發動機爆震傳感器的設計開發及應用

張　楠 肖俊強

（安卡精密機械（天津）股份有限公司，天津 300384）

發動機爆震傳感器的設計開發及應用

張楠 肖俊強

（安卡精密機械（天津）股份有限公司，天津 300384）

本文從理論上概述了發動機爆震現象的產生機理以及所帶來的危害，分析了發動機爆震傳感器的結構、工作原理；進而介紹了一款新設計開發的爆震傳感器。

發動機爆震；爆震傳感器；設計開發

1.發動機爆震

在發動機的實際工作中，有時會發生所謂的非正常燃燒，即火花塞點火后，離火花塞較遠的末端混合氣，在火焰面尚未到達前就已經發生焰前反應而發生自燃，形成新的火焰中心，并產生強烈的壓力脈沖，它以極快的速度向附近的氣體傳播。由于汽油機缸徑較小（一般缸徑小于110mm），所以強烈的壓力波在氣缸頂、氣缸蓋底面等機件之間多次反射，引起這些機件的高頻振動，發出我們所聽到的尖銳的金屬敲擊聲，稱之為爆震。它會使發動機工作粗暴，功率下降，燃油經濟性和振動舒適性變差。

現代發動機利用發動機控制系統（簡稱EMS）對發動機的運行狀態進行調整、控制。控制發動機爆震的發生也是EMS的主要工作之一。EMS根據事先設置的標定數據適度調整發動機的點火正時或加濃混合氣，從而使得發動機在避免爆震的同時取得最佳燃燒效率。

2.EMS系統控制發動機爆震的主要目標

確保臺架所有穩態爆震點都能檢測出，所有工況點都不會被誤檢測，爆震邏輯不會造成功率扭矩損失和排溫超標。

確保整車各種行駛條件，加減速下，沒有客戶不可接受的爆震，確保夏季冬季和高原試驗沒有大量爆震誤檢測和漏檢測。

確保排放循環內沒有誤檢測爆震，爆震控制沒有對車輛加速性能指標造成嚴重影響。

確保在加惡劣油品時能夠將發動機爆震控制在安全范圍內。確保由于發動機廠商安裝和制造誤差等造成的發動機持續爆震控制到安全范圍內。

3.爆震傳感器及其工作原理

爆震傳感器是發動機控制系統（簡稱EMS）優化發動機工作、避免爆震發生的最重要元件之一。利用爆震傳感器，提取發動機爆震信號的特征，可以準確地判斷燃燒過程中是否出現爆震和爆震強度的大小。

爆震傳感器是采用壓電效應原理制成的傳感器。所謂壓電效應是指當壓電陶瓷晶體受到某固定方向上的外力作用時，內部產生電極化并同時在上下兩個端面產生符號相反的電荷的現象。

爆震傳感器安放在發動機機體或氣缸的不同位置，當發動機發生爆震時，在發動機缸體上產生一定量值的沖擊振動，傳感器內部的配重塊2在振動的激勵下由于慣性而產生壓力F，并作用在傳感器的壓電陶瓷1上，使壓電陶瓷發內部發生電荷移動，在其上下端面形成電壓，通過接觸端子輸入到控制單元處理。

目前國際普遍采用平直特性頻率響應式爆震傳感器。爆震越大，壓電陶瓷上產生的沖擊峰值就越大。爆震傳感器通常工作在3kHz～20kHz的頻率范圍。需要注意的是爆震傳感器的自身共振頻率必須大于其工作頻率范圍，且越遠越好。

這種平直特性頻率響應式爆震傳感器輸出信號相對較弱，需要系統采用屏蔽線作為信號引出線，向EMS提供信號輸入。同時需要在EMS系統中設計有濾波電路，以對不同頻率的信號進行處理，濾掉各種背景噪音，檢查除發動機爆震時產生的頻率。

圖1是各個國外供應商爆震傳感器輸出特性的比較，可以看到BOSCH的輸出電壓最低，Delphi和INZI的輸出電壓最高，這和實際經驗符合。

4.傳感器的設計開發

4.1傳感器的結構特征

新開發設計爆震傳感器是壓電式爆震傳感器，借鑒了已有的傳感器設計，在保證良好產品性能的前提下，降低了生產成本，使產品更具有競爭優勢。

爆震傳感器主要有壓電陶瓷、基座、配重塊、導電片、連接端子等，并整體注塑封裝而成。新開發的爆震傳感器有帶線束和不帶線束兩種設計，其線束的長短可根據客戶的具體要求確定，以便滿足客戶不同的安裝要求，如圖2所示。

4.2壓電材料的選擇

某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，其內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。人們把這種機械能轉為電能的現象，稱為“正壓電效應”。所謂壓電材料是指受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。如水晶（α-石英）、人工極化的鐵電體陶瓷、壓電陶瓷（PZT）等。

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。

在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于按外電場方向的排列，使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。當外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性，如圖3所示。

極化處理后陶瓷材料內部仍存在有很強的剩余極化，當陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發生移動，電疇發生偏轉，從而引起剩余極化強度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變為電效應，將機械能轉變為電能的現象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成正比關系：

q=d33F

式中：

d33——壓電陶瓷的壓電系數；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。

4.3傳感器性能對比分析

爆震傳感器是以電壓作為輸出方式，故要求具有較好的線性度和一致性。

通過對BOSCH款典型爆震傳感器進行性能檢測，分析傳感器的響應頻率范圍、靈敏度、線性度等數據，可以得出：

新開發的爆震傳感器在工作要求的響應頻率范圍內均有良好的輸出表現。以每2kHz作為斷點測量傳感器靈敏度，各個斷點值均在合格范圍區間內，且線性度和重復性均能滿足要求。

結論

目前上述產品已經實現批量生產，累計裝車應用超過30萬件，受到客戶的歡迎和好評。生產實踐證明，該產品性能可靠，生產簡便，成本低廉。最重要的是該產品可以完全替代國外公司同類產品。為今后汽車電子產品的研發拓展出一條可能的道路。

［1］劉永長.內燃機原理［M］.武漢：華中理工大學出版社，1992：79-80.

［2］寇國璦，楊生輝，李建文，等.汽車電器與電子控制系統［M］.北京：人民交通出版社，2003：135-136.

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