教學用發動機爆震傳感器試驗臺架的設計

胡文娟

（無錫商業職業技術學院汽車技術學院，江蘇 無錫 214153）

汽車傳感器作為汽車電子控制系統的關鍵部件，在汽車上得到了廣泛的應用。汽車發動機爆震傳感器由能感知機械壓力或振動的特殊材料構成，在做實車試驗和單體試驗時，很難將爆震傳感器的波形準確描述出來，且傳統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生就顯得格外重要。

1 設計背景

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，它是自發地和隨機地產生的，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傳播就自行著火燃燒的現象。

發動機缸內混合氣正常燃燒時，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傳播，使混合氣循序燃燒，直到結束。在發生爆震的情況下，點火后剛開始燃燒波的傳播是正常的，在火焰傳播過程中，遠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，在正常火焰傳播到以前先行發火燃燒。火焰以300～1000m／s的速度迅速向外傳播，當正常燃燒和爆震兩個方向相反的燃燒壓力波相遇時，會產生劇烈的氣體震動，并發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象。發動機工作如果持續產生爆震，火花塞電極或活塞就可能產生過熱、熔損等現象，造成嚴重故障，因此必須防止爆震的產生。

1.2 爆震傳感器

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

爆震傳感器是發動機電子控制系統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換成電壓信號的壓電元件構成。非共振型爆震傳感器是用壓電元件直接檢測爆震信息，并將振動壓力轉換成電壓信號輸出。火花塞座金屬墊型爆震傳感器是在火花塞的墊圈部位裝上壓電元件，根據燃燒壓力直接檢測爆震信息，并將振動壓力轉換成電壓信號輸出，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：當發動機的氣缸體出現振動且振動傳遞到傳感器外殼上時，外殼與平衡塊之間產生相對運動，夾在這兩者之間的壓電元件所受的壓力發生變化，從而產生電壓。ECU檢測出該電壓，并根據其值的大小判斷爆震強度。

1.3 傳統爆震傳感器的檢測

1.3.1 實車檢測

1）電阻檢測 斷開點火開關，拔開爆震傳感器導線接頭，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線插頭，在發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，應有信號輸出。

1.4 傳統檢測方法的缺點

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計方案

2.1 設計目標

本設計目標為：能讓學生很直觀地認識爆震傳感器的結構，理解其工作原理，并且方便學生對其進行檢測，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出來。

2.2 設計組成

本設計主要由兩部分構成：控制電路設計和執行機構設計。

2.2.1 控制電路設計

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

為了使用方便，免去使用蓄電池需要經常充電及搬運的麻煩，將該臺架的控制電路設計成了能直接使用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，經過7805穩壓管輸出5 V的穩定電壓。在這段電路上并聯了一個綠色的發光二極管，當電路接通，發光二極管就會亮，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、LED燈、電阻、可調電阻、直流電機組成，其中電源的正極串接開關后分別接LED燈的陽極和可調電阻的一端，LED燈的陰極串接電阻后與電源的負極分別接地，可調電阻的另一端串接直流電機后接地。如圖3所示。

當開關閉合時，LED燈亮，直流電機以一定的轉速轉動。當調整可調電阻的電阻，則改變直流電機的轉速，進而改變了偏心輪的轉速，爆震傳感器產生的信號的頻率及強度都發生改變。

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。當爆震傳感器接收到振動信號時，微型喇叭發聲，LED燈閃亮。

2.2.2 執行機構設計

爆震傳感器試驗臺架的執行機構由鐵錘、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，鐵錘的末端設置于鉸鏈支架1上，鐵錘的頭部與爆震傳感器相對設置，偏心輪設置于鉸鏈支架2上，偏心輪由直流電機驅動，回位彈簧設置于鐵錘和地面之間。如圖4所示。

偏心輪由直流電機驅動，當偏心輪以一定的轉速轉動時，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，驅動微型喇叭發聲及LED燈閃亮。當偏心輪的轉速加快，鐵錘錘擊的頻率及強度都會加大，則微型喇叭發聲及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，該設計將爆震傳感器的信號輸出端和殼體分別用導線引出。

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，應為無窮大，否則更換。

3.2 輸出信號檢測

斷開電源，轉動偏心輪時，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，當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）將隨發動機的負載和每分鐘轉速而增加，如果發動機因點火過早、燃燒溫度不正常、排氣再循環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，當偏心輪的轉速加快，鐵錘錘擊的頻率及強度都會加大，輸出波形的幅度越大。

4 結論

將以上設計布置在一塊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，該設計可以實現從教學演示和教學課堂試驗的角度出發，讓學生很直觀地認識爆震傳感器，理解其工作原理，并且方便學生對其進行檢測的功能。

表1 教學用發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.

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［4］張德惠.發動機光纖爆震傳感器的結構分析［J］.內蒙古民族大學學報 （自然科學版），2010（3）：283-285.

［5］張宏超，謝輝，陳韜，等.爆震傳感器信號與HCCI發動機燃燒參數的相關性［J］.天津大學學報，2009（12）：1123-1128.