胡文娟

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。汽車發(fā)動機爆震傳感器由能感知機械壓力或振動的特殊材料構(gòu)成，在做實車試驗和單體試驗時，很難將爆震傳感器的波形準(zhǔn)確描述出來，且傳統(tǒng)的單體檢測方法很容易損壞爆震傳感器，不小心也會使操作者受傷，因此，簡單有效的爆震傳感器試驗臺架的產(chǎn)生就顯得格外重要。

1 設(shè)計背景

1.1 爆震

爆震，俗稱敲缸、叫桿。爆震 （或敲缸）是一種不理想的燃燒方式，它是自發(fā)地和隨機地產(chǎn)生的，是由于氣缸壓力和溫度異常升高，造成部分混合氣不等火焰?zhèn)鞑ゾ妥孕兄鹑紵默F(xiàn)象。

發(fā)動機缸內(nèi)混合氣正常燃燒時，火焰從離火花塞近的可燃混合氣以30～40 m／s的速度，向四周未燃燒的混合氣區(qū)傳播，使混合氣循序燃燒，直到結(jié)束。在發(fā)生爆震的情況下，點火后剛開始燃燒波的傳播是正常的，在火焰?zhèn)鞑ミ^程中，遠(yuǎn)離火花塞的未燃混合氣 （尾氣，End Gas），因為受了燃燒后氣體膨脹所造成的壓縮作用，使其體積縮小、溫度和壓力升高，超過燃料的自燃溫度，在正?；鹧?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火燃燒?；鹧嬉?00～1000m／s的速度迅速向外傳播，當(dāng)正常燃燒和爆震兩個方向相反的燃燒壓力波相遇時，會產(chǎn)生劇烈的氣體震動，并發(fā)出特有的金屬撞擊聲，所以稱為 “爆震”。

爆震是汽油機運行中最有害的一種故障現(xiàn)象。發(fā)動機工作如果持續(xù)產(chǎn)生爆震，火花塞電極或活塞就可能產(chǎn)生過熱、熔損等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重故障，因此必須防止爆震的產(chǎn)生。

1.2 爆震傳感器

點火時間過早是產(chǎn)生爆震的主要原因。為了使發(fā)動機以最大功率運行，最好能把點火時間提前到發(fā)動機剛好不至于發(fā)生爆震的極限范圍，所以必須在點火系統(tǒng)中增設(shè)爆震傳感器。

爆震傳感器是發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中必不可少的重要部件，大多安裝在氣缸體上。爆震傳感器的功用是把爆震時傳到缸體上的機械振動轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入ECU作為爆震控制信號。

爆震傳感器分為共振型、非共振型和火花塞座金屬墊型3種。共振型爆震傳感器是由與爆震幾乎具有相同共振頻率的振子和能夠檢測振子振動壓力并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號的壓電元件構(gòu)成。非共振型爆震傳感器是用壓電元件直接檢測爆震信息，并將振動壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出?；鸹ㄈ饘賶|型爆震傳感器是在火花塞的墊圈部位裝上壓電元件，根據(jù)燃燒壓力直接檢測爆震信息，并將振動壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，一般每缸火花塞都安裝一個。

早期的爆震傳感器是磁致伸縮式，現(xiàn)在多采用壓電式。主要由壓電元件、殼體、電器連接裝置、平衡塊或震蕩片組成，如圖1所示。其工作原理是：當(dāng)發(fā)動機的氣缸體出現(xiàn)振動且振動傳遞到傳感器外殼上時，外殼與平衡塊之間產(chǎn)生相對運動，夾在這兩者之間的壓電元件所受的壓力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓。ECU檢測出該電壓，并根據(jù)其值的大小判斷爆震強度。

1.3 傳統(tǒng)爆震傳感器的檢測

1.3.1 實車檢測

1）電阻檢測 斷開點火開關(guān)，拔開爆震傳感器導(dǎo)線接頭，用萬用表的電阻檔檢測爆震傳感器的接線端子與外殼間的電阻，正常應(yīng)為無窮大，否則更換爆震傳感器。

2）輸出信號檢測 拔開爆震傳感器的導(dǎo)線插頭，在發(fā)動機怠速時用萬用表的電壓檔檢查爆震傳感器的接線端子與搭鐵間的電壓，正常應(yīng)有脈沖信號輸出。

1.3.2 單體檢測

取爆震傳感器備用件，用木棰敲擊殼體，用萬用表電壓檔檢測信號，應(yīng)有信號輸出。

1.4 傳統(tǒng)檢測方法的缺點

1）難觸及 在實車上，因為爆震傳感器一般安裝在缸體上，例如在進(jìn)氣歧管的下方等位置，一般很難觸及，所以給檢測帶來不便。

2）易傷手 單體檢測時，由于爆震傳感器個體比較小，難以固定，用木錘敲擊時，很容易砸到操作者的手，且檢測效果不明顯。

3）干擾多 因為爆震傳感器很容易受到其他信號的影響，無論是在實車上檢測還是單體檢測，爆震傳感器的輸出波形都不夠清晰完整。

2 爆震傳感器試驗臺架設(shè)計方案

2.1 設(shè)計目標(biāo)

本設(shè)計目標(biāo)為：能讓學(xué)生很直觀地認(rèn)識爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，理解其工作原理，并且方便學(xué)生對其進(jìn)行檢測，而且能在此臺架上用示波器將爆震傳感器的波形清晰完整地顯現(xiàn)出來。

2.2 設(shè)計組成

本設(shè)計主要由兩部分構(gòu)成：控制電路設(shè)計和執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計。

2.2.1 控制電路設(shè)計

整個控制電路主要由變壓器、二極管、LED燈、7805穩(wěn)壓管、微型喇叭等組成。

為了使用方便，免去使用蓄電池需要經(jīng)常充電及搬運的麻煩，將該臺架的控制電路設(shè)計成了能直接使用220 V交流電的取電方式。利用充電器里的變壓器將220 V的交流電降壓，通過惠斯登電橋整流，電容濾波后，經(jīng)過7805穩(wěn)壓管輸出5 V的穩(wěn)定電壓。在這段電路上并聯(lián)了一個綠色的發(fā)光二極管，當(dāng)電路接通，發(fā)光二極管就會亮，提醒使用者“通電中”。如圖2所示。

爆震傳感器試驗臺架的電機控制電路，由電源、開關(guān)、LED燈、電阻、可調(diào)電阻、直流電機組成，其中電源的正極串接開關(guān)后分別接LED燈的陽極和可調(diào)電阻的一端，LED燈的陰極串接電阻后與電源的負(fù)極分別接地，可調(diào)電阻的另一端串接直流電機后接地。如圖3所示。

當(dāng)開關(guān)閉合時，LED燈亮，直流電機以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。當(dāng)調(diào)整可調(diào)電阻的電阻，則改變直流電機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變了偏心輪的轉(zhuǎn)速，爆震傳感器產(chǎn)生的信號的頻率及強度都發(fā)生改變。

爆震傳感器的兩個輸出端分別接微型喇叭和LED燈的兩端，如圖4所示。當(dāng)爆震傳感器接收到振動信號時，微型喇叭發(fā)聲，LED燈閃亮。

2.2.2 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

爆震傳感器試驗臺架的執(zhí)行機構(gòu)由鐵錘、鉸鏈支架1和2、回位彈簧、偏心輪、爆震傳感器、微型喇叭、LED燈組成。其中，鐵錘的末端設(shè)置于鉸鏈支架1上，鐵錘的頭部與爆震傳感器相對設(shè)置，偏心輪設(shè)置于鉸鏈支架2上，偏心輪由直流電機驅(qū)動，回位彈簧設(shè)置于鐵錘和地面之間。如圖4所示。

偏心輪由直流電機驅(qū)動，當(dāng)偏心輪以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，會使鐵錘以一定的頻率錘擊爆震傳感器，爆震傳感器就會以一定的頻率輸出信號電壓，驅(qū)動微型喇叭發(fā)聲及LED燈閃亮。當(dāng)偏心輪的轉(zhuǎn)速加快，鐵錘錘擊的頻率及強度都會加大，則微型喇叭發(fā)聲及LED燈閃亮的頻率及強度都會變大，這就反映爆震強度變大。

3 試驗臺架爆震傳感器的檢測

為了方便測量爆震傳感器，該設(shè)計將爆震傳感器的信號輸出端和殼體分別用導(dǎo)線引出。

3.1 電阻檢測

不接電源，找到爆震傳感器信號輸出端的導(dǎo)線接頭，殼體和鋁板搭鐵，用萬用表電阻檔檢測爆震傳感器的接線端子與外殼間的電阻，應(yīng)為無窮大，否則更換。

3.2 輸出信號檢測

斷開電源，轉(zhuǎn)動偏心輪時，用萬用表電壓檔檢測爆震傳感器的接線端子與搭鐵間的電壓，應(yīng)有脈沖信號輸出。

3.3 輸出波形分析

連接示波器，接通臺架的電源，接通開關(guān)，當(dāng)鐵錘敲擊爆震傳感器時，示波器會顯示如圖5所示的波形。爆震傳感器在工作時，波形的峰值電壓（峰高度或振幅）和頻率 （振荷的次數(shù)）將隨發(fā)動機的負(fù)載和每分鐘轉(zhuǎn)速而增加，如果發(fā)動機因點火過早、燃燒溫度不正常、排氣再循環(huán)不正常流動等引起爆燃或敲擊聲，其幅度和頻率也增加。試驗時，當(dāng)偏心輪的轉(zhuǎn)速加快，鐵錘錘擊的頻率及強度都會加大，輸出波形的幅度越大。

4 結(jié)論

將以上設(shè)計布置在一塊2mm厚的鋁板上，用玻璃膠固定安裝，如圖6所示，試驗臺架部件清單見表1。實踐證明，該設(shè)計可以實現(xiàn)從教學(xué)演示和教學(xué)課堂試驗的角度出發(fā)，讓學(xué)生很直觀地認(rèn)識爆震傳感器，理解其工作原理，并且方便學(xué)生對其進(jìn)行檢測的功能。

表1 教學(xué)用發(fā)動機爆震傳感器試驗臺架部件清單

［1］龔文資，胡文娟.汽車發(fā)動機爆震傳感器實驗臺架及電機控制電路［P］.中國專利：CN102235934A，2011-11-09.

［2］梁書山.發(fā)動機爆震的原因分析［J］.中小企業(yè)管理與科技 （上旬刊），2010 （9）：296.

［3］劉陽.發(fā)動機爆震的分析及解決方法［J］.汽車維修，2010（8）： 15-16.

［4］張德惠.發(fā)動機光纖爆震傳感器的結(jié)構(gòu)分析［J］.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2010（3）：283-285.

［5］張宏超，謝輝，陳韜，等.爆震傳感器信號與HCCI發(fā)動機燃燒參數(shù)的相關(guān)性［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2009（12）：1123-1128.