發(fā)動機爆震與爆震傳感器

張真率，胡曉明，袁 催

（柳州五菱柳機動力有限公司研發(fā)中心，廣西 柳州545005）

爆震是發(fā)動機運行時一種不正常燃燒的現(xiàn)象，它會使發(fā)動機工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟性變差。利用爆震傳感器，提取發(fā)動機爆震信號的特征，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生和爆震強度的大小，進而控制發(fā)動機工作在最佳工況。

1 發(fā)動機爆震

1.1 爆震產(chǎn)生原理及特征

爆震是發(fā)動機運行時一種不正常燃燒的現(xiàn)象。發(fā)動機正常燃燒時，火花塞接到ECU的點火信號后,對可燃混合氣進行點火，火焰從火焰核心（離火花塞近的可燃混合氣）以30～40 m/s的速度，向四周的未燃燒的混合氣區(qū)傳播，使燃燒室內(nèi)混合氣循序燃燒，直至結(jié)束。汽油機發(fā)生爆震時，在汽油機燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^程中，遠離火花塞的未燃混合氣（末端混合氣），被已燃混合氣的膨脹所壓縮，此處的局部溫度由于熱輻射作用而超過燃料的自燃溫度，從而產(chǎn)生自發(fā)反應(yīng)，形成一個或多個火焰核心，這時末端混合氣在正常火焰?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火燃燒。這種自行發(fā)火燃燒會發(fā)出極強的火光，燃燒溫度常在4 000℃以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_200～1 000 m/s以上，比正常燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀邤?shù)倍甚至數(shù)十倍。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”。

輕微的爆震無法被人的感官所察覺，在此我們稱它為‘無感爆震’，因此當(dāng)你能感覺得到引擎爆震所產(chǎn)生的噪音和震動時，這時的爆震情況已經(jīng)嚴(yán)重得超乎你的想象，我們稱它為“有感爆震”。發(fā)生有感爆震時，發(fā)動機有噠噠的金屬敲擊發(fā)動機缸體的聲音，而且發(fā)動機各部件溫度急劇上升，油耗增大，發(fā)動機和車身能感到震動。

1.2 爆震產(chǎn)生的危害

發(fā)動機產(chǎn)生爆震會使發(fā)動機機工作粗爆，功率下降，燃油經(jīng)濟性變差，嚴(yán)重時甚至?xí)p害發(fā)動機相關(guān)零部件。

（1）振動和噪音加大。發(fā)動機敲缸導(dǎo)致振動和噪音加大，特別是振動，會嚴(yán)重影響車輛的運行的平穩(wěn)，怠速的時候發(fā)動機會嚴(yán)重抖動，使得舒適性急劇下降。由于這種非正常被點燃的可燃混合氣會放出超頻的能量，而且在氣缸內(nèi)以高速傳播，這樣就產(chǎn)生了較大的壓力沖擊波，氣缸的體積又很小，這些沖擊波就在氣缸壁面上反復(fù)反射，造成強大的振動并產(chǎn)生高頻噪聲，同時這種振動波的力量，是與活塞運動方向相反的，也就是說此時活塞還未完成壓縮行程，仍在上行的時候，非正常點燃的混合氣產(chǎn)生的沖擊波會與活塞發(fā)生沖突，這樣會導(dǎo)致活塞敲擊缸體，即“敲缸”現(xiàn)象。

（2）功率急劇下降和油耗量迅速上升。爆燃會產(chǎn)生帶有強大能量的壓力波，以很高的頻率對氣缸壁進行反復(fù)沖擊，這就使氣缸壁面的氣膜變薄，發(fā)動機產(chǎn)生的熱量就會很快的通過氣缸壁散發(fā)掉，造成氣缸的傳熱損失增大，從而導(dǎo)致發(fā)動機功率下降，燃料消耗率上升，同時導(dǎo)致汽油機過熱，冷卻水和機油溫度增高。另外，由于此時產(chǎn)生的能量是與活塞運動方向相反的，也就是說此時產(chǎn)生的是“副作用”的能量，這樣的能量不僅不能用來驅(qū)動汽車，相反會阻礙發(fā)動機的運轉(zhuǎn)，因此功率的急劇下降和油耗量的迅速上升就成了必然。

（3）損害汽缸壁及其他零件。如果發(fā)動機持續(xù)產(chǎn)生爆震，不能得以很好的解決的話，還會嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動機。當(dāng)爆震時，會有大量的壓力沖擊波對氣缸壁進行反復(fù)敲擊，如此大能量的沖擊波反復(fù)敲擊，對氣缸壁油膜的破壞是相當(dāng)大的，對氣缸壁的損害也是相當(dāng)大的，如果爆震持續(xù)時間較長，程度較嚴(yán)重時就會損壞發(fā)動機的相關(guān)零部件。

1.3 原因分析

造成爆震最主要有以下幾點原因：

（1）點火角過于提前。點火時間過于提前，是發(fā)動機發(fā)生爆震最主要的原因。為了使活塞在壓縮上止點結(jié)束后，一進入動力沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞達到上止點前提前點火(因為從點火到完全燃燒需要一段時間)。而過于提早的點火，會使得活塞還在壓縮行程時，大部分油氣已經(jīng)燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃，而造成爆震。

（2）發(fā)動機過度積碳。車子用久了以后，發(fā)動機氣缸內(nèi)就可能產(chǎn)生積碳，尤其是常常在堵車嚴(yán)重的城市里行駛的車子，由于汽油不能夠充分燃燒，其中的碳原子和氧分子不能全部轉(zhuǎn)化CO2和CO，而是產(chǎn)生了碳分子粘在氣缸壁上形成了積碳。碳是易燃的物質(zhì)，在氣缸高溫高壓的環(huán)境中，更是容易燃燒，所以積碳對爆震產(chǎn)生了“助燃”的作用，增加了爆震的可能性。當(dāng)發(fā)動機出于壓縮行程的時候，剛剛參與過燃燒的積炭會提前點燃混合氣，從而導(dǎo)致爆震。

（3）發(fā)動機溫度過高。發(fā)動機在太熱的環(huán)境使得進氣溫度過高，或是發(fā)動機冷卻水循環(huán)不良，都會造成發(fā)動機高溫而爆震。

（4）空燃比不正確。過于稀的燃料空氣混合比，會使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高，會造成發(fā)動機溫度提升，當(dāng)然容易爆震。

（5）燃油辛烷值過低。辛烷值是燃油抗爆震的指標(biāo)，辛烷值越高，抗爆震性越強。壓縮比高的發(fā)動機，燃燒室的壓力較高，若是使用抗爆震性低的燃油，則容易發(fā)生爆震。

2 爆震傳感器

2.1 工作原理

為了有效抑制爆震，從用戶因素來說，我們應(yīng)該選用合適的汽油標(biāo)號，定期清除積碳，采用合適的汽油添加劑，避免長時間高檔低速行駛；從發(fā)動機設(shè)計來說，最快速且有效的抑制爆震的方法，就是延后點火提前角，降低燃燒壓力。所以爆震傳感器動作原理是：當(dāng)偵測到發(fā)動機爆震時，則將點火提前角延后到不會爆震的點火時機，待發(fā)動機不爆震時，再慢慢的將點火提前回復(fù)。爆震傳感器是利用加速度傳感器來量測發(fā)動機的加速度變化，也就是震動。在調(diào)校爆震傳感器器時，會把爆震的震動模式寫入ECU中，一旦爆震傳感器偵測出該震動模式，ECU則判定發(fā)動機爆震，隨即延后點火提前角。其簡單的示意圖見圖1。

圖1 爆震傳感器工作示意圖

點火時間過早，是產(chǎn)生爆震的一個主要原因，圖2所示為爆震與點火時刻、發(fā)動機扭矩的關(guān)系。發(fā)動機發(fā)出最大扭矩的點火時刻MBT，是在開始產(chǎn)生爆震點火時刻（爆震極限）的附近。因此，在設(shè)定點火時刻時，需要留有離開爆震界限的余量。無爆震控制時，所留余量應(yīng)大些，這時的點火時刻，比發(fā)出最大扭矩時的點火時刻滯后，所以扭矩有所降低。如果用爆震傳感器能檢測到爆震界限，那么就可以把點火時刻調(diào)到接近爆震極限的位置，就可以更有效地得到發(fā)動機的輸出功率。

圖2 點火時刻、扭矩和爆震的關(guān)系

2.2 結(jié)構(gòu)

常見的爆震傳感器有兩種，一種是磁致伸縮式爆震傳感器，另一種是壓電式爆震傳感器。在實際應(yīng)用中，運用最多的是壓電式爆震傳感器。

（1）磁致伸縮式爆震傳感器。圖3所示為磁致伸縮式爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，該傳感器由殼體永久磁鐵、可被永久磁鐵勵磁的強磁體鐵心、纏繞在鐵心周圍的線圈等構(gòu)成。

圖3 磁致伸縮式爆震傳感器

發(fā)動機爆震時產(chǎn)生的壓力波，其頻率范圍約為1～10 kHz。壓力波傳給氣缸，當(dāng)發(fā)動機缸體振動時，在7 kHz左右將發(fā)生共振，在強磁體鐵心上發(fā)生的壓縮變形，將使其磁通量發(fā)生變化。這樣，永久磁鐵通過鐵心的磁場變化，使鐵心周圍的感應(yīng)電動勢發(fā)生變化。

（2）壓電式爆震傳感器。圖4所壓電式爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，該傳感器由壓電元件、配重塊及導(dǎo)線等構(gòu)成。

圖4 壓電式爆震傳感器

當(dāng)發(fā)動機缸體的振動傳到爆震傳感器殼體時，殼體與配重塊之間產(chǎn)生相對運動，從而使夾在中間的壓電元件所承受的推壓力變化。于是，隨著壓電元件承受推壓作用力而產(chǎn)生電壓。在控制組件上只檢出頻率達到7 kHz左右時爆震所產(chǎn)生的電壓，通過該電壓值的大小可判定爆震強度。

2.3 爆震傳感器檢測

爆震傳感器故障可以通過以下手段進行檢測：

（1）爆震傳感器電阻的檢測。點火開關(guān)置于“OFF”位置，拔開爆震傳感器導(dǎo)線接頭。對于壓電式爆震傳感器，用萬用表檢測爆震傳感器的接線端子與外殼間的電阻，應(yīng)為∞（不導(dǎo)通）；若為0 Ω（導(dǎo)通）則須更換爆震傳感器。對于磁致伸縮式爆震傳感器，可以用萬用表檢測線圈的電阻，其阻值應(yīng)符合其技術(shù)要求的規(guī)定值，否則應(yīng)更換傳感器。

（2）爆震傳感器輸出信號的檢查。拔開爆震傳感器的連接插頭，在發(fā)動機怠速時，用萬用表電壓檔檢查爆震傳感器的接線端子與搭鐵間的電壓，應(yīng)有脈沖電壓輸出。如沒有，應(yīng)更換爆震傳感器。

（3）其他有關(guān)電路的檢測。判斷傳感器出現(xiàn)的故障時，不應(yīng)只考慮傳感器本身，而應(yīng)考慮出現(xiàn)故障的整個電路。因此，在查找故障時，除了檢查傳感器之外，還要檢查線束、插接件以及傳感器與電控單元之間的有關(guān)電路。

3 故障維修實例

筆者在工作中遇到一例由線路問題引起的發(fā)動機爆震傳感器故障。一臺LJ474Q3E2發(fā)動機在試驗室進行性能測試，試驗人員反映：發(fā)動機在高速運行時故障燈點亮，用故障診斷儀檢測為爆震傳感器故障。但更換爆震傳感器和發(fā)動機ECU后，故障仍未排除。在對故障進行驗證后發(fā)現(xiàn)：發(fā)動機轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min時，發(fā)動機故障燈都會點亮，而且使用故障診斷儀可以調(diào)出發(fā)動機電腦中存儲了爆震傳感器的故障碼，故障碼可以清除，但運行發(fā)動機時還會再次出現(xiàn)。檢查中還發(fā)現(xiàn)，無論發(fā)動機故障燈是否點亮，發(fā)動機工作都很正常，加速順暢，當(dāng)發(fā)動機故障燈點亮?xí)r，點火提前角的數(shù)值也正常。

參考電路圖，爆震傳感器的工作電路比較簡單。雖然已經(jīng)更換過發(fā)動機電腦和爆震傳感器，沒有排除故障，但是發(fā)動機電腦的工作條件是否正常還需要確認(rèn)。于是筆者又靜態(tài)檢查了一遍發(fā)動機電腦的供電電源及搭鐵線，均無問題。為了排除由于臺架振動造成發(fā)動機ECU存儲爆震傳感器故障碼的可能性，將爆震傳感器從發(fā)動機缸體上拆下來，仍然連著發(fā)動機線束，但爆震傳感器的故障碼依然存在。考慮到如果發(fā)電機出現(xiàn)脈動電壓，會影響到發(fā)動機ECU的工作，因此又在發(fā)動機工作時動態(tài)檢查了一遍發(fā)動機ECU的供電電源、搭鐵線以及充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，還是沒有發(fā)現(xiàn)問題。后來在此基礎(chǔ)上更換了發(fā)動機控制線束，故障終于排除了。

故障雖然排除，但為了尋找原因，當(dāng)再次檢查故障發(fā)動機控制線束時，筆者注意到爆震傳感器本身線路帶有屏蔽護套，屏蔽網(wǎng)線應(yīng)該與搭鐵線導(dǎo)通。檢測發(fā)現(xiàn)，故障線束中爆震傳感器屏蔽網(wǎng)線與搭鐵線幾乎要斷開了。爆震傳感器屬于一種低電壓傳感器，易受外界電磁波干擾，當(dāng)產(chǎn)生干擾電磁波后報警。后來將線重新接好，并安裝到發(fā)動機上，故障再也沒有重現(xiàn)。

4 結(jié)束語

爆震會使發(fā)動機工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟性變差。利用爆震傳感器提取爆震信號的特征，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生及強度大小，進而控制發(fā)動機工作在最佳工況。在出現(xiàn)爆震傳感器故障時，維修人員除了檢測傳感器本身是否存在故障外，還應(yīng)仔細(xì)檢查出現(xiàn)故障的整個電路。

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