发动机爆震与爆震传感器

2010-02-26张真率胡晓明

装备制造技术 2010年2期

关键词：爆震混合气气缸

张真率，胡晓明，袁催

（柳州五菱柳机动力有限公司研发中心，广西柳州545005）

爆震是发动机运行时一种不正常燃烧的现象，它会使发动机工作粗暴，功率下降，燃油经济性变差。利用爆震传感器，提取发动机爆震信号的特征，可以准确地判断爆震是否发生和爆震强度的大小，进而控制发动机工作在最佳工况。

1 发动机爆震

1.1 爆震产生原理及特征

爆震是发动机运行时一种不正常燃烧的现象。发动机正常燃烧时，火花塞接到ECU的点火信号后,对可燃混合气进行点火，火焰从火焰核心（离火花塞近的可燃混合气）以30～40 m/s的速度，向四周的未燃烧的混合气区传播，使燃烧室内混合气循序燃烧，直至结束。汽油机发生爆震时，在汽油机燃烧室内火焰传播过程中，远离火花塞的未燃混合气（末端混合气），被已燃混合气的膨胀所压缩，此处的局部温度由于热辐射作用而超过燃料的自燃温度，从而产生自发反应，形成一个或多个火焰核心，这时末端混合气在正常火焰传播到以前先行发火燃烧。这种自行发火燃烧会发出极强的火光，燃烧温度常在4 000℃以上，火焰传播速度达200～1 000 m/s以上，比正常燃烧的火焰传播速度高数倍甚至数十倍。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”。

轻微的爆震无法被人的感官所察觉，在此我们称它为‘无感爆震’，因此当你能感觉得到引擎爆震所产生的噪音和震动时，这时的爆震情况已经严重得超乎你的想象，我们称它为“有感爆震”。发生有感爆震时，发动机有哒哒的金属敲击发动机缸体的声音，而且发动机各部件温度急剧上升，油耗增大，发动机和车身能感到震动。

1.2 爆震产生的危害

发动机产生爆震会使发动机机工作粗爆，功率下降，燃油经济性变差，严重时甚至会损害发动机相关零部件。

（1）振动和噪音加大。发动机敲缸导致振动和噪音加大，特别是振动，会严重影响车辆的运行的平稳，怠速的时候发动机会严重抖动，使得舒适性急剧下降。由于这种非正常被点燃的可燃混合气会放出超频的能量，而且在气缸内以高速传播，这样就产生了较大的压力冲击波，气缸的体积又很小，这些冲击波就在气缸壁面上反复反射，造成强大的振动并产生高频噪声，同时这种振动波的力量，是与活塞运动方向相反的，也就是说此时活塞还未完成压缩行程，仍在上行的时候，非正常点燃的混合气产生的冲击波会与活塞发生冲突，这样会导致活塞敲击缸体，即“敲缸”现象。

（2）功率急剧下降和油耗量迅速上升。爆燃会产生带有强大能量的压力波，以很高的频率对气缸壁进行反复冲击，这就使气缸壁面的气膜变薄，发动机产生的热量就会很快的通过气缸壁散发掉，造成气缸的传热损失增大，从而导致发动机功率下降，燃料消耗率上升，同时导致汽油机过热，冷却水和机油温度增高。另外，由于此时产生的能量是与活塞运动方向相反的，也就是说此时产生的是“副作用”的能量，这样的能量不仅不能用来驱动汽车，相反会阻碍发动机的运转，因此功率的急剧下降和油耗量的迅速上升就成了必然。

（3）损害汽缸壁及其他零件。如果发动机持续产生爆震，不能得以很好的解决的话，还会严重损害发动机。当爆震时，会有大量的压力冲击波对气缸壁进行反复敲击，如此大能量的冲击波反复敲击，对气缸壁油膜的破坏是相当大的，对气缸壁的损害也是相当大的，如果爆震持续时间较长，程度较严重时就会损坏发动机的相关零部件。

1.3 原因分析

造成爆震最主要有以下几点原因：

（1）点火角过于提前。点火时间过于提前，是发动机发生爆震最主要的原因。为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火(因为从点火到完全燃烧需要一段时间)。而过于提早的点火，会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。

（2）发动机过度积碳。车子用久了以后，发动机气缸内就可能产生积碳，尤其是常常在堵车严重的城市里行驶的车子，由于汽油不能够充分燃烧，其中的碳原子和氧分子不能全部转化CO2和CO，而是产生了碳分子粘在气缸壁上形成了积碳。碳是易燃的物质，在气缸高温高压的环境中，更是容易燃烧，所以积碳对爆震产生了“助燃”的作用，增加了爆震的可能性。当发动机出于压缩行程的时候，刚刚参与过燃烧的积炭会提前点燃混合气，从而导致爆震。

（3）发动机温度过高。发动机在太热的环境使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机高温而爆震。

（4）空燃比不正确。过于稀的燃料空气混合比，会使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高，会造成发动机温度提升，当然容易爆震。

（5）燃油辛烷值过低。辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则容易发生爆震。

2 爆震传感器

2.1 工作原理

为了有效抑制爆震，从用户因素来说，我们应该选用合适的汽油标号，定期清除积碳，采用合适的汽油添加剂，避免长时间高档低速行驶；从发动机设计来说，最快速且有效的抑制爆震的方法，就是延后点火提前角，降低燃烧压力。所以爆震传感器动作原理是：当侦测到发动机爆震时，则将点火提前角延后到不会爆震的点火时机，待发动机不爆震时，再慢慢的将点火提前回复。爆震传感器是利用加速度传感器来量测发动机的加速度变化，也就是震动。在调校爆震传感器器时，会把爆震的震动模式写入ECU中，一旦爆震传感器侦测出该震动模式，ECU则判定发动机爆震，随即延后点火提前角。其简单的示意图见图1。

图1 爆震传感器工作示意图

点火时间过早，是产生爆震的一个主要原因，图2所示为爆震与点火时刻、发动机扭矩的关系。发动机发出最大扭矩的点火时刻MBT，是在开始产生爆震点火时刻（爆震极限）的附近。因此，在设定点火时刻时，需要留有离开爆震界限的余量。无爆震控制时，所留余量应大些，这时的点火时刻，比发出最大扭矩时的点火时刻滞后，所以扭矩有所降低。如果用爆震传感器能检测到爆震界限，那么就可以把点火时刻调到接近爆震极限的位置，就可以更有效地得到发动机的输出功率。

图2 点火时刻、扭矩和爆震的关系

2.2 结构

常见的爆震传感器有两种，一种是磁致伸缩式爆震传感器，另一种是压电式爆震传感器。在实际应用中，运用最多的是压电式爆震传感器。

（1）磁致伸缩式爆震传感器。图3所示为磁致伸缩式爆震传感器的结构，该传感器由壳体永久磁铁、可被永久磁铁励磁的强磁体铁心、缠绕在铁心周围的线圈等构成。

图3 磁致伸缩式爆震传感器

发动机爆震时产生的压力波，其频率范围约为1～10 kHz。压力波传给气缸，当发动机缸体振动时，在7 kHz左右将发生共振，在强磁体铁心上发生的压缩变形，将使其磁通量发生变化。这样，永久磁铁通过铁心的磁场变化，使铁心周围的感应电动势发生变化。

（2）压电式爆震传感器。图4所压电式爆震传感器的结构，该传感器由压电元件、配重块及导线等构成。

图4 压电式爆震传感器

当发动机缸体的振动传到爆震传感器壳体时，壳体与配重块之间产生相对运动，从而使夹在中间的压电元件所承受的推压力变化。于是，随着压电元件承受推压作用力而产生电压。在控制组件上只检出频率达到7 kHz左右时爆震所产生的电压，通过该电压值的大小可判定爆震强度。

2.3 爆震传感器检测

爆震传感器故障可以通过以下手段进行检测：

（1）爆震传感器电阻的检测。点火开关置于“OFF”位置，拔开爆震传感器导线接头。对于压电式爆震传感器，用万用表检测爆震传感器的接线端子与外壳间的电阻，应为∞（不导通）；若为0 Ω（导通）则须更换爆震传感器。对于磁致伸缩式爆震传感器，可以用万用表检测线圈的电阻，其阻值应符合其技术要求的规定值，否则应更换传感器。

（2）爆震传感器输出信号的检查。拔开爆震传感器的连接插头，在发动机怠速时，用万用表电压档检查爆震传感器的接线端子与搭铁间的电压，应有脉冲电压输出。如没有，应更换爆震传感器。

（3）其他有关电路的检测。判断传感器出现的故障时，不应只考虑传感器本身，而应考虑出现故障的整个电路。因此，在查找故障时，除了检查传感器之外，还要检查线束、插接件以及传感器与电控单元之间的有关电路。

3 故障维修实例

笔者在工作中遇到一例由线路问题引起的发动机爆震传感器故障。一台LJ474Q3E2发动机在试验室进行性能测试，试验人员反映：发动机在高速运行时故障灯点亮，用故障诊断仪检测为爆震传感器故障。但更换爆震传感器和发动机ECU后，故障仍未排除。在对故障进行验证后发现：发动机转速在4 000～5 000 r/min时，发动机故障灯都会点亮，而且使用故障诊断仪可以调出发动机电脑中存储了爆震传感器的故障码，故障码可以清除，但运行发动机时还会再次出现。检查中还发现，无论发动机故障灯是否点亮，发动机工作都很正常，加速顺畅，当发动机故障灯点亮时，点火提前角的数值也正常。

参考电路图，爆震传感器的工作电路比较简单。虽然已经更换过发动机电脑和爆震传感器，没有排除故障，但是发动机电脑的工作条件是否正常还需要确认。于是笔者又静态检查了一遍发动机电脑的供电电源及搭铁线，均无问题。为了排除由于台架振动造成发动机ECU存储爆震传感器故障码的可能性，将爆震传感器从发动机缸体上拆下来，仍然连着发动机线束，但爆震传感器的故障码依然存在。考虑到如果发电机出现脉动电压，会影响到发动机ECU的工作，因此又在发动机工作时动态检查了一遍发动机ECU的供电电源、搭铁线以及充电系统数据流，还是没有发现问题。后来在此基础上更换了发动机控制线束，故障终于排除了。

故障虽然排除，但为了寻找原因，当再次检查故障发动机控制线束时，笔者注意到爆震传感器本身线路带有屏蔽护套，屏蔽网线应该与搭铁线导通。检测发现，故障线束中爆震传感器屏蔽网线与搭铁线几乎要断开了。爆震传感器属于一种低电压传感器，易受外界电磁波干扰，当产生干扰电磁波后报警。后来将线重新接好，并安装到发动机上，故障再也没有重现。