發(fā)動機爆震傳感器的設計開發(fā)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(fā)動機爆震傳感器的設計開發(fā)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(fā)動機爆震現(xiàn)象的產(chǎn)生機理以及所帶來的危害，分析了發(fā)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(fā)的爆震傳感器。

發(fā)動機爆震；爆震傳感器；設計開發(fā)

1.發(fā)動機爆震

在發(fā)動機的實際工作中，有時會發(fā)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(jīng)發(fā)生焰前反應而發(fā)生自燃，形成新的火焰中心，并產(chǎn)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(fā)出我們所聽到的尖銳的金屬敲擊聲，稱之為爆震。它會使發(fā)動機工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟性和振動舒適性變差。

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

2.EMS系統(tǒng)控制發(fā)動機爆震的主要目標

確保臺架所有穩(wěn)態(tài)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(huán)內(nèi)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(fā)動機爆震控制在安全范圍內(nèi)。確保由于發(fā)動機廠商安裝和制造誤差等造成的發(fā)動機持續(xù)爆震控制到安全范圍內(nèi)。

3.爆震傳感器及其工作原理

爆震傳感器是發(fā)動機控制系統(tǒng)（簡稱EMS）優(yōu)化發(fā)動機工作、避免爆震發(fā)生的最重要元件之一。利用爆震傳感器，提取發(fā)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(xiàn)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(nèi)部產(chǎn)生電極化并同時在上下兩個端面產(chǎn)生符號相反的電荷的現(xiàn)象。

爆震傳感器安放在發(fā)動機機體或氣缸的不同位置，當發(fā)動機發(fā)生爆震時，在發(fā)動機缸體上產(chǎn)生一定量值的沖擊振動，傳感器內(nèi)部的配重塊2在振動的激勵下由于慣性而產(chǎn)生壓力F，并作用在傳感器的壓電陶瓷1上，使壓電陶瓷發(fā)內(nèi)部發(fā)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)動機爆震時產(chǎn)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(jīng)驗符合。

4.傳感器的設計開發(fā)

4.1傳感器的結構特征

新開發(fā)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(chǎn)品性能的前提下，降低了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品更具有競爭優(yōu)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(fā)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(jù)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(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)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(tài)，這種現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)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(nèi)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(fā)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(nèi)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(fā)生移動，電疇發(fā)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(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機械效應轉變?yōu)殡娦瑢C械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)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(shù)；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，可以得出：

新開發(fā)的爆震傳感器在工作要求的響應頻率范圍內(nèi)均有良好的輸出表現(xiàn)。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(qū)間內(nèi)，且線性度和重復性均能滿足要求。

結論

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

［1］劉永長.內(nèi)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(tǒng)［M］.北京：人民交通出版社，2003：135-136.

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