教学用发动机爆震传感器试验台架的设计

胡文娟

（无锡商业职业技术学院汽车技术学院，江苏 无锡 214153）

汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件，在汽车上得到了广泛的应用。汽车发动机爆震传感器由能感知机械压力或振动的特殊材料构成，在做实车试验和单体试验时，很难将爆震传感器的波形准确描述出来，且传统的单体检测方法很容易损坏爆震传感器，不小心也会使操作者受伤，因此，简单有效的爆震传感器试验台架的产生就显得格外重要。

1 设计背景

1.1 爆震

爆震，俗称敲缸、叫杆。爆震 （或敲缸）是一种不理想的燃烧方式，它是自发地和随机地产生的，是由于气缸压力和温度异常升高，造成部分混合气不等火焰传播就自行着火燃烧的现象。

发动机缸内混合气正常燃烧时，火焰从离火花塞近的可燃混合气以30～40 m／s的速度，向四周未燃烧的混合气区传播，使混合气循序燃烧，直到结束。在发生爆震的情况下，点火后刚开始燃烧波的传播是正常的，在火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气 （尾气，End Gas），因为受了燃烧后气体膨胀所造成的压缩作用，使其体积缩小、温度和压力升高，超过燃料的自燃温度，在正常火焰传播到以前先行发火燃烧。火焰以300～1000m／s的速度迅速向外传播，当正常燃烧和爆震两个方向相反的燃烧压力波相遇时，会产生剧烈的气体震动，并发出特有的金属撞击声，所以称为 “爆震”。

爆震是汽油机运行中最有害的一种故障现象。发动机工作如果持续产生爆震，火花塞电极或活塞就可能产生过热、熔损等现象，造成严重故障，因此必须防止爆震的产生。

1.2 爆震传感器

点火时间过早是产生爆震的主要原因。为了使发动机以最大功率运行，最好能把点火时间提前到发动机刚好不至于发生爆震的极限范围，所以必须在点火系统中增设爆震传感器。

爆震传感器是发动机电子控制系统中必不可少的重要部件，大多安装在气缸体上。爆震传感器的功用是把爆震时传到缸体上的机械振动转换成电压信号，输入ECU作为爆震控制信号。

爆震传感器分为共振型、非共振型和火花塞座金属垫型3种。共振型爆震传感器是由与爆震几乎具有相同共振频率的振子和能够检测振子振动压力并将其转换成电压信号的压电元件构成。非共振型爆震传感器是用压电元件直接检测爆震信息，并将振动压力转换成电压信号输出。火花塞座金属垫型爆震传感器是在火花塞的垫圈部位装上压电元件，根据燃烧压力直接检测爆震信息，并将振动压力转换成电压信号输出，一般每缸火花塞都安装一个。

早期的爆震传感器是磁致伸缩式，现在多采用压电式。主要由压电元件、壳体、电器连接装置、平衡块或震荡片组成，如图1所示。其工作原理是：当发动机的气缸体出现振动且振动传递到传感器外壳上时，外壳与平衡块之间产生相对运动，夹在这两者之间的压电元件所受的压力发生变化，从而产生电压。ECU检测出该电压，并根据其值的大小判断爆震强度。

1.3 传统爆震传感器的检测

1.3.1 实车检测

1）电阻检测 断开点火开关，拔开爆震传感器导线接头，用万用表的电阻档检测爆震传感器的接线端子与外壳间的电阻，正常应为无穷大，否则更换爆震传感器。

2）输出信号检测 拔开爆震传感器的导线插头，在发动机怠速时用万用表的电压档检查爆震传感器的接线端子与搭铁间的电压，正常应有脉冲信号输出。

1.3.2 单体检测

取爆震传感器备用件，用木棰敲击壳体，用万用表电压档检测信号，应有信号输出。

1.4 传统检测方法的缺点

1）难触及 在实车上，因为爆震传感器一般安装在缸体上，例如在进气歧管的下方等位置，一般很难触及，所以给检测带来不便。

2）易伤手 单体检测时，由于爆震传感器个体比较小，难以固定，用木锤敲击时，很容易砸到操作者的手，且检测效果不明显。

3）干扰多 因为爆震传感器很容易受到其他信号的影响，无论是在实车上检测还是单体检测，爆震传感器的输出波形都不够清晰完整。

2 爆震传感器试验台架设计方案

2.1 设计目标

本设计目标为：能让学生很直观地认识爆震传感器的结构，理解其工作原理，并且方便学生对其进行检测，而且能在此台架上用示波器将爆震传感器的波形清晰完整地显现出来。

2.2 设计组成

本设计主要由两部分构成：控制电路设计和执行机构设计。

2.2.1 控制电路设计

整个控制电路主要由变压器、二极管、LED灯、7805稳压管、微型喇叭等组成。

为了使用方便，免去使用蓄电池需要经常充电及搬运的麻烦，将该台架的控制电路设计成了能直接使用220 V交流电的取电方式。利用充电器里的变压器将220 V的交流电降压，通过惠斯登电桥整流，电容滤波后，经过7805稳压管输出5 V的稳定电压。在这段电路上并联了一个绿色的发光二极管，当电路接通，发光二极管就会亮，提醒使用者“通电中”。如图2所示。

爆震传感器试验台架的电机控制电路，由电源、开关、LED灯、电阻、可调电阻、直流电机组成，其中电源的正极串接开关后分别接LED灯的阳极和可调电阻的一端，LED灯的阴极串接电阻后与电源的负极分别接地，可调电阻的另一端串接直流电机后接地。如图3所示。

当开关闭合时，LED灯亮，直流电机以一定的转速转动。当调整可调电阻的电阻，则改变直流电机的转速，进而改变了偏心轮的转速，爆震传感器产生的信号的频率及强度都发生改变。

爆震传感器的两个输出端分别接微型喇叭和LED灯的两端，如图4所示。当爆震传感器接收到振动信号时，微型喇叭发声，LED灯闪亮。

2.2.2 执行机构设计

爆震传感器试验台架的执行机构由铁锤、铰链支架1和2、回位弹簧、偏心轮、爆震传感器、微型喇叭、LED灯组成。其中，铁锤的末端设置于铰链支架1上，铁锤的头部与爆震传感器相对设置，偏心轮设置于铰链支架2上，偏心轮由直流电机驱动，回位弹簧设置于铁锤和地面之间。如图4所示。

偏心轮由直流电机驱动，当偏心轮以一定的转速转动时，会使铁锤以一定的频率锤击爆震传感器，爆震传感器就会以一定的频率输出信号电压，驱动微型喇叭发声及LED灯闪亮。当偏心轮的转速加快，铁锤锤击的频率及强度都会加大，则微型喇叭发声及LED灯闪亮的频率及强度都会变大，这就反映爆震强度变大。

3 试验台架爆震传感器的检测

为了方便测量爆震传感器，该设计将爆震传感器的信号输出端和壳体分别用导线引出。

3.1 电阻检测

不接电源，找到爆震传感器信号输出端的导线接头，壳体和铝板搭铁，用万用表电阻档检测爆震传感器的接线端子与外壳间的电阻，应为无穷大，否则更换。

3.2 输出信号检测

断开电源，转动偏心轮时，用万用表电压档检测爆震传感器的接线端子与搭铁间的电压，应有脉冲信号输出。

3.3 输出波形分析

连接示波器，接通台架的电源，接通开关，当铁锤敲击爆震传感器时，示波器会显示如图5所示的波形。爆震传感器在工作时，波形的峰值电压（峰高度或振幅）和频率 （振荷的次数）将随发动机的负载和每分钟转速而增加，如果发动机因点火过早、燃烧温度不正常、排气再循环不正常流动等引起爆燃或敲击声，其幅度和频率也增加。试验时，当偏心轮的转速加快，铁锤锤击的频率及强度都会加大，输出波形的幅度越大。

4 结论

将以上设计布置在一块2mm厚的铝板上，用玻璃胶固定安装，如图6所示，试验台架部件清单见表1。实践证明，该设计可以实现从教学演示和教学课堂试验的角度出发，让学生很直观地认识爆震传感器，理解其工作原理，并且方便学生对其进行检测的功能。

表1 教学用发动机爆震传感器试验台架部件清单

［1］龚文资，胡文娟.汽车发动机爆震传感器实验台架及电机控制电路［P］.中国专利：CN102235934A，2011-11-09.

［2］梁书山.发动机爆震的原因分析［J］.中小企业管理与科技 （上旬刊），2010 （9）：296.

［3］刘阳.发动机爆震的分析及解决方法［J］.汽车维修，2010（8）： 15-16.

［4］张德惠.发动机光纤爆震传感器的结构分析［J］.内蒙古民族大学学报 （自然科学版），2010（3）：283-285.

［5］张宏超，谢辉，陈韬，等.爆震传感器信号与HCCI发动机燃烧参数的相关性［J］.天津大学学报，2009（12）：1123-1128.