教學(xué)用發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

胡文娟

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

汽車(chē)傳感器作為汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器由能感知機(jī)械壓力或振動(dòng)的特殊材料構(gòu)成，在做實(shí)車(chē)試驗(yàn)和單體試驗(yàn)時(shí)，很難將爆震傳感器的波形準(zhǔn)確描述出來(lái)，且傳統(tǒng)的單體檢測(cè)方法很容易損壞爆震傳感器，不小心也會(huì)使操作者受傷，因此，簡(jiǎn)單有效的爆震傳感器試驗(yàn)臺(tái)架的產(chǎn)生就顯得格外重要。

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 爆震

爆震，俗稱(chēng)敲缸、叫桿。爆震 （或敲缸）是一種不理想的燃燒方式，它是自發(fā)地和隨機(jī)地產(chǎn)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?zhèn)鞑ゾ妥孕兄鹑紵默F(xiàn)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣正常燃燒時(shí)，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(qū)傳播，使混合氣循序燃燒，直到結(jié)束。在發(fā)生爆震的情況下，點(diǎn)火后剛開(kāi)始燃燒波的傳播是正常的，在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，遠(yuǎn)離火花塞的未燃混合氣 （尾氣，End Gas），因?yàn)槭芰巳紵髿怏w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(guò)燃料的自燃溫度，在正?；鹧?zhèn)鞑サ揭郧跋刃邪l(fā)火燃燒?；鹧嬉?00～1000m／s的速度迅速向外傳播，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(chēng)為 “爆震”。

爆震是汽油機(jī)運(yùn)行中最有害的一種故障現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)工作如果持續(xù)產(chǎn)生爆震，火花塞電極或活塞就可能產(chǎn)生過(guò)熱、熔損等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重故障，因此必須防止爆震的產(chǎn)生。

1.2 爆震傳感器

點(diǎn)火時(shí)間過(guò)早是產(chǎn)生爆震的主要原因。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)以最大功率運(yùn)行，最好能把點(diǎn)火時(shí)間提前到發(fā)動(dòng)機(jī)剛好不至于發(fā)生爆震的極限范圍，所以必須在點(diǎn)火系統(tǒng)中增設(shè)爆震傳感器。

爆震傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)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(shí)傳到缸體上的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入ECU作為爆震控制信號(hào)。

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(cè)振子振動(dòng)壓力并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的壓電元件構(gòu)成。非共振型爆震傳感器是用壓電元件直接檢測(cè)爆震信息，并將振動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出?；鸹ㄈ饘賶|型爆震傳感器是在火花塞的墊圈部位裝上壓電元件，根據(jù)燃燒壓力直接檢測(cè)爆震信息，并將振動(dòng)壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，一般每缸火花塞都安裝一個(gè)。

早期的爆震傳感器是磁致伸縮式，現(xiàn)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體出現(xiàn)振動(dòng)且振動(dòng)傳遞到傳感器外殼上時(shí)，外殼與平衡塊之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，夾在這兩者之間的壓電元件所受的壓力發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電壓。ECU檢測(cè)出該電壓，并根據(jù)其值的大小判斷爆震強(qiáng)度。

1.3 傳統(tǒng)爆震傳感器的檢測(cè)

1.3.1 實(shí)車(chē)檢測(cè)

1）電阻檢測(cè) 斷開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，拔開(kāi)爆震傳感器導(dǎo)線(xiàn)接頭，用萬(wàn)用表的電阻檔檢測(cè)爆震傳感器的接線(xiàn)端子與外殼間的電阻，正常應(yīng)為無(wú)窮大，否則更換爆震傳感器。

2）輸出信號(hào)檢測(cè) 拔開(kāi)爆震傳感器的導(dǎo)線(xiàn)插頭，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)用萬(wàn)用表的電壓檔檢查爆震傳感器的接線(xiàn)端子與搭鐵間的電壓，正常應(yīng)有脈沖信號(hào)輸出。

1.3.2 單體檢測(cè)

取爆震傳感器備用件，用木棰敲擊殼體，用萬(wàn)用表電壓檔檢測(cè)信號(hào)，應(yīng)有信號(hào)輸出。

1.4 傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)

1）難觸及 在實(shí)車(chē)上，因?yàn)楸饌鞲衅饕话惆惭b在缸體上，例如在進(jìn)氣歧管的下方等位置，一般很難觸及，所以給檢測(cè)帶來(lái)不便。

2）易傷手 單體檢測(cè)時(shí)，由于爆震傳感器個(gè)體比較小，難以固定，用木錘敲擊時(shí)，很容易砸到操作者的手，且檢測(cè)效果不明顯。

3）干擾多 因?yàn)楸饌鞲衅骱苋菀资艿狡渌盘?hào)的影響，無(wú)論是在實(shí)車(chē)上檢測(cè)還是單體檢測(cè)，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(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)目標(biāo)為：能讓學(xué)生很直觀地認(rèn)識(shí)爆震傳感器的結(jié)構(gòu)，理解其工作原理，并且方便學(xué)生對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而且能在此臺(tái)架上用示波器將爆震傳感器的波形清晰完整地顯現(xiàn)出來(lái)。

2.2 設(shè)計(jì)組成

本設(shè)計(jì)主要由兩部分構(gòu)成：控制電路設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.1 控制電路設(shè)計(jì)

整個(gè)控制電路主要由變壓器、二極管、LED燈、7805穩(wěn)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(jīng)常充電及搬運(yùn)的麻煩，將該臺(tái)架的控制電路設(shè)計(jì)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(guò)惠斯登電橋整流，電容濾波后，經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓管輸出5 V的穩(wěn)定電壓。在這段電路上并聯(lián)了一個(gè)綠色的發(fā)光二極管，當(dāng)電路接通，發(fā)光二極管就會(huì)亮，提醒使用者“通電中”。如圖2所示。

爆震傳感器試驗(yàn)臺(tái)架的電機(jī)控制電路，由電源、開(kāi)關(guān)、LED燈、電阻、可調(diào)電阻、直流電機(jī)組成，其中電源的正極串接開(kāi)關(guān)后分別接LED燈的陽(yáng)極和可調(diào)電阻的一端，LED燈的陰極串接電阻后與電源的負(fù)極分別接地，可調(diào)電阻的另一端串接直流電機(jī)后接地。如圖3所示。

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，LED燈亮，直流電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)調(diào)整可調(diào)電阻的電阻，則改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變了偏心輪的轉(zhuǎn)速，爆震傳感器產(chǎn)生的信號(hào)的頻率及強(qiáng)度都發(fā)生改變。

爆震傳感器的兩個(gè)輸出端分別接微型喇叭和LED燈的兩端，如圖4所示。當(dāng)爆震傳感器接收到振動(dòng)信號(hào)時(shí)，微型喇叭發(fā)聲，LED燈閃亮。

2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爆震傳感器試驗(yàn)臺(tái)架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)置于鉸鏈支架1上，鐵錘的頭部與爆震傳感器相對(duì)設(shè)置，偏心輪設(shè)置于鉸鏈支架2上，偏心輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，回位彈簧設(shè)置于鐵錘和地面之間。如圖4所示。

偏心輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)偏心輪以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使鐵錘以一定的頻率錘擊爆震傳感器，爆震傳感器就會(huì)以一定的頻率輸出信號(hào)電壓，驅(qū)動(dòng)微型喇叭發(fā)聲及LED燈閃亮。當(dāng)偏心輪的轉(zhuǎn)速加快，鐵錘錘擊的頻率及強(qiáng)度都會(huì)加大，則微型喇叭發(fā)聲及LED燈閃亮的頻率及強(qiáng)度都會(huì)變大，這就反映爆震強(qiáng)度變大。

3 試驗(yàn)臺(tái)架爆震傳感器的檢測(cè)

為了方便測(cè)量爆震傳感器，該設(shè)計(jì)將爆震傳感器的信號(hào)輸出端和殼體分別用導(dǎo)線(xiàn)引出。

3.1 電阻檢測(cè)

不接電源，找到爆震傳感器信號(hào)輸出端的導(dǎo)線(xiàn)接頭，殼體和鋁板搭鐵，用萬(wàn)用表電阻檔檢測(cè)爆震傳感器的接線(xiàn)端子與外殼間的電阻，應(yīng)為無(wú)窮大，否則更換。

3.2 輸出信號(hào)檢測(cè)

斷開(kāi)電源，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心輪時(shí)，用萬(wàn)用表電壓檔檢測(cè)爆震傳感器的接線(xiàn)端子與搭鐵間的電壓，應(yīng)有脈沖信號(hào)輸出。

3.3 輸出波形分析

連接示波器，接通臺(tái)架的電源，接通開(kāi)關(guān)，當(dāng)鐵錘敲擊爆震傳感器時(shí)，示波器會(huì)顯示如圖5所示的波形。爆震傳感器在工作時(shí)，波形的峰值電壓（峰高度或振幅）和頻率 （振荷的次數(shù)）將隨發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載和每分鐘轉(zhuǎn)速而增加，如果發(fā)動(dòng)機(jī)因點(diǎn)火過(guò)早、燃燒溫度不正常、排氣再循環(huán)不正常流動(dòng)等引起爆燃或敲擊聲，其幅度和頻率也增加。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)偏心輪的轉(zhuǎn)速加快，鐵錘錘擊的頻率及強(qiáng)度都會(huì)加大，輸出波形的幅度越大。

4 結(jié)論

將以上設(shè)計(jì)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(yàn)臺(tái)架部件清單見(jiàn)表1。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)從教學(xué)演示和教學(xué)課堂試驗(yàn)的角度出發(fā)，讓學(xué)生很直觀地認(rèn)識(shí)爆震傳感器，理解其工作原理，并且方便學(xué)生對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的功能。

表1 教學(xué)用發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器試驗(yàn)臺(tái)架部件清單

［1］龔文資，胡文娟.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及電機(jī)控制電路［P］.中國(guó)專(zhuān)利：CN102235934A，2011-11-09.

［2］梁書(shū)山.發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的原因分析［J］.中小企業(yè)管理與科技 （上旬刊），2010 （9）：296.

［3］劉陽(yáng).發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的分析及解決方法［J］.汽車(chē)維修，2010（8）： 15-16.

［4］張德惠.發(fā)動(dòng)機(jī)光纖爆震傳感器的結(jié)構(gòu)分析［J］.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010（3）：283-285.

［5］張宏超，謝輝，陳韜，等.爆震傳感器信號(hào)與HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)的相關(guān)性［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（12）：1123-1128.