赛车)是没有的,也就意味值工程师们需要找其他方法来实现对抗这个涡轮迟滞。于是ALS系统就出现了。

    至于为什么大家习惯于叫他「偏时点火」,其实是来自于三菱的WRC拉力时代,还使用拉线节气门时的称呼。现在行业内都统称ALS,一般有两类执行方式:

    1. 最常见的(也是大多数赛事允许的),是在ALS工作期间加大节气门开度(对应不同ALS等级会不同),向气缸内喷射一定燃油(也是对应等级),并做非常晚的点火以确保部分燃烧在排气器官内进行。燃烧不产生正扭矩,但可以用于维持涡轮的转速在一定范围内。
    2. 更有效可以避免产生正扭矩的方式,是通过所谓的"Fresh air"或者"Bypass valve",直接从进汽侧节气门前引新鲜空气注入排气歧管。这样发动机不用开大节气门,只需要执行多喷油和晚点火。缸内本来就没有足够的空气供燃烧,大部分燃烧会在排气歧管内进行。
    从进汽侧取新鲜空气注入排气歧管的ALS方式

    出于成本原因,大部分比赛仅允许第一种形式(比如TCR)。第二种形式在成本接受度比较高的赛事中会使用,比如WRC。它们不是非此即彼的,而是相互配合。

    某ECU内置策略对ALS的执行框图定义如下(大同小异),包括了两种形式的控制。

    一个ALS系统执行策略的框图

    当然,ALS也不是必须的。随着工程师们对于涡轮和其工作原理的理解,比如在TCR的动力需求上(2.0T发动机输出约350马力)已经可以匹配到很少需要ALS甚至不需要的地步。当然在WRC这样排量更小而功率更大的发动机上,ALS就会变得很有必要了。但是即便如此,工程师们对于ALS的标定也变得更精细了,现在很少会出现以前那种一团大火球了,基本上可以听到ALS的声音,能在排气出口看到一闪而过的火光吧。

    另外,ALS的使用场景也不仅是行驶中。另一个需要ALS参与的是起步控制。这个在场地赛和拉力赛中都很重要,因为车辆在原地不带负载时建立增压是一件不通过ALS根本无法实现的事情。而如果设定正确,就会让车手在起步时发动机已经能够提供刚好够轮胎使用的动力。

    某车在赛事中起步发车的数据。可以看到车辆启动前已经有了2bar的进气压

    上图中可以看到一台车在起步控制状态下,在车辆有车速前发动机已经有了接近2bar的进气压。这在没有ALS的时代(包括在拉线油门时代)可能是一件无法想象的事情。