發(fā)動(dòng)機(jī)爆震與爆震傳感器

張真率，胡曉明，袁 催

（柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司研發(fā)中心，廣西 柳州545005）

爆震是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)一種不正常燃燒的現(xiàn)象，它會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。利用爆震傳感器，提取發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號(hào)的特征，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生和爆震強(qiáng)度的大小，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震

1.1 爆震產(chǎn)生原理及特征

爆震是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)一種不正常燃燒的現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒時(shí)，火花塞接到ECU的點(diǎn)火信號(hào)后,對(duì)可燃混合氣進(jìn)行點(diǎn)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(jī)發(fā)生爆震時(shí)，在汽油機(jī)燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，遠(yuǎn)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(guò)燃料的自燃溫度，從而產(chǎn)生自發(fā)反應(yīng)，形成一個(gè)或多個(gè)火焰核心，這時(shí)末端混合氣在正?；鹧?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火燃燒。這種自行發(fā)火燃燒會(huì)發(fā)出極強(qiáng)的火光，燃燒溫度常在4 000℃以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)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(gè)方向相反的燃燒壓力波相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的氣體震動(dòng)，并發(fā)出特有的金屬撞擊聲，所以稱為“爆震”。

輕微的爆震無(wú)法被人的感官所察覺(jué)，在此我們稱它為‘無(wú)感爆震’，因此當(dāng)你能感覺(jué)得到引擎爆震所產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)時(shí)，這時(shí)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有噠噠的金屬敲擊發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的聲音，而且發(fā)動(dòng)機(jī)各部件溫度急劇上升，油耗增大，發(fā)動(dòng)機(jī)和車身能感到震動(dòng)。

1.2 爆震產(chǎn)生的危害

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生爆震會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)工作粗爆，功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p害發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零部件。

（1）振動(dòng)和噪音加大。發(fā)動(dòng)機(jī)敲缸導(dǎo)致振動(dòng)和噪音加大，特別是振動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響車輛的運(yùn)行的平穩(wěn)，怠速的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)嚴(yán)重抖動(dòng)，使得舒適性急劇下降。由于這種非正常被點(diǎn)燃的可燃混合氣會(huì)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(qiáng)大的振動(dòng)并產(chǎn)生高頻噪聲，同時(shí)這種振動(dòng)波的力量，是與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反的，也就是說(shuō)此時(shí)活塞還未完成壓縮行程，仍在上行的時(shí)候，非正常點(diǎn)燃的混合氣產(chǎn)生的沖擊波會(huì)與活塞發(fā)生沖突，這樣會(huì)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(huì)產(chǎn)生帶有強(qiáng)大能量的壓力波，以很高的頻率對(duì)氣缸壁進(jìn)行反復(fù)沖擊，這就使氣缸壁面的氣膜變薄，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量就會(huì)很快的通過(guò)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(dòng)機(jī)功率下降，燃料消耗率上升，同時(shí)導(dǎo)致汽油機(jī)過(guò)熱，冷卻水和機(jī)油溫度增高。另外，由于此時(shí)產(chǎn)生的能量是與活塞運(yùn)動(dòng)方向相反的，也就是說(shuō)此時(shí)產(chǎn)生的是“副作用”的能量，這樣的能量不僅不能用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，相反會(huì)阻礙發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)機(jī)持續(xù)產(chǎn)生爆震，不能得以很好的解決的話，還會(huì)嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)爆震時(shí)，會(huì)有大量的壓力沖擊波對(duì)氣缸壁進(jìn)行反復(fù)敲擊，如此大能量的沖擊波反復(fù)敲擊，對(duì)氣缸壁油膜的破壞是相當(dāng)大的，對(duì)氣缸壁的損害也是相當(dāng)大的，如果爆震持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，程度較嚴(yán)重時(shí)就會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)原因：

（1）點(diǎn)火角過(guò)于提前。點(diǎn)火時(shí)間過(guò)于提前，是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震最主要的原因。為了使活塞在壓縮上止點(diǎn)結(jié)束后，一進(jìn)入動(dòng)力沖程能立即獲得動(dòng)力，通常都會(huì)在活塞達(dá)到上止點(diǎn)前提前點(diǎn)火(因?yàn)閺狞c(diǎn)火到完全燃燒需要一段時(shí)間)。而過(guò)于提早的點(diǎn)火，會(huì)使得活塞還在壓縮行程時(shí)，大部分油氣已經(jīng)燃燒，此時(shí)未燃燒的油氣會(huì)承受極大的壓力自燃，而造成爆震。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)度積碳。車子用久了以后，發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)出于壓縮行程的時(shí)候，剛剛參與過(guò)燃燒的積炭會(huì)提前點(diǎn)燃混合氣，從而導(dǎo)致爆震。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高。發(fā)動(dòng)機(jī)在太熱的環(huán)境使得進(jìn)氣溫度過(guò)高，或是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)不良，都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)高溫而爆震。

（4）空燃比不正確。過(guò)于稀的燃料空氣混合比，會(huì)使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度提升，當(dāng)然容易爆震。

（5）燃油辛烷值過(guò)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(qiáng)。壓縮比高的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(lái)說(shuō)，我們應(yīng)該選用合適的汽油標(biāo)號(hào)，定期清除積碳，采用合適的汽油添加劑，避免長(zhǎng)時(shí)間高檔低速行駛；從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最快速且有效的抑制爆震的方法，就是延后點(diǎn)火提前角，降低燃燒壓力。所以爆震傳感器動(dòng)作原理是：當(dāng)偵測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)爆震時(shí)，則將點(diǎn)火提前角延后到不會(huì)爆震的點(diǎn)火時(shí)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)不爆震時(shí)，再慢慢的將點(diǎn)火提前回復(fù)。爆震傳感器是利用加速度傳感器來(lái)量測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速度變化，也就是震動(dòng)。在調(diào)校爆震傳感器器時(shí)，會(huì)把爆震的震動(dòng)模式寫入ECU中，一旦爆震傳感器偵測(cè)出該震動(dòng)模式，ECU則判定發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，隨即延后點(diǎn)火提前角。其簡(jiǎn)單的示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 爆震傳感器工作示意圖

點(diǎn)火時(shí)間過(guò)早，是產(chǎn)生爆震的一個(gè)主要原因，圖2所示為爆震與點(diǎn)火時(shí)刻、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出最大扭矩的點(diǎn)火時(shí)刻MBT，是在開(kāi)始產(chǎn)生爆震點(diǎn)火時(shí)刻（爆震極限）的附近。因此，在設(shè)定點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)，需要留有離開(kāi)爆震界限的余量。無(wú)爆震控制時(shí)，所留余量應(yīng)大些，這時(shí)的點(diǎn)火時(shí)刻，比發(fā)出最大扭矩時(shí)的點(diǎn)火時(shí)刻滯后，所以扭矩有所降低。如果用爆震傳感器能檢測(cè)到爆震界限，那么就可以把點(diǎn)火時(shí)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(dòng)機(jī)的輸出功率。

圖2 點(diǎn)火時(shí)刻、扭矩和爆震的關(guān)系

2.2 結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)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(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)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(lì)磁的強(qiáng)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(dòng)機(jī)爆震時(shí)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(dòng)機(jī)缸體振動(dòng)時(shí)，在7 kHz左右將發(fā)生共振，在強(qiáng)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(guò)鐵心的磁場(chǎng)變化，使鐵心周圍的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)缸體的振動(dòng)傳到爆震傳感器殼體時(shí)，殼體與配重塊之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dá)到7 kHz左右時(shí)爆震所產(chǎn)生的電壓，通過(guò)該電壓值的大小可判定爆震強(qiáng)度。

2.3 爆震傳感器檢測(cè)

爆震傳感器故障可以通過(guò)以下手段進(jìn)行檢測(cè)：

（1）爆震傳感器電阻的檢測(cè)。點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于“OFF”位置，拔開(kāi)爆震傳感器導(dǎo)線接頭。對(duì)于壓電式爆震傳感器，用萬(wàn)用表檢測(cè)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(duì)于磁致伸縮式爆震傳感器，可以用萬(wàn)用表檢測(cè)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(hào)的檢查。拔開(kāi)爆震傳感器的連接插頭，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，用萬(wàn)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(méi)有，應(yīng)更換爆震傳感器。

（3）其他有關(guān)電路的檢測(cè)。判斷傳感器出現(xiàn)的故障時(shí)，不應(yīng)只考慮傳感器本身，而應(yīng)考慮出現(xiàn)故障的整個(gè)電路。因此，在查找故障時(shí)，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(shí)例

筆者在工作中遇到一例由線路問(wèn)題引起的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器故障。一臺(tái)LJ474Q3E2發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)室進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)人員反映：發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)故障燈點(diǎn)亮，用故障診斷儀檢測(cè)為爆震傳感器故障。但更換爆震傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU后，故障仍未排除。在對(duì)故障進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈都會(huì)點(diǎn)亮，而且使用故障診斷儀可以調(diào)出發(fā)動(dòng)機(jī)電腦中存儲(chǔ)了爆震傳感器的故障碼，故障碼可以清除，但運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)還會(huì)再次出現(xiàn)。檢查中還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈是否點(diǎn)亮，發(fā)動(dòng)機(jī)工作都很正常，加速順暢，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮?xí)r，點(diǎn)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(jiǎn)單。雖然已經(jīng)更換過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦和爆震傳感器，沒(méi)有排除故障，但是發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電腦的供電電源及搭鐵線，均無(wú)問(wèn)題。為了排除由于臺(tái)架振動(dòng)造成發(fā)動(dòng)機(jī)ECU存儲(chǔ)爆震傳感器故障碼的可能性，將爆震傳感器從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上拆下來(lái)，仍然連著發(fā)動(dòng)機(jī)線束，但爆震傳感器的故障碼依然存在?？紤]到如果發(fā)電機(jī)出現(xiàn)脈動(dòng)電壓，會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的工作，因此又在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)動(dòng)態(tài)檢查了一遍發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的供電電源、搭鐵線以及充電系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，還是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。后來(lái)在此基礎(chǔ)上更換了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制線束時(shí)，筆者注意到爆震傳感器本身線路帶有屏蔽護(hù)套，屏蔽網(wǎng)線應(yīng)該與搭鐵線導(dǎo)通。檢測(cè)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(kāi)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(bào)警。后來(lái)將線重新接好，并安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上，故障再也沒(méi)有重現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

爆震會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，功率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差。利用爆震傳感器提取爆震信號(hào)的特征，可以準(zhǔn)確地判斷爆震是否發(fā)生及強(qiáng)度大小，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最佳工況。在出現(xiàn)爆震傳感器故障時(shí)，維修人員除了檢測(cè)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(gè)電路。

[1]楊洪慶.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2009.

[2]嚴(yán)傳俊.脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)原理及關(guān)鍵技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3]李東江，張大成.汽車電控系統(tǒng)的萬(wàn)用表檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.